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木基复合材料破坏过程中声发射特性的研究

发布日期:2017-05-06 11:48    浏览次数:次

材料的变形、损伤和断裂过程是能量的积累和释放过程,当材料的局部受到损伤或断裂破坏时,能量便以应力波的形式释放出来,这就是声发射(简称 AE) 现象[ 1] 。声发射信号是由传感器接收材料在受力变形破坏时所释放的声波,经前置放大、信号调理装置等处理而显示的电信号,其频率主要集中在 100 kHz 至 1 MHz 之间。通过 AE 技术对波形信号的提取和处理,可以分析材料内部结构产生的细观变化、材料变形、变形扩大以及完全变形或断裂的宏观变化[2 -3] 。声发射技术以实时监测损伤过程为特点,能够在线监测裂纹的萌生和扩展过程,是一种有效地检查动态缺陷的无损检测方法。

木基复合材料在承受外力载荷时会发生基体裂纹、界面脱粘、分层以及纤维断裂等不同形式的微观损伤,随着时间的积累,最终导致材料宏观上的破坏[4] 。木基复合材料在损伤断裂过程中会发出丰富的声发射信号,通过采集和分析声发射信
1 材料与方法
1. 1 材料
选取常用的木基复合材料胶合板(11 层,相邻单板层木纹方向相互垂直)和三聚氨胶贴面刨花板两种材料为试材,密度分别为 0.65 、0.696cm3 ,制成规格为 300 mm (L) x 20 mm (T) x 18 mm ( R) 的试件,试件在常温下干燥至含水率稳定在 8 %-10% 之间,每组试件各 10 个。
1. 2 试验方法
利用声发射仪(长沙鹏翔 PXWAE) 和万能力学试验机(深圳新三思 CMT 4204) 相结合,采用三点弯曲对试件进行横向加压,加载速度为5 mrn/min ,当试件开始受力时,声发射仪也同时开始采集声发射信号[8] 。传感器的型号为 PXR -15 型,谐振频率为 150 kHz ,传感器固定在试件上表面且用稠合剂搞合,使其与试件接触性良好。传感器接收声发射信号,传输至前置放大器,再通过调理装置及装有声发射采集卡的微机采集声发射信号在显示器上显示并记录下来。利用 Matlab7.0 对采集到的声发射信号进行噪声处理[9] ,并使用参数分析法计算声发射信号的主要参数幅度、有效电压( RMS) 、振铃总计数、
累计能量等信号特征值。
2 结果与分析
2.1 活动性显示
加载条件下因变形和局部应力而产生声发射信号,声发射信号的幅度、有效电压、振铃总计数、累计能量等信号特征值能够分别从活动性和损伤两个方面反映木基复合材料内部损伤演化过程[10 -15] 。振铃总计数、累计能量等信号特征值可清楚地显示声发射时试件的损伤活动性。胶合板试件的挠度与载荷、振铃总计数及累计能量关系见图 1 。

试件在挠度不到 3 mm 时未发生声发射现象,在挠度增加到 3.2 mm 左右时声发射现象发生,并呈稳步增大的趋势,主要表现为振铃总计数和累计能量缓慢增大。当试件挠度达到7 mm左右时,累计能量迅速增大,试件断裂。之后,随着裂纹扩展,振铃总计数和累计能量还会缓慢增大,断口裂纹呈现”之”字形状。贴面刨花板试件的挠度与载荷、振铃计数及累
计能量关系见图 2 。

同胶合板试件相比,贴面刨花板试件声发射活动性,具有以下特征:(1)贴面刨花板声发射发生早于胶合板,挠度约达到 2.1 mm 时即有声发射现象发生,贴面刨花板声发射前期未有缓慢增加的过程,其振铃总计数和累计能量均为迅速增加到一定数量,且振铃总计数比胶合板显著减少,胶合板振铃总计数约为4890 ,而贴面刨花板只有 136 。出现这种现象的原因可能是实验中贴面刨花板为三聚氨胶贴面板,表面较脆且没有韧性,容易发生断裂。
(2) 贴面刨花板声发射现象发生时,累计能量可迅速增加达到 2.3 J ,随着时间推移,能量还有缓慢增加的过程,这表明贴面刨花板下表面在拉应力的作用下迅速断裂,之后,随着下表面断口的增大,贴面刨花板内部裂纹继续扩展。(3) 贴面刨花板试件开始发生断裂时挠度仅有 2. 1 mm ,而胶合板挠度可达 7 mm ,这表明贴面刨花板微裂纹的发生、扩展、贯穿的发展过程非常迅速,其断裂机制属于韧窝断裂。
2.2 损伤特性分析
振幅是声发射信号波形的最大峰值幅度,通常
用分贝 (dB) 表示。就一力学观点、而言,可以用幅值大小表示声发射信号的能量。有效电压 ERMS 是采样时间内声发射信号电压幅度的均方根,若设交变
电压 x( t) , 则有效电压公式可表示为[M]: 2C66D28A-51AE-411D-B3BA-578FC8BAF0C7也可认为 ERMS 为声发射波形的功率相对值,与声发射信号的能量有关,主要用于评价声发射信
号的活动性。图 3 为胶合板声发射信号幅值、有效电压随挠度的分布图,其密集程度可直接反映声发射事件出现的频率。由图 3 可知,

胶合板试件三点弯曲条件下,其内部损伤、演化、扩展直至断裂的过程大致可分为 3 个阶段:第 1 阶段线弹性变形阶段,此阶段未出现声发射信号,无损伤产生;第 2 阶段非线性变形阶段,在前半阶段中只有少量低能量声发射信号产生,这表明微裂纹在材料中出现后,并未随载荷的增加而增加,而后半阶段随着微裂纹形成、扩展,声发射信号逐渐丰富变大,直至接近极限载荷;第 3 阶段韧性断裂阶段,随着载荷的进一步增加,木纤维束的断裂拔出,微裂纹扩展成宏观裂纹,之后便非稳态扩展。最终导致突然断裂,释放大量高能量弹性能,直至声发射信号幅度、有效电压达到最大值。同胶合板相比,贴面刨花板声发射信号表明
(图的,贴面刨花板的损伤直至断裂大致分为两个段:第 1 阶段是线弹性阶段,此阶段未出现声发信号,无损伤产生;第 2 阶段是断裂韧性阶段,此阶段声发射信号幅度、有效电压迅速达到最大,材料从裂纹形成到突然断裂,释放了大量弹性能。此后,随着挠度的增加,幅度和有效电压迅速降低,这表明随着材料裂纹的增大,材料内部颗粒仍在释放低能量声发射信号,材料裂纹继续扩展。
论 结 3
(1)贴面刨花板微裂纹的发生、扩展、贯穿的发展过程是非常迅速的,其断裂机制属于韧窝断裂,且断裂发生显著早于胶合板。
(2) 胶合板的损伤阶段主要分为:线弹性阶段、非线性变形阶段、断裂韧性阶段。贴面刨花板
的损伤阶段主要分为线弹性阶段和断裂韧性阶段。

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