ad95氧化鋁陶瓷彎曲破壞過程的聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測

ad95氧化鋁陶瓷彎曲破壞過程的聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測

在應(yīng)力的作用下，固體物質(zhì)的塑性變形或材料中的裂紋發(fā)生并擴展，并且由于不穩(wěn)定的高能量應(yīng)力的集中狀態(tài)，它們迅速轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的低能量狀態(tài)。在此平衡過程中，多余能量以彈性電壓波的形式表示，并發(fā)生聲勢。聲發(fā)射技術(shù)由于具有實時、動態(tài)、可測、方便等特點,在航空器、海洋石油平臺的檢測、埋地管道的泄露檢測等工程應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。聲發(fā)射作為一種研究材料力學性能和斷裂機理的手段,可以檢測材料中裂紋的產(chǎn)生、擴展、導(dǎo)致斷裂這樣的動態(tài)過程,在混凝土,巖石等準脆性材料的損傷、斷裂中得到了廣泛的應(yīng)用。陶瓷材料是典型的脆性材料,其內(nèi)部的微裂紋形成有很多種,如材料在燒結(jié)過程中的原始氣孔和微裂紋,或者由于基體與夾雜物之間的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不匹配而形成的微裂紋,這些微裂紋一般比金屬或復(fù)合材料內(nèi)的裂紋小1～2個數(shù)量級,而陶瓷的脆性破壞主要是由大量的微裂紋成核和擴展引起。陶瓷材料在破壞前的應(yīng)變很小,但開裂時的聲發(fā)射具有幅度高而且容易與噪音相區(qū)別的特點,從而聲發(fā)射技術(shù)在陶瓷材料研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用背景。本研究利用DISP多通道聲發(fā)射系統(tǒng)對陶瓷試件在三點彎曲載荷作用下的破壞過程進行了監(jiān)測,對陶瓷材料破壞過程中的聲發(fā)射特性進行了詳細的分析,力圖尋找陶瓷破壞過程的聲發(fā)射參數(shù)與損傷之間的變化特性,從而為陶瓷材料損傷本構(gòu)模型的建立、陶瓷裝甲材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材、抗侵徹能力的提高提供分析方法。1聲發(fā)射源特性陶瓷材料在外載作用下發(fā)生變形和破壞,材料內(nèi)部微裂紋在擴展時釋放能量,形成聲源而產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。利用聲發(fā)射源發(fā)出的彈性波,經(jīng)介質(zhì)傳播到達被檢測體表面,引起表面的機械振動。聲發(fā)射傳感器將表面的瞬態(tài)位移轉(zhuǎn)換成電信號,該信號經(jīng)放大、處理后,其波形和特性參數(shù)被紀錄與顯示。最后,經(jīng)數(shù)據(jù)的分析與解釋,評定出聲發(fā)射源的特性(見圖1)。實驗試件為AD95氧化鋁陶瓷,由質(zhì)量分數(shù)為95%的Al2O3和5%的CaO和SiO燒結(jié)而成,密度為3.69g/cm3。試件尺寸參照國家標準中關(guān)于三點彎曲試件的規(guī)定,基本尺寸為40mm×10mm×5mm,其與橫截面垂直的試件兩相對側(cè)面之間的不平行度小于0.02mm,橫截面兩相鄰邊棱之間夾角為(90±0.5)°,表面粗糙度按國家標準規(guī)定不大于3.2μm。加載中設(shè)計了光滑無缺口和預(yù)制缺口兩種試件,預(yù)制缺口試件在試件受拉面跨中位置有一切口,深度約為5mm。2實驗系統(tǒng)設(shè)計三點彎曲實驗的載荷作用點確定,損傷形成和發(fā)展的區(qū)域相對集中,損傷模式和破壞機理相對簡單,得到的聲發(fā)射信號比較單純,是利用聲發(fā)射技術(shù)研究材料損傷與斷裂的首選加載方式。因此,本實驗中對陶瓷試件在材料實驗機上進行三點彎曲加載。實驗系統(tǒng)分為兩部分:一是加載系統(tǒng),用來進行三點彎曲實驗的力和位移控制。加載設(shè)備為WDW3050型微機控制電子萬能實驗機,該實驗機最大載荷為50kN,加載速率在0.05～200mm/min范圍內(nèi)可調(diào)并保持良好的線性。實驗系統(tǒng)如圖2所示。二是聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。實驗中采用的是DISP4通道聲發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用插卡式并行處理結(jié)構(gòu),由PCI總線的PC機、前置放大器、傳感器和多個并行處理的PCI-DSP-4卡構(gòu)成。實驗采用壓電傳感器,頻率為150kHz,濾波帶寬為100～400kHz,靈敏度為65dB。兩個前置放大器分別連接在兩個傳感器上,濾波帶寬100～400kHz,為傳感器提供40dB的增益,有效排除環(huán)境噪聲。3材料細觀損傷的演化過程聲發(fā)射系統(tǒng)所收集到的數(shù)據(jù)包括聲發(fā)射事件數(shù)、振鈴計數(shù)、信號能量、持續(xù)時間、幅度等信號特征值,分別從不同的角度反映了材料內(nèi)細觀損傷的演化歷程,經(jīng)系統(tǒng)軟件分析,其結(jié)果以更直觀的圖表形式顯示出來。3.1聲發(fā)射活動特征當采用活動性顯示時,X軸是時間軸,Y軸可以是撞擊信號、定位的事件數(shù)或總能量的顯示,表明了聲發(fā)射事件發(fā)生的時間以及活動性大小。圖3,4分別為無缺口陶瓷試件和預(yù)制缺口陶瓷試件得到的聲發(fā)射活動性顯示。對于無缺口試件,見圖3,在剛開始的400s內(nèi)幾乎沒有聲發(fā)射發(fā)生。從420s左右開始,出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象且數(shù)目逐漸增多,在615s附近達到第一個峰值,此時,能量(Energy)、振鈴數(shù)(Counts)、事件數(shù)(Hits)都有了一個突躍。620～780s之間聲發(fā)射現(xiàn)象又趨于平穩(wěn);在820s時聲發(fā)射能量、事件數(shù)和振鈴數(shù)突然增加,比第一峰值高許多。在第二次峰值之后,聲發(fā)射信號又趨于短暫的平穩(wěn)(約830～910s),隨后三個信號特征量均急速地增加,920s達到峰值,試件在此時斷裂。同無缺口試件相比,預(yù)制缺口試件聲發(fā)射活動性(見圖4)有如下特征:(1)信號能量、振鈴計數(shù)明顯減少;無缺口總振鈴計數(shù)為67712個,而預(yù)制缺為41547個。聲發(fā)射事件數(shù)增多主要是由于在預(yù)制缺口處容易形成應(yīng)力集中而產(chǎn)生微小裂紋,產(chǎn)生聲發(fā)射事件,但釋放的能量很少。(2)試件破壞之前聲發(fā)射信號特征參數(shù)的突躍并沒有無缺口試件中明顯。雖然事件數(shù)在460s附近有個突躍,振鈴計數(shù)在540s左右有個峰值。但460s處,事件數(shù)很多,振鈴計數(shù)較少,能量也比較低,說明聲發(fā)射檢測到的主要是噪聲信號或是十分小的聲發(fā)射信號;在540s左右,振鈴計數(shù)和信號能量都比較高,但是事件數(shù)比較少,表明此時的信號持續(xù)時間比較長。(3)無缺口試件中從聲發(fā)射發(fā)生到斷裂持續(xù)時間約為300s,而有缺口試件中約為170s。聲發(fā)射實驗的數(shù)據(jù)表明,在預(yù)制缺口試件中,微缺陷的成核、長大、貫穿的發(fā)展過程是非常迅速的,在微裂紋急速成長之后,試件瞬間脆性斷裂。3.2聲發(fā)射信號產(chǎn)生及特征參數(shù)圖5,6記錄了無缺口試件的外加載荷和加載過程中信號幅度隨時間的分布。圖6中的每一個小點代表一個聲發(fā)射事件,點的密度直觀的反映了聲發(fā)射信號出現(xiàn)的頻率,反映了無缺口試件在受載時的損傷程度。信號幅度集中在40～50dB區(qū)間。試件斷裂時產(chǎn)生大量高幅值信號,幅值上升非常迅速,最高達到95dB。幅值-時間分布圖形直接地反映了試件內(nèi)部損傷的起始、演化、擴展直至斷裂的過程,大致可分以下幾個階段:階段Ⅰ:微缺陷成核前期(A點之前)。此時載荷很小,未出現(xiàn)典型的聲發(fā)射信號,說明材料中的微缺陷并沒有被誘發(fā)。階段Ⅱ:微缺陷成核階段(AB段)。該階段只出現(xiàn)零散的幾個聲發(fā)射信號。此階段內(nèi)聲發(fā)射信號的典型特點是脈沖幅值小,能量小,聲發(fā)射事件數(shù)稀疏。隨著局部應(yīng)力的增加或內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生,陶瓷內(nèi)部的微缺陷,比如氣孔缺陷或雜質(zhì)等在局部應(yīng)力作用下被誘發(fā)成核,萌生出微裂紋,即M點,此時聲發(fā)射的各個特征量也第一次達到一個小峰值。階段Ⅲ:微裂紋滯動期(BC段)。從圖6可看出,事件出現(xiàn)頻率增多,密度增大,但并沒有劇烈地增加。這表明,微裂紋在材料中萌生以后,雖然外加載荷繼續(xù)增加,但是微裂紋出現(xiàn)了短暫的停滯狀態(tài),并沒有進一步有比較大的發(fā)展。階段Ⅳ:微裂紋擴展期(CD段)。在C點載荷-時間曲線斜率出現(xiàn)了突變,CD段的斜率基本保持不變。表明該階段內(nèi)微裂紋快速擴展,產(chǎn)生了大量的高幅信號,聲發(fā)射信號跨過門檻的振鈴計數(shù)激增。階段Ⅴ:突然斷裂期。隨著載荷的進一步增加,微裂紋擴展成宏觀裂紋,之后便非穩(wěn)定擴展。最終導(dǎo)致突然斷裂(即點P),釋放大量彈性能,導(dǎo)致聲發(fā)射信號幅值達到最大值。由以上五個階段可以看出,在陶瓷的斷裂過程中,微裂紋的成核、擴展及貫穿都會引起聲發(fā)射特征參數(shù)的相應(yīng)變化。聲發(fā)射幅值-時間圖形和載荷-時間曲線的變化趨勢是一致的,這是因為實驗數(shù)據(jù)是來自于同一個試件,雖然參數(shù)的定義不一樣,但都攜帶著聲發(fā)射源的信息,反映了試件內(nèi)部損傷演化過程。4聲發(fā)射特征測試(1)本研究利用聲發(fā)射技術(shù),對陶瓷試件在三點彎曲載荷下的破壞斷裂過程進行了監(jiān)測,得到了豐富的聲發(fā)射信號。(2)通過對聲發(fā)射特征參