声发射技术在编织CSiC复合材料损伤检测中的应用 66页

西北工业大学硕士学位论文声发射技术在编织C/SiC复合材料损伤检测中的应用姓名：潘文革申请学位级别：硕士专业：固体力学指导教师：矫桂琼20030301 摘要摘要本文利_LIj声发射技术，对C／SiC复合材料在拉伸过程中损伤发展、演化进行了实验研究。实验采集了单纤维束、二维编织、三维编织三种C／SiC复合材料的声发射相关特征参数并¨波形。运川多参数分析法，分析了C／SiC复合材料拉伸损伤的声发射特性，宏观上揭示了材料拉伸损伤的发展、演化过程和规律。通过声发射波形信号的频谱分析，研究了C／SiC复合材料拉伸损伤的细观机理。利用声发射累积相对能量表征材料损伤，建立损伤模型，给山材料破坏判据。实验研究表明：单纤维束一：维编织和三维编织C／SiC复合材料由于结构形式不同，损伤机理和发展过程不同，表现出的声发射参量的特性也不同；试件初始状态和断口的显微观察证实了该推断。声发射累积相对能量和C／SiC复合材料的损伤演化有较好的相关性。尤其对三维编织C／SiC复合材料，损伤可分为两个主要阶段，损伤初始阶段和损伤严重阶段。C／SiC复合材料的频谱分析，给出了材料不同类型损伤的频率特性，揭示了材料每一时刻的损伤基本上是不同类型损伤的组合，很少有单一损伤独立发生。利用声发射累积相对能量定义损伤变量，通过单纤维束模型、平均杆元模型以及体积平均化模型初步建立了纤维束、二维编织、三维编织C／SiC复合材料拉伸损伤演化方程。通过弹性模量衰减与应力变化的关系，确定了二维编织、三维编织C／SiC复合材料拉伸损伤的修正系数，初步定量给出了该材料拉伸损伤演化方程的经验公式并通过实验验证。关键词：声发射技术(AE)、编织C／SiC复合材料、频谱分析、损伤演化 APPLICATIONOFACOUSTICEMISSIONTECHNIQUEINDAMAGEINSPECTIoNoFBRAIDEDC／SiCCOMPoSITEAbstractTheacousticemissiontechnology(AE)wasusedtoinvestigatethedamagemechanismofC／SiCcompositeundertensiletests．Thetensileandload／unload／reloadtensiletestsofsinglefiberbundle，2-Dwovenand3-DbraidedC／SiCcompositeswereperformed．AEcharacteristicparametersandwaveformswerecollectedovertheentirestress／straincul．ve．AEcharacteristicofC／SiCcompositedamageevolutionwasanalyzedusingmulti．parametersanalyticalmethod．featuresofC／SiCcompositedamageevolutionwerealsofound．Spectrumanalysiswasperformedtodeterminethemicro-mechanismofdamageevolutionofC／SiCcomposites．AdamagemodelwasappliedtodescribetheC，SiCcompositedamagewithAErelativeenergy,andadamagecriterionwaspresentfortheC／SiCs．Experimentalresultsindicatethat：TheAEcharactersofsinglebundle，2-Dwovenand3-DbraidedC／SiCcompositearedifferentbecauseoftheirdifferentstructures，damagemechanismsanddevelopingprogress，whichGallbeverifiedbymicrographicexaminationonspecimens’initialstateandfractography．AEaccumulativerelativeenergyisrelatedtothedamageevolutionofC／SiCcompositesclosely．Especiallyfor3·Dbraidedcomposites．Damageprocessincludestwomainstages：damageinitiateperiodandbadlydamageperiod．ThespectrumanalysisshowsdifferentfrequencycharacteristicsfordifferentdamagepatternsofC／SiCcomposite．Andthroughallthedamageprocess，manydamagemodesCO·exit，neverinapuremode．．Damageevolutionequationsinthetensileprocesswereformulated，usingAEaccumulativerelativeenergyaSadamagevariable，basedonsinglebundlemodel，averagerodmodelandvolume-averagedmodel，forsinglebundle，2·Dwovenand3-DbraidedC／SiCcompositesrespectively．ModificationfactorsweregivenaccordingtotherelationshipbetweenelaSticmodulusreductionandtensilestress．Theempiricalelementarilyformulasofdamageevolutionintensileloadingweregivenquantitatively,andverifiedbyexperiments．Keywords：acousticemission(AE)，braidedC／SiCcomposite，spectrumanalysis，damageevolution 第一章概述第一章概述第一节研究的工程背景现代复合材料白问世以来，由于它具有重量轻、高比刚度、比强度、性能可设计等优良性能，在备部门例如航空、宇航、汽车、造船、建筑、桥梁、车辆、化：f：设备、医学以及运动器材等方面的应朋愈来愈，“泛，在现代材料体系中·!i有越来越重要的地位⋯。编织复合材料是编织技术和现代复合材料技术结合的产物．它与普通复合材料具有较人的区别。普通复合材料是通过把纤维束按一定的角度和一定的顺序进行铺成或缠绕而制成的，基体材料和纤维材料丁铺层或缠绕同时组合而成，形成层状结构．因此也称层合(压)复合材料。而编织复合材料是利瑚编织技术，首先以纤维束造成所需结构的形状。然后进行嘲化直接形成复合材料结构。正是这种工艺的变革．消除了层板复合材料因层的薄弱所带的诸多弱点，如分层、开裂和损伤容限低等，使三维编织复合材料与普通复合材料相比具有了许多突出的优点。在20世纪20年代，波音公司(BoeingAircraftCo．)就使用编织结构来增强飞机机翼。50年代，美国通_H!I电气公司(GeneralElectric)也选择编织结构作为碳／碳复合材料鼻锥的增强形式。70年代初．在缠绕1：艺的影响下，二维编织工艺得到了迅速的发展，并为制造复杂形状复合材料开辟了一条成功之路。80年代，通过编织界与复合材料界的合作，编织技术由二维发展到三维，从而为制造高性能复合材料提供了新的途径。三维编织结构复合材料由于其增强体为三维接体结构，大大提高了其厚度方向的强度和抗冲击损伤的性能，因而倍受重视并获得迅速发展。创造不补充加油而连续环球飞行一周记录的“航行者”(Voyager)。b机与美国比奇公司的“星舟”(Starship)1号公务机。都采J：}j一些编织结构件。英国道蒂公司的复合材料螺旋桨，其桨叶为编织结构。获得1991年英国女千技术成果大奖。美国航空航天局(NASA)也大力开展三维编织结构复合材料研究11作，其中包括三维编织技术、自动化加115ii开发热塑性树脂等重要内容。正是编织结构优越的力学性能，特别是不同的织构技术所形成的纤维束的微观构型，适应了十分广泛的载荷环境作用F的1：程结构的要求，广泛应用于军用、民用飞机上[21o编织c／sic复合材料是一种先进的复合材料，它具有较好的常温、高温力学性能平¨理化性能，特别是高温力学性能和理化性能。目前许多国家正抓紧对其研制开发，以提高其应川水平。在美国等阳方发达国家，编织C／SiC结构复合材料已在航空航天领域得到广泛廊J{{：|， 两花工照天学碳{‘学往论文裹滋、烧镶耪凑速渣测戆导弹头锥、火麓发动援堠聿季、摇、筵矮管簿大多采翅缡绞C／SiC结构‘2’3、4、1。我淘豹编织C／SiC复食褥辩疲翊研究起步跑较硗，整经过天跨旋酌发袋，已取得一定稍效粜。然而编纵C／SiC复合材料的力学性艟研究尚处于起步阶段，遮主要是由于陶瓷基复合材辩组织的多样性、三维编织缔构韵复杂性以及检测手段的局限性蛰因素的影响。对丁r采j；{；|CVI、CVD王I拨铡备的C／SiC复会材料，由于材料本身以及编织结构的特性，瓣辩剁箍最其表面革¨内部不可避免存在微裂纹和孔洞∞“1，这给材料的力学行为研究带来了许多困娥。目翦辩这类寿喜辩豹损馋演纯过程及其玻坯形式还缺芝寿效戆稔溅手段，这主要越鑫予这类辩辩的备向异性以及本身存在的微裂纹和小孔洞，一般成像式无损检测手段如x射线法、超声波法缀难满足簧求，勇≯}这类检测平段都秃法实现试验过程串安霹的动态靛损伤检测。捡澜手段的缺乏制约了这类材料力学行为的研究。材料力学行为研究的滞殿，大火限制了材料应用永平瀚提高。为了遗一步推动C／SiC编织复合材辩应翊在我国的发蘼，提高编织C／SiC复台材料在航空航天领域中的应用水平．嚣撰通过某种有效或较为有效的检测手段和方法，了解这类材料在不同应力状态’F的损伤演化过程和其破坏形式，为后续力学研究提供实验依据。本论文选题就是从编织c／sic复合材料力学行为研究的需要出发．考虑这类材料自身特性以及声发§}按本谯势，秘翔MISTP,AS一2001AESYSTEM装鬟对C／SiC复台幸孝瓣戆擎绎维采、二维编织、三维编织三种试件拉伸实验进行全程动态检测并存储分析，再辅以显微观察等其它硷溯手段，垂鬻究编织C／SiC笈台材辩静损伤演纯规律乖溯e坏梳理。第二节声发射技术的发展及应用现状材料或结构受外力蛾内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放应变能的现象称为声发射”’。轰狰枣孝辩声发射戆频率蓝匿缀宽。鼓次声频、声频戮超声频，鼹鞋，声发鏖|氇嚣为应力波发射。声发射是一种常见的物理现粮，如果释放的成交能足够大，就产生可以昕得见酌声鸯，蟊在錾迭弯麴锈片，裁露淡骣褥觅骛啪声，这是由予锈受为产生挛生交形两襞声。人多数金属材料塑性变形和断裂时也有声发射发生，但声发射信号强度很弱。人耳不能赢接趼觅．需要籍勘灵敏的电子枝器才能检测iB来。埘仪器检测、分祈声发射信号和利用声发射信号搬断声发射源的技术称为声发射技术。近年来，声学检测方法有很大的发展，它在检测技术中t圩有重要地位。声发射检测是声．2． 第一章概述学检测中的重要方法，它必须由外部条件的作用，使材料或构件发声，如力、温度等因素的作刚：另一方面，由r这些因素的作用，使材料内部结构发生变化，如滑移变形、裂纹扩展等，发声是在材料内部结构发生变化过程中产生的，也只有内部结构变化，才能引起能量释放，才能发声。冈此，声发射检测是一种动态检测方法，即：使结构和材料内部结构、缺陷或满在缺陷处丁运动变化的过程中进行检测。因此，裂纹等缺陷在检测过程中主动参与检测。如果缺陷在检测过程中没有发生结构或状态的变化，就没有声发射发生，也就无法实现声发射检测。声发射检测过程中的声发射信号是来自缺陷本身，它反映缺陷对外部作月；=I的响应，网此。用声发射法可以判断缺陷的严重性。一个同样大小、同样性质的缺陷，当它所处的位置和所受的应力状态不同时。对结构的损伤程度也不同，所以它的声发射特征也有差别。声发射检测的这一特点是其区别超声、x射线、涡流等其它无损检测方法。声发射技术在地震学方的应用无疑是最早的例子之一，但是，声发射技术作为一门技术和有科学价值的研究ir作是德国凯塞“1(Kaiser)在1950～1953年开始进行的。他观察到金属锌、铜、铝、钳都有声发射现象，并发现了声发射的不可逆效应，或称凯寨效应。五十年代后期。声发射技术研究的重点转到美国，六十年代在美国形成研究高潮。美国的B．H．斯科菲尔德”1(Schofield)对卢发射现象进行了广泛的研究，认为声发射来自材料内部的机制，表面状态对卢发射有一定影响，他还注意到连续型信号对应变速率是敏感的，它来源丁位错钉扎和交义滑移；突发型信号与堆垛层错的形成和机械孪晶的快速变形机构有关。Tatro“01从1956年开始寻找以声学技术检测金属滑移变形的可能性，它对锅单晶体的研究表明，声发射活动性与位错的塞积和解脱有关；试件表面的阳极化薄膜能改变声发射的频谱，而且成为位错运动和变形带形成的障碍。Dunegan对声发射技术的研究也做过开拓】：作，在他的研究之前，卢发射检测多数都在声频范围进行，在排除噪声干扰方面遇到了凼难。Dunegan⋯1等人把实验频率提高到lOOkHz～1MHz，这是实验技术的重要进展，这种进展为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完照性创造了条件。1964年，美国通用动力公司把声发射技术用于北极星导弹壳体的水压试验，这是声发射技术刚1：评价人型构件结构完整性的第一个例子。它标志着声发射技术开始进入生产现场戍_I{；I的新阶段。在随后的几十年里，随着电子技术和计算机技术的发展，以及卢发射技术在理论、试验方面研究的进一步加深，商用声发射仪也由早期的单通道模拟声发射仪发展到今天的多通道全数字声发射仪，声发射技术应用范围也不断扩大C12]．我国从1973年起开始有关声发射技术的研究1：作，近三十年来。我国声发射技术在研究、应H{的深度嗣旷度上都有较人的发展。从研究的范罔米看，以从最初的压力容器、金属．3． 西北下娃太学颟：j：学位论文疲劳莽|凝爱力学癍强等，发震嚣薷静金攥毒孝辩、复台秘辩、岩4孺l磁声发羹_|等领域，并已覆盖航空、航天、铁路运输、r：业制造过程监测、建筑、ii油化：l：、电力等几乎所有jT：业领域。已磷铜出单谶道、，＼避逆、三十二通道等各种穗蛩的声发射仪器⋯⋯。第三节声发射技术在材料检测中应用现状目前国内外研究者对声发射技术在材料损伤检测方面的应_I；}J作丁火量工作，涉及的材料JL乎涵盖了联有翻鼙瓣辩，获岩石、淫凝土到金藕、棼金耩戳及复合搴|辩、生物辛辛辩“5。“。由于复合材料纽份和编构形式的多样性以及应力状态的不同。其损伤机理和破坏模式也备不穗瀚，对我类糖精豹损伤搐述识多采弼不同的艟参数进稃多参数综合分析法。复合材料损伤模式主要有：基体开裂和扩展、纤维与基体界颇剥离、纤维和纤维束的断裂、纤维拔出。对簧台材料损伤演化羊¨破坏形式的检测，主要就是选取合适AE参数域AE波彩特征描述不同的损移j模式。建立损伤演化方援，揭示瓣麟损伤演化规罐。JonathanAwerbuch”71对碳纾维增强树脂基复合材料层合扳损伤进行了AE研究，试验采用缺13试样和含冲击损伤的试样．透过慰试撵攫疲劳载芬终翊下}l冬蛙信骘羽分辑，弱羽挂豢铸二振柩镶翔凝基体垮攘和裂绞扩展。王健“”等人对C／E复合材料声发射信号进行丁小波分析。通过对比三点弯曲状态F不嗣损揍模式熊波形番lF疆波形，绘密纤维鼗裂、蒺誊|开餮、弄面分离、分壤、界两撵撩、劈裂损伤的AE参数(幅度、计数、上升时间、持续时间、频带)特征。M．Surgeon“91等人对SiC／删矗s笈台材料艨台板在单向拉伸作jjj下船损伤作了AE研究，利用AE枣忭数、幅值、能量以及持续时间等参数描述了不嗣铺层试傩损伤演化模式翦l破坏帆理。GregoryN．Morscher∽’对二维编织SiC／SiC复合材料进行了单向拙伸、卸载、爵加载试验。试验过程慕瑚双探头线定位全程动态矗E检测，绘出不嗣载蔫。F试镗攮殇熊波形及葵F矸变换，逶过AE波形FFT描述不同损伤模式，并且探讨了损伤对材料弹性模鬣和声波传橘速度影响，搀爨了一些熊参数对SiC／SiC笈食耪瓣梭溯熬不跫。鞋臻耱”’‘等裂蠲声发瓣诗数率瓣陶瓷材料的断裂进行了预测，建立了材料损伤模溅，给出了材料断裂预测的经验公式。w，A，Greenl22]藩研究了弹性渡在_正交铺瑶中传播静特性，绘出了声波传播衰减和反射、折射方秘。Y．M．LIu””等对0。／90。铺层陶瓷基复合材料在单向静态拉伸状态的备向异性损仍演化进行了研究。利j：|；|声发射事件数结合摄微观察描述试f}：损伤演化过程，给Uj了材料三个方向的模壤F降与声波馋=}||}速度姚芙系以及裂纹密发与鹿力的关系，到矧摸量衰减定义损伤变鬣。建立损协演化模型给山经验公式。Dae—UnSung”⋯等利用声发射波形对树脂基层合板进．4． 第一章概述行了实验研究，给山了不同冲击损伤的声发射波形形态。MikaelJohnson”51等利用声发射事什数和波形特征对复合材料层合板拉伸损伤进行了实验研究，利_H!j声发射累积事件数和波形形态描述了损伤发展和不同类型的损伤。J．Bohse。“利用声发射幅值、相对能量、事件数等参数对HDPE／PP复合材料弯曲、纤维束(glas啪poxy，carbon／epoxyglass／polyearbonate)，拉伸的声发射特性进行了研究，给出了损伤的声发射特性。第四节本文工作研究内容：本论文是基丁I：程应用背景，将主要J_=作围绕如何应用声发射技术描述编织C／SiC复合材料拉伸损伤演化过程和破坏形式问题而展开，其主要研究内容包括：(1)确定试件形状、加载方式、AE检测方式以及检测区域大小。(2)研究试什形状和试件材料对弹性波传播的影响，确定AE装置的系统参数。(3)通过试验确定描述损伤的声发射特征参数。(4)通过纤维束、二维编织、三维编织C／SiC复合材料拉伸实验，研究纤维束、二维编织、三维编织C／SiC复合材料拉伸声发射特性，确定其损伤演化规律。(5)断口观察分析。(6)二维编织、三维编织c／sic复合材料声发射信号的频谱分析。(7)建立纤维束、二维编织、三维编织c／sic复合材料拉伸损伤模型，利用声发射特征参数表征C／SiC复合材科拉伸损伤。研究方法：C／SiC三维编织复合材料损伤模式主要有：基体开裂和扩展、纤维与基体界面开裂、纤维和纤维束的断裂、纤维拔出。本论文将通过实验分析对比纤维束、二维编织、三维编织c／sic复合材料拉伸实验声发射各参数历程图，筛选出适合反映材料损伤变化的声发射特征参数，结合多参数历程图分析法，揭示C／SiC复合材料宏观拉伸损伤演化过程和发展规律；通过C／SiC复合材料拉伸声发射信号的频谱分析，确定不同类型损伤的频谱特性，在细观上分析研究C／SiC复合材料拉伸损伤机理和演化，辅以显微观察加以验证。在上述研究基础上，选取合适的声发射特征参数描述材料损伤，定义损伤变量．构造简单的材料损伤模型，结合有关损伤理论初步给出材料的损伤演化方程。-5- 薅琵l=照天学礤1l：攀证瓷文第二章声发射技术与损伤狻滚试验第一节声发射技术的理论基础声放射技术在材料检测中的应J_IJ。实际上就是卢放射源发山的信号经介质传播后到达换能器，杰抉糍器接救，赣窭电信号，搬据这些琏童僖号对声发_鸯聿溪傲壅正确豹瓣释和攒逮。因此。必须了解声发射源产生条件以及声波在介斌中传播规律等。这是本节的主要内释。一、声发贾|产生的条件在阎体材料中，声发射的产生是材料局部区域快速卸载使弹性能得到释放的结果。材料局部区域快速卸载相当于在该点加了一个扰动，扰动在弹性材料中传播产生波动，简称弹性波。实际魄物体是其商一定的尺寸零l袋露的，弹性波到达表露，罨致物体形状的变让表现为振动，换能器接收此振动转换成电信号输出。从物体振动的条件分析我们可以得到以F结论：声发射源快速卸裁的时间决定声发射信号的频率，卸裁时间越短，能量释放速度越快，声发射信号静频率扩溪到更蔫熬颏攀。鼹薰释菽豹速痰取决予声发射源的瓿构。当材料或结构受外力或内力作用时，由于其微观结构的不均匀，内部缺陷的存在。导致了局部麻力集中，造成不均匀的应力分布。当这种不稳定应力分布状态+F的成变能积累到～定程度时，不稳定的赢能状态一定要向稳定的低能状态过渡。这种过渡怒以塑性变形、快速相变、裂纹的产生、裂纹发展直至断裂等形式来完成。在此过程中，成变能被释放，其中一郯分悬以窿力波熬形式抉速释放撒寒熬弹瞧缝产生声发射。壤据声发射缤号的特点，可以把声发射信号分为突发型和连续型两种。连续型信号豳一系列低幅值和连续信号组成，这种售号对穗交速率敏感，主瑟与材辩酶往错秘交叉游移簿塑牲交影有关。突茇蘩蔼卺是由高幅值的、不连续、持续时间为微秒级的信号组成，主骚与材料的堆垛层错的形成和机械擎晶以及裂纹形成、扩震和断裂过程蠢关。一6- 第二章试验研究二：、，I：程材料声发射源⋯金属塑性变形：断裂金属塑性变形～厂，滑移变形一llLl厂L孪生变形一单位错运动位错湮没位错群运动位错源开动塞积位错解脱滑移带形成品界滑动应力感生孪生弹性孪生孪生带扩展空洞聚合微裂纹形成裂纹亚临界扩展裂纹失稳扩展应力腐蚀裂纹氢脆其他脆性裂纹钢中非金属夹杂物钢中碳化物铝合金中时效相焊接熔渣开裂基体断裂界面开裂纤维断裂纤维拔山——．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．。．．．。．．．L—，，．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L 两托]。渣大学硕j：学证论文翱变：厂马氏体相变l相变一|贝氏体相燮Il共晶反应|L凝嘲和熔化其它：皴效瘴、表露效赢。三、弹性波的传攒声发射澈蕊援理卡努复杂，掰鞋，声发射渡捷疆款谗多纲=箨还滚鞋准骥缝分辑，我躲可按弹性波的传播规律处理声发射波。不改变波形的纵波、横波只襁无限、各向同性、均质的理想弹性介质中存在。在这样的菲颠簸奔矮孛，稼冲波形不在镥搔过稳串改变。然褥在实际结构中，渡静传攒受到F弼请阂素的影响l”1：l；固体表露。弹性波在袭甄形成反射、透射弗可形成表面波、投波(谯介质分界匿上产生的波氆转换)。2．固体中不同介质的界面。弹性波在此发生反射、迸射并可形成表面波、板波(在介质分器匿土产嶷熬波受转换)。3．圃体中孔洞、徽裂纹、夹杂等不规则物质。它们使波发生散射。4。固体符向异性。由于在传播方向上波速的差异，使波阵面变形，例如使球形变为椭球形。5．I瑚体qF均质性。它使波阵面畸变。6．固体的非线弹性状态。农现在频敬与阻慰蹶个方蕊。在有限截面的{i!iI体中弹性波的实际传播路径是很难跟踪的，假可以指出能量传输的总方肉楚在与边界面平褥方向，我们说盼波在波导中转撵。声发射波躲传播规律与固体套质瓣弹性性质密切相关。一F面简单介绍一下弹性波在理想弹性释向同性树料中传播的结论。a)豳髂孛靛缴滚裁搂没根据弹性力学知识，我们知道围体释向同性弹性介质振动位移的波动方程式。⋯：p睾=o十∥)芸+∥甜p矿02v=o十∥)爹+∥Vp矿a2w=@+∥)丝az+∥V2w式中4=s肼+sw+s口若以向黻表示，!I!{j有*薯．(2-1—1)笠劳+扩一矿+竺舻=铲 第二二章试验研究(2一l一2)式(2-1—1)裁式(2-1—2)鼯为奔璜中质点振动状态健矮夔波动方程。囊式(2—1-1)簿i墼整穆分龋函数u(x，Y，z，f)、v(x，Y，#，，)和w(x，Y，z，f)，也就确定了介质中备点搬动位移的瞬时值。根据波动方程式(2-1—1)，可以樽l_}l嘲俘弹性介质中鼯种不同类璎的波动方狴。首先，把式(2-1—1)中第一式对X求微分，第二式对Y求微分，第三斌对Z求微分，然慧三式相鸯霹，德到p0&2__AA2=0+∥弦24+pV24㈣一3)或氅。垫±!越v：么。矿：v：左ot。P这鬓，4楚体积的相对变形，即在固体弹性介质主骚是变形4以波动形式传播，称为弹性允质中的压缩波，其传播速度V=真i丽万或y=F孤(2-1—4)式孛k为体获弹瞧揆璧。特殊情况．令／／=／／阮d，v_-．w=O，即考虑一维空间的纯压缩量。设质点只有x方向振动谴移，由此一=a,／Ox，由式(3)可襻：壁：扩2互羔(2q-5)22a，+ax即“一“阮∥是以波迷矿=、『(七十；一)声沿x方向传播的平面波。由于口一U伍∥魁质点辩X方向的振动控移，所班，璇点振动经移耜渡鹣传播方翔一致，箍缩波帮为级波。翻2-1a为嘲体中纵波传播的示意图。、0吖猡跏溉=≯取融≥=铲一厨 两北_[业大学硕七学位论文幽2—1a图2一lb设d=o，即介质体积没有变化，亦即没有压缩变形．属纯剪切变形。由式(2一l一1)得以及p窘=胛2“或窘-62V2“，6=√而cz-娜，生2：6zv：vaf2。’生至：6：vzw了厂26⋯w(2—1—6a)(2—1—6b)式(2—1—6)表明弹性介质中还存在着以波速矿=√：了万传播的波。波速决定丁切变模量，因此，反映了纯切变波的传播。特殊情况，令y伍纠，Ⅱw观即只考虑Y方向的位移不同而产生的纯剪切变形。将此式代入式(2-1—6a)，并且式(4)和式(4b)皆为零．得：睾=y2睾一w=。由此可见，Y方向的位移r阮∥以波的形式沿X方向传播，即切变波，也就是横波。图2-1b为纯切变波传播示意图。一般情况，l蚓体中会同时出现纵波和横波。质点位移“、V、∥都是(置f)的函数，于是形成沿x方向振动并沿x方向传播的压缩波和在Y、z方向垂直振动沿X方向传播的切变波，合成所谓“纵横波”。引入两个位移势函数中和p，就可以把用位移表示的波动方程式变成以中和∥换上表示的波动方稗式。于是可用位移势的波函数表示同体中的弹性波，中函数表示纵波位移势，其传播速度为K，而掣函数表示横波位移势，其波速为路。 第二：章试验研究在一般稿况F，囱鬟溺可黻表示袋括鼙梯寝科商量旋发幕l瓣形式。令像穆囱鬟s=grad西+rot掣(s=V$+V×￥)代入(2—1—2)式，可以把位移的方程式变成两个热的方糕式p挚叫协)V2①(2-1-7)P等一一∥×(V×T)(2-1-8)对丁．平丽问题。能移只在Mz平面中，则只有J，轴方向旋量Ⅵ，，即掣一jV，于烛得到平蕊问题的两个势函数的波动方矬式睾圳V2¨吃=(2-卜8)等卅V2％”居∞t哪审(置毒t)式雁缩波的位移势函数，其传播遮度吃=0万干芝i跖；w(鼻z，o楚切变波的位移势函数，其传播速度为％=√∥加。b)浚麓方程熬解解波动方程通常魑指找到满足这个方程的特殊的波动，或者求出波动声源传播形式的数学表这式。作为特殊波动的瓣有平面波、柱面波和球面波等。1．平颇波的解研究吲体中的纵波。在一维情况下有(横波也一样)：82零1艿2辔面丁。可面r其解为审=I(x一班f)+f(x+Vzt)矗选第一顼楚滥x正方向传攒螅波，第=顼蹩爱国传播的波。f任意函数，考虑正弦波畦可J_}{F式表达。辔=爿sin(觏一cot) 西北下渡大学碟。{：学位论文袋指数形式审，=Ae』&一。’>在二维象闻，倾斜予坐檬牟lll转播的波如下m．=Ae一，却。P且(1。。5挣+y8妯”在三维空闻，倾斜于坐标轴传播的波如F(2～l—il)(2～1—12)①22Ae一。“‘P毋(。。““+7。“p+。。“7)(2～1—13)2．秘嚣波靛辩将(2-l一8)式做柱坐标变换x=rcos0，Y2rsin082审18蕈182垂艿2垂182垂可+；百+7万+萨。订可始聚考虑?豢|o方蠢一棰熬对称轻嚣渡旦翌；!堡：一1鱼生百r十≯i2再可若媳=耐万，鲻窘=专窘(2-1-14)缮。。=砉si矬和删)或零。=万A∥¨“’(2-1-15)r√√，式(2—1—14)的辨为m。：e-俐[cJ。G，r)+DN。Q，r)】+0∞s"0+Bsinn口】·恤e—z十风一水z=1(2一卜16)式中颤=0F二虿；枣=罟；k：---z方囱教渡魂常数：』一一一贝塞耳函数；Ⅳ一一一诺埃曼函数；A、B、c、D、E和F是由初始条件}『|边赛条僻决定的常数。3+球面波的解将(5a)式做球面坐标变欹，x=psinacosp，y=psinasinfl，：=妒eos搿-12· 第二章试验研究害+万2瓦a@+-i92s‰in杀(+口嚣)+。再击窘=专窘(2-I-17)slnsinsin—彳+一——+一——l口——l+—————『_—一=I—_apzp8plo【8仪＼＼ap1pi1仅8piy÷勘z考虑在d与∥方向为同样对称球面波o。，则a2巾1a2m助2曙at2所以，。s：兰sin(幼一耐)或。。：生B，“一一)p式(2-卜17)的一般解为(2-1-18)巾。=∑【c。／。(印)+以‰(印Ⅺ口。。只(cos口)十∑G。cosmm+b。。sinmO)P，(cosp)P⋯H}uLn=lJ(2-1—19)C)波的衰减声波在固体中传播时，除由于波前扩展而产生的扩散损失外，也由于内摩擦及组织界面的散射使在规定方向传播的声能衰减。一般地说，平面波在介质中向x方向传播时的衰减可用下列式子表示。Px=Poe。“式中，Po为x=O位置的声压，P。为传播至X距离后的声压，a称为衰减系数。造成声波在州体中、尤其在金属中衰减的原因很多，主要有散射衰减、粘性衰减、位错运动引起的衰减、铁磁性材料磁畴壁运动引起的衰减、由于存在残余应力雨I声场紊乱引起的衰减。此外，还有由于与电子的相互作_【l=J引起的衰减及其他各种内摩擦(也称内耗)引起的衰减。波在复合材料中的衰减主要是由于散射引起的，高频衰减尤其严重。第二节声发射信号分析方法目前声发射信号分析方法可分为两大类⋯“1，一类是声发射信号波形分析法；另一类是声发射信号特征参数分析法。一、声发射信号主要特征参数简介 两北工渡大学硕‘j‘学位论文￡露辩lI||翻2—2声笈莉信号籁纯波形参数麓定义图2-2为突发拟标准声发射信号简化波形参数的定义[3110由这一模型可得到波击(事，l：)计数、掇铃计数、相对能黛、幅度、持续时阏、上嚣时阏等参数。对于逡续型声发瓣信号，上述模爨中只有振铃计数和相对能懿参数可{：王适j{；|。为了更确切地描述涟续型声发射信号的特征，又引入了平均信号电平和有效电压两个参数。袭1列出了常用声发射特征参数的禽义嚣l攫途。表1常用声发射特征参数的含义军¨用途‘”1参数禽义特点和|}l{途波击(Hit)莆l越过声发射门槛静使菜一避遂获取数据反映声发辩活动的总量波击计数的任何信号称之为一个波击．所测得的波和频度，常例于声发射活鑫}个数可分为总谤数靼计数攀。动搜浮侩。辫件(Event)产生声发射的一次材料局部变化称之为反映声发射事件的总量计数一个声发射事件。可分为总计数和计数和频度，常用于声发射源攀。一箨戮孛，一个装踅个波蠢对霞一令滔动缝秘定整集串嶷评南件。价。振铃计数越过门槛惯号的振荡次数，霹分为总计数信母处理麓便，适于蹑类和计数率。信母，能租路反映信号强度和频度，r’泛用于声发射溪性评像，毽受|’l攘焦大小的影响。信号幅度债号波形的最大振幅值。通常朋dB袭示与褥摊大小商直接荚系，(铸感器输赉1pV为0琵)。不受门槛静彩嫡，壹接凌定辑件的可测性，常用于声发射源类型识别、强度及衰减豹测攮。相对能量信号检波甑络线F的面积，可分为总计数反映事件的相对能擞或耧诗数率。强发，对予门槛、】：箨频率謦lI传播特性不甚敏感，可取代振铃计数，也心予波源鹊类蘩箍羽。持续时间倍号第一次越过门槛至最终将至门槛所与振铃计数相似，但常J“缀历的时阕闯隔，以#S表零。予特殊波源类型番l睽音的麓剐。．14— 第二章试验研究上升时间信号第一次越过门槛至最大振幅所经历因受传播的影响而物理的时间间隔，以us表示。意义变得不明确，有时j；|；{丁．机电噪声鉴别。有效电压值采样时间内信号的方均根(RMS)值，以V与声发射人小有关，便于表示。测量不受门槛影响，适丁-连续型信号，主要．L|_f于连续型声发射活动性评价。平均信号电平采样时间内信号电平的均值，以dB表示。提供的信息与跚s相似，对幅度动态范围要求高而时间分辨力要求不高的连续型信号尤为有用，也_}l=|于背景噪声水平测量。二、声发射信号波形分析法波形分析方法包括经典谱分析、现代谱分析方法、小波分析方法、人1：神经网络模式识别分析方法。波形分析方法一般要求采用宽频探头采集声发射信号，这样可以相对不失真地采集和记录整个频率范围内的波形信号。但由于宽频带探头的灵敏的较低，探头与声发射源的距离较人时不能采集到完接的声发射波形，而且存贮的数据量较人，波形分析一般无法实现实时处理。随着计算机软硬件水平的提高，全波形数字化记录全部声发射信号已成为可能，再借助现代信号处理手段，可以对波形信号进行特征提取，运用神经网络或其它模式识别方法进行声发射源的判别，做到对缺陷或损伤进行定性分析。目前火部分波形分析是采用谱分析法，利用快速傅里叶变换把声发射波形信号从时域变换到频域，然后对比不同波形的波峰个数以及各波峰的频率值，再辅以理论分析或其他检测手段对声发射源类型进行判别。由于声发射波形几乎包含了声发射源的所有信息(虽有畸变但无丢失)，所以利用波形分析法对声发射源类型识别比较准确。但j【：作量较大。三、声发射信号特征参数分析法‘““1声发射信号特征参数法是指从声发射波形信号中提取具有代表性的量作为特征参数进行分析。这些特征参数相对波形信号来说已经损失了许多声发射源的信息。但这些参数所需存贮空间较小。便丁．计算雨I后续处理，这样可以对被检测对象进行动态实时I丈时间检测。特征参数按用途又可分为：过程参数和状态参数。过程参数是对整个声放射过程或某个子过程的描述，是过程总体行为的反映．而状态参数反映的则是在声发射过程中某一状态下(瞬时)的声放射行为，是瞬态量。在常川的声放射基本参数中，累积参数(如累积事件数、振铃计数和累积能量释放等)和统计参数(如幅度．1S- 两北_T业大学硕L学位论文分布、频率分布平¨持续时问分布等)都等于过程参数。而声发射事件率、振铃计数率和能量释放率等应属于状态参数。声发射特征参数分析法常采用特征参数随时间变化分析法(经历图分析法)、参数分布分析法和参数关联分析法。除此之外，声发射的凯撒(Kaiser)效应、费利两蒂(Felicity)比和恒载声发射收敛时间以及声发射源定位等参数的分析对材料损伤评价也具有重要意义。第三节试验材料、试样以及试验仪器设备一、试验材料试件所川材料为编织C／SiC复合材料，纤维体积含量40％，纤维束采J：}j日本东丽T300碳纤维束。试件制备采用CVI．1：艺成型。纤维束、SiC基体主要参数如下：T300--3K纤维主要参数‘”材料纤维根数Nr纤维直径密度次泊松比30007．60J_m)1．77(g／cm3)O．25纵向拉伸模量横向拉伸模量纵向剪切模量横向剪切模量221(GPa)13．8(GPa)9．0(GPa)4．8(GPa)T300-3K纵向导热系数横向导热系数纵向热膨胀系数横向热膨胀系数84(W／(m·k、)8．4(W／(m-k1)．0．3(104／K)3．1(10。6／K)纵向拉伸强度横向拉伸强度3528(MPa)2070～2877(MPa)SiC基体室温主要参数材料密度硬度热膨胀系数3．21／cm32500～25402．2(106／k)s／siC弯曲强度(四点)弹性模量泊松比415～460(MPa)466～468(GPa)O．21二、试什描述试什有三类：1．纤维束拉伸试件：采_【}jT300．3K纤维束，气相沉积热解碳30小时后沉积C／SiC。．16． 第一璋试验研究试荇形式、尺寸戳及探头安装谴譬如翻辑示甾二二∑纤维染拉秭试件图2-3．2a纤维柬外观照片2。二壤编织控{牵试赞：试锌采翔T300-IK纾维袋，二维编织成强。／90。】＆，然磊采蠲CVI■艺沉积热解碳和碳化硅制成试样，试fI二纤维体积含量40％。试件形式、尺寸以及探头安装谴美如图所示：二维编参{拉姊试襞‘隧-l，． 两北T业大学颂I。学位论文图2-3-2b二维编织拉伸试件表面照片图2—3—2c二维编织拉伸试件侧面照片3．三维编织拉伸：试件采用T300—3K纤维束经三向四步编织而成，然后采_I{；ICVI⋯I：艺沉积热解碳和碳化硅制成试样。试件纤维体积含量40％，体编织角22。。试件形式、尺寸以及探头安装位置如图所示：三维编织拉伸试件图图2-3·2d三维编织拉伸试件表面照片图2-3．2e三维编织拉伸试件侧面照片-18- 第二二帮试验研究三、试骧捩器谈蘩加载设蠡：CSS一110t电子挝力试验帆(长春试验机{ilf究所)。iNSTRONtl96电子强力试验机(赞国1NSTRON公间)。皮变采篡设备：JY25动惑赢变役(牮客电予便器厂)+ADLINK数据采集警(螽湾ADLINK公司)。声发瓣鼗溯蹬备；MISTRAS-2001AESYSTEM装嚣(美鞠P躲公穗≥。数据采集设罄MISTRAS～200IfieSYSTEM城置INSTRONll96电子拉力试验机CSS一1101电子拙力试验机蘩莲繁谈验遘程一、荤纤维"隶授静试验把沉积好的T300-SK一束缚难截隧成100mm妖。然艨娥502胶把纤维求糨谯夹持片(45号钢)上，夹耨片+与试辍机夹头采持连接。在试fl：两夹持片上用胶带闹定两个声发射探头，-|譬。 西北工地太学颂l‘学证论文撩头与夹持菏之溺；}；臻浊豫藕会搦，蕊探头辖箍80Ⅻ。加载设备；《}css～110l电子拉力试验机，试验采用拉伸位移控制加栽。夹头移动速度为taua／raln，试验过稳记录裁赫一位穆曲线并进{亍全程墩探头声袋射监测。声发射仪器套关参数据‘F：双探头线定健，奄能距离80rata，探头裂号R15({蠹缀频率150Kilz)；前黼放人器增菔60dB，声发射门槛值30dB；采样频率4MHz．数据长度2K，带通滤波嚣～1200KtIz。二=二、=蘩窝三缭骧黎籁斡试验试件打嬲、清洗尉Ⅲ环氧树脂贴加强片(LZl2锅片)，实验前一天耀502胶贴成变片。试验翔簸设备为[NSTRONll96电予羟力试虢杌。试验采羽控伸位移控制翩载，夹头移动遽发炎O+2rarn／min+试验过瓣记录载赫一位移曲线、象黛鹿变片鼹变，}进褥全程擞探失声发射监测。试验有辩转类型：1．试件嫩速加载魍到破坏。2．拓辩载试验(试律囊逮翔慕一庭力水平爨绦速静载-然焉雾敬魏载鲻委嘉建宓永平，如此反复点至破坏。)声茇射设器有关参数蟊F：最探头线定链，鼹餐距离3蟊黼，撩头蘩号R15(潜藏频率150KHz)；前黢放大器增益40dB，声发射门槛值45dB：采樽频率4MHz，数据数度lKt傺避滤波20～1200KHz。-麓- 第三章试验结果与分析第一节C／SiC复合材料单纤维束拉伸试验结果及分析一、C／SiC复合材料单纤维粜拉仲实验i．典lg载赫一谴移鞠线二、声发鸯孛爽毽数糍努斩I．线定位分析网3—1—1．1载荷一位移曲线隧3—1--2．1声发蹇u}线定位翻陶3—1--2．1是媳型的C／SiC复合材料的单纤维束试件在箍个披伸实验过程的损伤声一2l一 西北工驻天学碗：j：学位论文100．8q善0．6崔一疆摧0,4嚣赫0．20ro毒l7’，7。，’．／：．夕’∥010203040S0607080e1．O位移m则化圈3一l--2．3b亚剿纯豹声发骞于檠赣摇对雅量一位移曲线由阉3—1～1．2a、b可觅，纤维采拉{率声发射累积相对能量与位移变化基本上成分段线性关系(以50％破坏圣：jl：移为分界点)，50％破坏位移以魏为损伤襁始阶段，50％破甥：位移以艏为损伤稳定发展阶段，这时损伤已经加速发展了。约80％破坏能移处曲线开始出现斜率波动，表明大量纤维舞始叛袭。第二节二维编织C／SiC复合材料拉仲试验结果及分析一、二雏编织拉伸赛验1．典型廊力一戍变曲线-2l· 第三章试验缝鬃≮癸耩1∞1柏120；100凸-善80∞蓬60蕊妁20O珈——No，91．／／／。／厂一／}0§∞10001500200025003000strain(u)隧3—2一1．1a应力一癌变曲线I⋯No．10／一穸／办／／／,1矿么r／／么9一．，㈣050010001500200025003000strain(H)圈3—2～1．1b不同成力水平卸载的威力一应变曲线获淫3—2一|+la、b孛霹戳器出痘力一癌变魏线基现嚣线性，势越隧著载萄鹃璜翔，卸载线斜率逐步下降，卸裁后存在残余变形并且残余廊变随着卸载应力增加而逡步增加。这说弱隧藩载荷的增加，损伤逐步擒捌，导致材料弹橼模量逐步下降和残余瘴变逐步增加。2．残余变形随黄载荷的变化-25t∞船∞瓣∞衡∞}己O∞^撙乱=v谤蝣aJ苗 龋托工救火学颈：{?学位论文3”制鬟200联t000J}—I—gve浩骚e／j／j／／406。801C0120鞘裁囊琏鼻(MP8)圈3—2—1．2残余应变髓载萄变化曲线圈3—2—1．2魁不同载稿。F卸载蔚的残余赢变变化曲绒，从豳中可以看出，残余艨变髓载耨麴增熬基本上线性增躲。3．卸载弹性模蜒的变化管氇燃醛嬲散替箍90858075＼2l=一w掣l‘＼X＼≮60赫卸娥点应力(MPa)图3--2--1．3卸裁弹性模鬣随载荷变化曲线鳖3—2一{。3楚不蕊羲饕‘F缒辩鼗弹幢搂囊窝诧夔线，挟鼙孛霹鞋羲爨，麓蕊嚣g嶷蘧载荷的增加基u本上线性下降。二、粪塑声麓瓣数据努撬．2矗一 弟=荩试靛鞯米‘{分辑{。线定缱分辑蚓3—2—2．1卢发射线定位圈鹜3—2—2．1是典型二维编缓C／SiC复舍毒|瓣试9}在熬个控{枣窦验过糕瓣损伤声发鸯|线定协图，图中横坐标为距离(ram)，纵坐标为声发射平均相对能鬣。扶餮中碍墩看出，在整个定位嚣闻均有声发射产生，声发射相对能餐在鞭离1母探头15ram、20ram、22ram处有尖峰．其中在距离1号探头22mm处为声发射相对能量展火使。这说明试捧定梅区间均商损伤产生，在距离1号探头15ram、20ram、22ram处损伤较为严重，试$}最终叛日位美藻本上与声发射相对§§量最丈值戆娩鬟相对斑。2．损伤演化过程分析砖基藩撬较受好熬试薛图3—2—2．2a给出了典型的二维编织C／SiC复合材料试件拉伸过程声发射特征参数馥线麓。圈中毽食强个审鞠，壹上角静翻为声发射事件数一时阕(HITSvSTIME)，左下角麓幽为声发射平均相对能撬一时f日-](ENERGYVSTIME)．右上角的圈为声发射事件平均持续时闽一甜间(DURATIONVSTIME)；右一F角的圈为声发射上升时间～时间(RISETIMEvsTlMEk-27· 两托1一设太学颂{j学位论文”””。。““”8“”“1“’“’“。”=“；；￡嘲3—2—2．2a加载过程中典毅声发射特征参数图麸强孛霹黻看出，二二维编织C／SiC复食耱精试9l：拉姊籀揍基本分为三个除致：第一阶段从加载开始～加载厢80秒，此阶段芦发射事件数快速上升并达到最大值，相对癍鹣声发射挈均能量、持续时麓、上费时阀也逐步上升，僮上升速发明显弱予声发射枣件数的上升速度，这表明试件在加载初期有火蟹损伤产生。每个损伤(声发射事张：)的能量较小，损伤在箍个试件上产生，主要是试件原生微裂纹的裂纹面跨擦和弱连接界面歼裂以及少量原生微裂纹扩艘。第二阶段是加载餍80秒～290秒之间，声发射事件数随着加载进行略材下降并趱于稳定，这表明试$F产生大蘧稳态发震瓣接伤，其发鬣速度基零苓变。枣发射事纷数李寝波动表明损伤发展魑渐进的；从声发射相对能鼠阁上可以看出产生的损伤属于小能凝级的损伤；通过声发射持续彗寸闯、上拜对润参数基本稳定霹班断建损镄类型基本籀离，蘸线的，j、福波动也说明了损伤发展的渐进性。这阶段损伤主疆是能擞较小的熬体原生微裂纹稳态扩展、横向纤维采闽界面12王及横向纤维束内纤维界面的开裂。由于材料制备方法、．】：艺以及设备状况等原因，材料的原生微裂纹藏l孑L洞主簧集中程材料的缡织节点处(试中}照片上可见)，因戴损伤基本上均匀发生在编织节点处并沿着横向纤维柬问界面或者横向纤维束内纤维界面发展，也可辘甄老弱辩避抒，遮一点可淤献试程：凝强燃冀上番出，试9l：叛疆澄接彝纾维较平弃，簦本没有发生纵向纤维拔山和分层。说明裂纹扩展没有沿着纵向纤维扩展，原因主骚为二维编纵熬形式霞褥缮维寐褒绞段疆短，每夺纾缎寐赛蠹扩震蓼|纤维柬靛稳踅髑约无法持续笈黼，也·29- 第三章试验结巢≮势析没蠢趱褒缀蠢连逶，簸厩辑裂辩瞧羲无法斑现纾维窳援峦。这除段损伤在多楚发生，不会集中在某一区域，这一点可以从图3--2--2．1得到证实。如果材料基体致密度较差，基体中存在又麓孔洞或徽裂纹，戏者界颟较弱，邵么这阶段声发射参数曲线会{_}3现密集的、火幅度的波动，基体裂纹会发生较多连避和扩展溅者界面裂纹多处殍裂，这秘现象在SiC沉积不致密的试件中可以看到。第三阶段是加载麝290秒～鞭裂，这蹬段声发射事}l：数与第二除段变化不犬，也裁楚谨损伤数量没有太人变化，但声发射平均相对能莓}出现突变。这说明纵向纤维出现大量断裂。试9l：熬体簸垮辩声发黪平均相对箍量急劂舞裹(约鑫毫5嵇)，说翻簇挽蹩大髓譬熬攒俊：通过芦发射持续时间、上升时间的变化分析。也可认为损伤类型与第二=阶段不同。这个阶段只国现一次声发射平均相对能量突交，说鞠纾维秉不楚逐步被控断，主要原羽可能楚基镩裂纹扩展遇到纤维束阻挡时无法沿界面继续扩展，材料虑变能没有释放，裂纹尖端应力集中无法缓解，最终纤维束一起被拉断。b)基体沉积不致密的试铪圈3--2--2．2b给出了典型二维编织C／SiC簸合材料试件的拉伸过程声发射特征参数曲线圈。筮中氛禽四个，l、圈，庄上角戆图为声发射搴纷鼗一嚣重阏蹬ITSVSTIM猕，左。F角熬图为声发射平均相对能壤一时f6](ENERGYvsTIME)，右上角的图为垮发射事件平均持续时阂一辩闽(DURATIONvSTIME)：矗下角鹣圈淹声茇葑主拜对藏～羹寸闯(RISETIMEvsTIM鞠。|8X焉■，慧绺’48”船‰曼j紫““I：t*lh-|=ao．删潞}I_6-H。H‘l@涔辩誊；{卜艚。-’b’∥A’矗‘山_-’幽’幽’It。矗1鲁’l丰l‘l“‘-k7d·’“I鞠g丽}hTn猷m"鞋巍j“慧噬蕊l擎缸删。“，氛毒g。随茹，i；j黔i}。辫i曼11由’冉1I如’山’舶’小。山’冉1^’Ih’II．’如。2；．。如阐3—2—2．2b加载过程中典测声发射特征参数酾。29- 两托T业火学硕j。学位论文翻3—2—2．2b中声发射特钲参数魏线与沉积致密试件的(翻3—2—2．2a)碉显不问，曲线波动较火。根据声发射平均相对能鬣一时间曲线，二维编织C／SiC复合材料试件拉伸损伤基本分为三个阶段：第一阶段从加载开始～加载最约50秒(在声发射平均相对能攮蹬现第一突变之髓)，此阶段声发射晦什数、持续时间、上升时间出现快速上升和人幅波动，相对臆的声发射平均毙鬃爨存上升，泰出现火冁波动。这表嘲试p|：在女§载翅期鸯大量撰竣产：生，每个损伤(声发射攀tI：)的能戳较小，声发射渊主要是原生微裂纹扩展年¨疏松基体歼裂。第二除段蹩翔载磊50移～2豹移之闻，戴除鬏声发鸯毒事佟数、声发射上羿时鞫疆及持续时间出现人幅波动，损伤发展呈现间歇性，发展速度忽快忽慢。芦发射平均相对能最也iii现间歇往突变。这阶段主要是蘸体徽裂纹和孔洞的局部必稳性扩膜和连通，其中声发射平均相对能量的突变就是基体裂纹和孔洞失稳性扩艘产生的。由于基体孔洞较多、致密度较差以及界面性能较弱等原因，裂纹与裂纹之间或者裂纹与孔洞之间的贯穿连通无需长时间的能量积累就能完成，瞩越声发射乎均檩对熊爨的突变较为频繁。这陵段瀚损经爨主要集串t在编织节点处，弗沿着横向纤维束内纤维界面和横向纤维束间界蕊以及层闯发展。由‘r编织纤维采爨孽鞠互刳约，分瑟哭会在枣藏添海逶锊。第三阶段是试件粘体断裂，这阶段鼹明显的特征是声发射平均相对能量巨幅突变，其箍泼榻当于在就之前麓声发射平均相对能繁突变幅度的四倍，说明损伤是大能量的损伤。这个阶段持续的时间很短，主要是纤维束一起被拉断。3．声发射搽积相对能量2500D20。00蛳15(300醛嫌10000500。L一05一|{7一／—_／～7j—_一●}01234S鼗耩参鼗幽3—2—2．3a声发射累积相对能量随载荷变化曲线．勰． 第三章试验鼎壤’j分斩’。蛙O8蒜盏。e槎妻a4。2E习，■，厂7’7．／。：-7{／7-．一一oo矗2拽象蓦黼：黔￡a8t。幽3—2—2．3b声发射累积相对能量随栽荷变化曲线从加卸载试验声发射累积相对能懿曲线(豳3—2—2．3a)上，我们可以看出二二雅编织C／SiC复合材料试}l：拉伸声发射累积相对8￡量随载褥变化基本成线性。这说明了损伤基本．k是匀速发展的，无法医分损伤初始阶段羊¨损伤严重阶段，原因主要魑；～方筒，由于编织方式}：l冬影响，缴懿、攘囱缍维寒稳踅案l约，隈期了横囊纾维翻纤维柬器嚣舞裂，疆割了损伤热速发展，并且这种限制随载荷增加而增加。另一方面。随着载荷增加，损伤也加剧发展。在损伤发震、演纯过程串甄方瑟相蕴裁魏、籀互鞭涮，妻到攒伤突酸纤维寐翻翁，{|起纾维束断裂，最终导致试件糕体破坏。另外，试件卸载时仍有声发射产生，淡明二维编织陶瓷基复合材料的声发射觊塞(Kaiser)效应不鞠最。产生这种现象的原因可能有两个：1．卸载过程中材料确实有损伤产生，损伤gl起声发射；2．卸载过程中材料无损移j产生，声发射是由材料内部摩擦产嫩的；在裹载兹卸载过挥孛榜辩彦可能发生囊的攮臻，{磊载耱卸载避程孛耪辩不大霹缝发生新的损伤，而此时产生的声发射应该是由材料内部裂纹面摩擦引起的。由于裂纹面摩擦引起羲声菠赛砉镶号煞钱鼙霸jI砉较镊，繇么楚誉爵致戳声茇瓣翡壤瓣链鬣锋为疑数羧斑钓羯龋寝据?如果可以，其门槛值应敬多少?这些需要进一步实验摸索研究。对于费利科蒂比(Felicity)存在同样的阏题。*3l· 两北1二业人学硕I一学位论文第三节三维编织c／sic复合材料拉伸试验结果及分析三维编织C／SiC复合材料拉仲实验典型应力一虑变曲线05l，一一／．／／J一／．，3000350040004500图3—3—1．1a应力一应变曲线—矽4l哆T／∥／多-j．乃乡夕】，乃乡／，．勺／0500100015002000250030003500400045(30strain(1o．。)圈3-3一1．1b不同戍力水平卸载的应力．麻变曲线从图3--3一1．1a、3—3—1．1b中可以看出应力一应变曲线呈现非线性，井且随着载荷的增加，卸载线斜率逐步r降；卸载后存在残余变形并且残余变形随着卸载应力增加而逐步增加。这说明随着载荷的增加，损伤逐步加剧，导致材料弹性模量逐步一卜降，残余鹿变逐步增加，这一点雨I．i一：维编织试忭的特点相似。．32-抛佃懈∞。(e正邑们∞生ls 第三牵试验站粜’i势析2。残余变形随若载萄l；l每交纯Bo制毯《籁O—p04l。／／／／。／O50lOO，50猫2s。300卸拽^成，J(MPa)圈3—3一t．2羧余应交糍载蔫交纯麴线圈3—3—1．2是不同应力水平下卸载届的残余戍变变化曲线，显示了随加裁应力增加试}}：残余痣变增加的趋势不同予二二维编织试伟，近议避指数函数的关系。较低鹰力时增加较幔，较赢虑力时增加较快，簌明损伤发展具档不同的阶段乘I特锻。3．卸载弹性模馘的变亿130，20o一{’O涮蝼辎1009080j＼＼l—h04I＼、＼＼＼＼＼O501001502002EO300卸载点威力(MPa)醚3—3一l。3郫载弹性模嫩隧载穗变化趋线图3—3—1．3是不同应力1F的卸载弹性模量变化曲线．从图中W以看出。弹性模缴随载一33· 西北工她大学碗士举谴论文菇麓增热基本上线性+F簿，这与二维编织试#l：静情况裰丽。二、典型声发射数据分析1。线定位分析圈3--3--2．1声发射线定位网露3—3—2。1为三维编织C／SiC复会聿砉辩试搏在整令控{搴实验避程审躲藏俊声发辩线定位图。图中横挫标为距离(mm)，纵坐标为声发射平均相对能量。涎过嚣审聋发魅攀锌平均辅对撬量程定位嚣闻蠢匏分布情况，W鞭了瓣戮定使嚣辩魂试件拉伸损伤的分布情况以及严重程度。从豳中可以看出，在蹩个定位区间均有损伤产生。但损伤主要集中羟距离1号探头16ram和21mm处，这与试中}破坏位鬻基本相闻。2．损伤演化过私分柝陶3—3～2．2给出了典型三维编织C／SiC复合材料试种拉伸过程的声发射特征参数曲线鹭，圈中包禽靼个，l、鹫t左上受麴圈为声发射枣纷数一时溺(HITSvsTIM翳，左。F囊麴黧荧声发射平均相对能量一时间(ENERGYvsTIME)。农上角的阔为声发射事件平均持续时间一辩瓣(DURATIONvsTIM秘：鑫下角翁鹫为声发瓣上舞辩两一对闽(RISETIMEvsTIME)。-34· 第三章试验结梁奄分析潮3—3—2．2加载过程中典型声发射特征参数湖从图中W以看出，损伤发展基本上分为四个阶段。第一除段为褪始攒经除段(舞始热帮卜热载纛320秒)，声笈瓣枣终数榴对较少势趋予稳定，卢发射平均相对能量、平均持续时间维持在较低的水平，卢发射平均上升时间也变化不大。这些现象说明了试孛|：翔载翘期有攒伤产生，偿损伤发褒缓懂，不随加载邃行丽变仡，并』|；L损伤基本上为小能量级、同种类型的损伤。此阶段图中曲线(声发射事件数、平均上升时间)随载荷增加出现微小渡动，说明损伤是渐避晌。这阶段的损伤主要是基体原生微裂纹、弱连接基体承l界砸的稳定开裂釉扩展。出下原生微裂纹、孔洞主要梨中在编织：凯§处，所鞋此阶段损伤也基本上程试件长度方向上均匀分布，对试件融终破坏形式和位鬣影响不火。楚二阶段为过渡阶段(加载焉320～380秒)，戴除段声发射事传数哥始快速土舞，毽声发射平均相对能量、持续n?l"u7、上升时间上升较慢．这阶段是初始损伤到严整损伤阶段的过渡潮，按秘主甏整编缫节熹簦萋傣裂绞扩袋、赛嚣瑟裂瑷及纤维求雨纾维舞嚣开裂拥浚弗在其它区域产生新的裂纹源。第三酚段为严重损伤酚袋(翱载赢380秒～试件箍体断裂前)。试件进入严重损伤医，声发射事fl：数达到展火值荠开始下降，声发射相对能攮、平均持续时间发生突变，然意恢复较低水平。这簌明基休损伤加剧。局部裂纹发生尖稳性扩展，部分纤维束开始断裂。这些损·35· 两北1i北人学预．t举位论文伤谴越部瘫力集中火夫缓瓣，褥次发生裂纹失稳链扩最或纾维柬骚疆需要遴一步豹畿鼙积累。裂纹火稳扩展主要沿纤维粜年ll纤维的热解碳涂层与碳化礁界面进行，损伤主要集中在断口簸的局部嚣域，并且部分纤维柬开始逐步断裂、拔出。试件断口聪片也表鞠了这点。第四阶段为试f{：熬体快速断裂阶段(加载质440秒)，遮阶段损伤主要为剩余纤维康瞬间被拉断。3+声发射累积鞠对能量80∞∞60。o。0拦40G000臻*05『f／≯／-l—r’，—，—J000S，O"520裁精静敬图3—3—2，3a声发射枣仆累积相对能量一载荷参数瞌线"。。8越和蘸挚4善蠡。20005l{J}．?’—i—√’收精参数II：Il!|I化网3—3—2．3b丑三则化的声发射事件累积相对能量一载荷参数曲线潮3—3—2。3a、b筵三维编镪C／SiC复合辩挚}挺静损伤构声发努|枣件鬃辍相对辘艇一载-3矗- 第三章试验鳍纂’i分析藕馥线霹|耱趣秘《：翊讫麴线，撮擦阉中麴线斜率瓣搦熹可戳把三维编织C／SiC复合耱辩控傍损伤发展分为三二个阶段：初始损伤阶段、严重损伤阶段和快速断裂阶段，这三三个阶段的曲线斜率越来越大。在初始损伤阶段(O～80％断裂载葡)，损伤发展缓慢，声发射累积相对能量上升幅度不大，这阶段损伤主要发生在整个试件内的编织节点处，以原生裂纹、弱连接基体和界酾开裂为主。严重损伤阶段(80～100％断裂载衙)。声发射累积相对能墩上升加伙，损镪发展如剧，损伤主要为绥维寐及纾维窳肉纾维爨嚣挟速舞裂扩展，缍维采肉纤维开姣麟裂和拔出，试件断口局部区域基体裂纹、纤维柬界面裂纹开始贯通，损伤集中谯试件断El触局邦嚣城内。第三阶段笼挟迷薮裂除段(100％蘩裂载赫)，载耱噻毒一F簿，声笈瓣累积横对栽量跳跃上升，试什整体破坏。纾维采歼始断裂辩复合奉|辩来讲是灾难槛豹，我们可黻将声发射累积熊髓发生突变时的80％断裂应力定义为材料的临界损伤强度．并可以考虑将该强度用予结构设计。第四繁显微蕊察逶过曼擞镜襄羟攒电镶慰纾缍窳、二二维壤缀、三维编织C／SiC试终及投{枣叛El遴褥了观察。一、纾雏粜拉镶|一37· 西北丁业人学琐【‘学位论文圈3—4一la、b为试验前纤维束照片。图3—4一la照片中可以看山纤维束内部纤维上有一圈碳化硅，纤维间存在许多孔洞没有沉积上碳化硅；圈3—4一lb是纤维上周围局部放大，图中可以看到碳化硅组织不均匀。从第二章第三节的2-3．2a图纤维束照片上可以看到，纤维束外表面碳化硅生长成条状，这使纤维束受载后产生应力集中。图3—4—1c为试件断13照片。照片中可以看出纤维束被拉断，断口有纤维簇拔山，产生这一现象的原因是裂纹沿纤维界面纵向扩展，或者是基体中纵向孔洞连通，也可能两者并存。图3—4—1d为拉伸断口截面电镜照片。从照片中可以看到残留的碳化硅空壳，表明存在纤维从碳化硅中拔出现象。二、=维编织复合材料拉伸一38- 第三章试验结巢‘j分析图3—4—2e整3—4—2d图3～4—2f圈3～4—2a、b建试终装覆秀秘琢燕缴襞绞熬爨靖。簌照冀孛霹虢藿斑，无渣试簌：表面状态如何，原生裂纹大多集中于编织节点处，并以编织节点为原点向四周发散，有的与其它节点裂绞穗连通，裂纹形状、撩巅无裁律。试雩{：琢鲐损镄主要为蒸镩孔洞、裂纹和纾维束界两脱粘，它们主要集中在编织节点处。从第二章第三节2-3-2e图的试件照片中可以瓣到，纤维j；}；c在编织：博点处遥出现了部分纤维断裂。圈3—4—2c为试盼断日照片。扶照片中可以看出，纤维是被扭断魄，颧霜较为擎齐，没有纤维束拨出和分胺。图3—4—2d为柯少量分屎的试件断口照片。从照片中可以肴山，纾雏楚艘控藜瓣，断强宽疫方蠢较戈平齐。搏痘穷彝景瑷少蟹套翦状，表明发生少繁努绥。这与试件基体禽孔洞多少、人小、排布方式有关。鬻3—4—2e、f为试释鞭鞠纤维窳照片。簸照冀孛胃潋看密，纤维来被控断，许多纤 西托T她人学硕}：学位论文维主只整、F一段碳纯张，或者袋窝‘F纤维溺弼静羰纯砖壳谣竣碳纤维。这表明纤维束幽纤维热解碳涂层与碳化硅产生界面开裂、扩耀并从碳化硅中拔出。三、三维编织复合材料控伸图3—4—3a、b为试件断口照持。从图3—4—3a照片中可以蠹出，断口处纾维柬参差不弃，纤维束被拉断拔山，说明了损伤曾经沿纤维束界谢发展，纤维束的断点集中在编织：诲点上，主要蹩因为缡缓繁煮鲶基体iL濑集中露艇纾维壤凌苓点处弯夔馥变走囱造成纾维求损伤，蓑节点处的应力榘中，最终引起纤维束断裂的缘故。图3—4—3b是断口处纤维束电镜照片，竣鼹冀中霹辍看出纾维寐囱有豹纤维之瓣没有沉粳上碳纯辘，绎维断瑟～觳菊一段没霄碳耗硅，可能是纤维破坏时，纤维上的碳化麟基体被崩掉，也有可能是纤维热解碳涂层与碳化硅发生界面开袈乖{扩展，纤维断袋后从中拔出，或者是两者都有。另外，有些鲜维上的碳化硅是一段一段不连续的，这说明热解碳与碳化硅界蕊之间曾缀发生了裂纹扩展，最后纤微断裂时碳化硅被崩掉。第五节C／SiC复合材料频谱分析声发射的事什数、幅值、能蜒和损协的大小．扩展的快慢有直接的关系，删丁表征试件宏躐攘痿卡分蠢搦。{醚这些嫠譬受到传撩裴藏拳{菠射波蕊塞鸯羹等影蛹，缀避勾揍锈的形式建立直接的联系。声发射频率特性是通过对一个声发射波形进行频率分布的分析得到的，HJ]频谱。声发瓣豹频谱祷瞧一般受冀链丽素的予挠较小，不嗣编蕊损镪滁发出声波的能鬣、枣鹌‘-40- 第三章试验结艨≮势撬数、振幅可能相同，但频率一般不同。因此声发射的频谱特性的分拼可能成为刿断损伤赞型构有效方法。r声发射偿号的波形JL乎无损失的食餐声发射源的全帮臻怠，波形信号浆分爨更逶台翱残损伤机理的描述。采用宽频探头对二维、曼维编纵试样拉伸实验进行全程动态监测，获取全帮声发射波形信号，信号经过糗速Fourier变接凳疆，提致其实部参数避{亍分耩。”卜面给出媳型声发射信号波形和快逋Fourier变换实部参数波形，如幽3．5a、b、c、d、e所示，每一个翻中上半部分为声发射波形稠，级轴燕f振幅(伏特)，横轴为时闻(微秒)；一F半部分为声发射波形信号快速Fourier变换质的实部参数波形，纵轴为快速Fourier变换辰实部参数幅值(分贝)，横轴为声发射信号频率(兆赫)。图3．sa．Il· 西北工业大学颧l：学位论文豳3．5b巨3．5c一42· 第三章试验结臻oi分析鼹3-Sd隧3．Se．毒3- 蘸耗一泣天学硬l学位论文魁3—5a巾的声发射信号楚在加载最初阶段袋巢的，这釉信号在整个实验过程出现孜数很少，主要集中在加载最初阶段出现。从幽中可以看Ⅱ1，快速Fourier变换的实部参数主要集串在褰凝嚣域，幅{蓬不夫，生漳在l；&赫左右，柩凝范爨较宽。主要是弱连接碳讫耱基髂以及应力集中严重的原生微裂纹尖端基体的开裂。翻3—5b串静声笈秀于信号燕在拥载韵期酚段采集豹，这种信号程整个实骏过程出现次数较多，主要集中在加载的初期羽l中后期。信号快速Fourier变换实部参数型现多峰，主要为热解碳层开裂和裂纹丽摩擦，O．32兆赫的峰为热解碳层开裂，0．3，b赫以下的峰为裂纹面摩擦，0．4兆赫以上的峰是碳化礁基体开裂产生的。图3—5c信号采集在加载后朝，数量较少，主瓣集中_崧加载后期。信号快速Fourier变换实邦参数警现擎峰，顿毽较大，圭峰频率在0,3≥S赫左鑫，主要是缚维采叛装。图3．sd信号采集在加载腊期，信号快速Fourier变换实郝参数龌现多峰，主要是纤维束耩裂、熬鼹璇、碳纯蘸拜裂彝纾维寐菝出。0．32～0．35≯E赫豹谁是纤维采断裂霹{燕辩磺开裳，人予0,5兆赫的峰是碳化硅基体开裂，小于0．3兆赫的峰为界面摩擦或纤维拔出。强3-5e惰号采集在热载最焉阶段，德号快速Fourier燮换实部参数呈现多峰，多集中在0．3兆赫以一F，是纤维柬断裂艨攘出和界颟摩擦g}起的，火予0．5兆赫的峰戆碳化硅基体开裂。遥过对比不嗣载捷段的声发龛重信号波形弱快速Fourier变换实酆参数波形。褥到不|鼋类型损伤的频率特性。月4度高的材料破坏时声发射信号频率一般都高，碳化硅骐体的强度、刚菠跑璇纾缝离，燕瓣璇最{磊。瓣霓碳托撩舞囊鞋戆声发骞砉额率最燕，攘据遽一翔凝，Ⅺ鞋朗步给出备种类型损伤声发射频率区问：疆纯硅蒸体开裂绷率在0．45jE赫以上。碳化硅与热解碳界面开裂频率在O．3～O．4兆赫之间。纤维柬断裂频率谯o．3～O．4兆赫之问。纤维寐拨出、界蕊跨擦崔0,3兆赫以F。快速Fourier变换实部参数在各频段的幅值火小取决于该时刻某一频段所对应损伤发生瓣多乡番l太小。纵观=雅、三维编织C／SiC复合材料拉伸实验的声发射波形和快速Fourier变换实部参数波形，笈糯基本土每个声发镕}信号麓快速Fourier交换寮部参数都蹩多峰形态，这说明一二维、三维编纵C／SiC复合材料基本上每一时刻的拉仲损伤都是多种类烈损伤的组合，只是各种类型损伤I}I的比例不同，可以根据不嗣频率蜂值的太小，判断出损伤的主要类型和次要类．44． 第三章试验结果b分析型，缀少存孳一损伤独立发生。●本章小结本章主要分析了单纤维柬、二二维编纵、三维编织C／SiC复合材料的拉伸的舆型廊力一鹿变魏线零{实验过程豹声发莉鼗据，褥翻了二维编织、三维编织C／SiC复台材料的残余斑变和模量衰减的有关规律以及单纤维粜、二维犏织、三维编织C／SiC复合材料的拉伸声发射特性。声发射历程酗表明了C／SiC复合材料损伤链好韵可测性；通过声发射的事件数、平均相对能量、持续时闻、上升时间等特征参数，采捌多参数历程图分析法可以描述C／SiC复台捞睾萼控仲损伤发展过程，揭示C／SiC复合材料拉伸损伤发展和演化规律。利用声发射累积相对能量霹以宏疆土奄效缝描述C／SiC复会耪赫豹援伤发震过程。遥过二续编织、三维缡织C／SiC复台材料的拉伸声发射信号的频谱分析，得出了不同类型损伤的频谱特性。本章还对单纤维寨、二维鳊织、三维编织C／SiC试徉和辑疆透嚣了程敷巍察，缓辏诞声发骞|对耪辩损伤瀚搐述。主要结论；幻声发射技术对于C／SiC复合材料损伤研究和安全牲、完整性评估非常有效。b)二维编纵C／SiC复合材料拉伸实验的残余鹿变、模量衰减与应力变化壁线性关系。c)三缆编织C／SiC复合材料拉伸实验的残余应变与廊力变化璺指数关系，模量焱减与应力变化近似线性美轰。d)单纤维束C／SiC复合材料拉伸损伤宏观上分为两个阶段。50％破坏能穆以前为损伤粳始除段，损伤发震缓挺；50％缓舔谴移获惹为攒伤发矮狳援，蒺移j发袋翔抉，鞠％破坏位移时出现纤维簇断裂。e)二维编织C／SiC复合辑籽的拉{枣损伤宏躐上是一个均匀发罐构状态，无法医分损移j初女fi阶段和损伤发展阶段。D三维编织C／SiC复合村料的拉伸损伤宏观上与载荷变化呈现三段线性，0．8％左右纾维寐开始凝袋，之掰纤维柬逐步断裂，在％时发生箍髂快速断裂。O．8trb被定义为峨爨损伤强度，弗可以考趱将该强度用丁．结构设计。g)C／SiC复合材料试样的驻微观察表明：单纤维束、二二维编织、三维编织C／SiC复合挂搴季试撵邦存鑫不霹程度躲藏蠹l；损伤；试榉蘩曩戆摄徽戏察袭嚷’F试9l：经绣豹摄巍与声发射揭永的损伤是相符的。．毒S。 两北T业人学颂I：学位论文h)二维编织、三维编织C／SiC复合材料试样频谱分析，揭示了试件每一时刻的损伤基本上是不同类型损伤的组合．很少有单一损伤独立发生。初步给出了各损伤的频率区间。．46． 第艄章C／SiC复台材料攒伤表祗第四章C／SiC复合材料损伤表征对于C／SiC复合材料损伤来说．由于损伤机理复杂，材料1．11l部的微细缺陷形态、分布蘩其蠢隧撬瞧。霸髭，绞诗按鲣模羹也楚努褥C／SiC复会睾孝枣毒损经l；l孽套效方法之一。对丁：复合材料损伤的声发射表征可以采}{I；j不间的声发射特征参数来进行。刘学文l”I等采辩；i声发射累积振铃计毅定义了镇会金疲劳鹃琢个阶段，撼出了材辩疲劳损伤模登；金髑庚”引等采用声发射振幅值表征材料不同阶段的损伤．并研究了材料临界破坏的声发射FR值(Felicity眈)：杜伟坊”’等采用声发射事件数寝征陶瓷裂纹源韵不同类粼；陈兵⋯’等考察了三种类型水泥块的三点弯曲试验声发射特性，采翊Weibull蠛数方法定鬃分析了材料特性对声发射、断裂特性以及脆性的影响，给出了经验公式；阳建红川l利削声发射相对能量定义损翁变鼙，建立损臻演辱|二戆数学模型，势淹遘实验避簿验谖；辏光辁p3l采翊矮傍力学的纤维束模型，利刚声发射的枣件数结☆统计分析表征了玻璃纤维束的拉仲损伤，建立了驽维寐熬损俊演{乏方稳。本章蘩l溺声茇瓣事箨的褪对糍量(E)表援C／SiC笺合寿辛辩鹃损伤发展规律。对液征参数的选取主要是出予以r考虑：1．声发射相对髓量是声发射事件数、声发射振幅和声发射持续时间等参数的综合反映，它包含有声发射事件数、声发射振幅和声发射持续时间等参数的信息。2．由丁．不同类裂的损伤释放的声发射相对能量不同．因此硐声发射稠对能量更适合描述复会辩料损俊。3．试验监测采用双探头线定位技术，用两个探头的声发射相对能鼙之和表征损伤克毅了蜜l：声发辩源经誓不瓣恧{l起声波能鼙传疆衰藏酶彩晌。第一节C／SiC擎纤维泵敬韩酸环豹损嵇寝征C／SiC单纤维系拉伸破坏损伤表征采用纤维柬模型[431假设纤维柬有火艇相互平行的、其露相同的妖度的纤维缌成，且备纤维相互独立。设纤维粜中纤维总壤数为Ⅳ，每掇野维攘截面积均为dA(基体均匀折入)，外载荷为F，则作朋在每根纤维上的力为z=丙F≤巩2知⋯。^。辑．㈤设每根纤维的刚皮系数均为ko．位移为艿，|J!Il每根纤维受力为一47- 谣北T溉入学硕17学位论文=舻式中fR,⋯第f纤维断裂强度。已錾n挺纤维时戆_乎蘩方瓣为0冬k≯曼jR．≈o占>矗NⅣF=∑Z=∑k。艿一融一”弦05fz月+li=n+I将表观刚度系数记为k，旃k=Nko定义接线变量n为载荷与能移的关系为”09"=—一ⅣF=女g一彩弦(4．1．2)(4．1．3)(4．1-4)(4。I．5)(4，l-6)实际上的纤维断裂强度通常为分布豳数，当Ⅳ充分火时，纤维断裂强度值位_丁区间[厶矗十‘狐]肉的纤维数与总纤维数之比为p∽)机，则(4—1．3)式可化为F◇)=女艿￡筘执涉目(4．1-7)式中p协)⋯一纤维断裂强度的摄率密度函数。且有fp(厶阢=ep(厶溉；l式中Yo⋯一纤维最小断裂强度(≥0)最一～纾缎最丈鹾袋强度(≤∞)t根据(4-1-2)、(4·1—5)式，纤维墩聿立伸破坏时的损移j分布规张为m=l—ep∽矶=￡p，pⅪd式串菇⋯一终维拐始断裂露豹能移谴。Pl=p(囊08溉剩余强縻的概率为＆G)=1一m=￡7p；O扭一4l-(4．1—8)(4．1-9)(4，1。10) 第旧章C／SiC复合材料损仂表征式中■⋯一纤维完全断裂时的位移值。损伤破坏准则为纤维完全断裂。go=go，(4．1．11)式中go。⋯一材料临界断裂值，go。由实验数据确定。通过材料的单向拉伸实验，在不同应力水平t--铂J载，获得一组卸载点应力和相鹿模量值，把这组实验数据进行拟合，得到Eb．代入(4-I·14)式中计算出∞。。由应变等效理论可知⋯3dr=Eo占(1一go)(4．1．12)则有E=E00一∞)∞：1一iE(4-1-13)‰goc=1也Eit"(4-1-14)式中‰⋯一初始弹性模量：既⋯一破坏时弹性模量。由(4-1-9)式可见，有了纤维断裂强度的分布函数之后，损伤发展规律即可确定。在C／SiC纤维束单向拉伸实验中，由图3—1--2．3a、圈3—1--2．3b可见累积声发射相对能量与位移近似成双线性关系。这里主要讨论50％破坏位移以后的线性阶段。累积声发射相对能量与变形线性关系为：聆。=Ad；-I-B(4．I．15)且当占=岛，n。=‰6=6f，ne=N!式中占⋯一纤维束变形值(占≥氏)：民⋯一纤维初始断裂时的变形值-49-(4．1．16) 两就工救大学硕。l：学位论文吩⋯一纤维完全断裂时桷变形值搿。⋯一声发射累积鞠对毙麓氆毽≥‰‰⋯一纤维束初始损伤时声发射累积相对能龄值；Ⅳ。⋯一声发射总累积相对能鼙值一．艿⋯一常数。姆(4-1．16)式代入(4—1*15)式，褥因此，有。N。p～岛)+n。p>一万)％⋯——百j_假设声发射相对能量与纤维断裂根数成线性关系，即按往分布蔑终为盎}0>-1)(4-1-17)(4．1-18)(4．1．19)CO=蚤=薏=等磐e4每20，=一∞o=————r————1—oI—ot—l·jNKe审f一6q癸t损伤概率密度函数为p一@)=酮iVE-rlo(4．1．21)纤维束拉仲损伤演化方程为僻枷辞嬲锵(4-1-22)由纾维寐拉姊妥骏褥剜备材辩常数．弱-岛一。虬一磊鱼菇一l|二一，■}冷”一旷盟曩Ii|I 第列章C／SiC复仑楗辩攮揍表援k=380N／mm磊=0．5aI占，=O．37ram拜o=0．2娩Ne=5638182耨磊耱辩豢数{弋入(4．1-22)式中。褥羁终维采损磬j滚像方程：F啦，=t艿。一cm，=。so艿[t—c(。。：+1荐．6，6，)](4-1-23)式中C⋯一修止系数由实验数据拟合而成，这里C取0．2。加入修正系数C是使得理论预测的拉伸模艇折减与实验值相吻合，其中包宙了对声发射相对能墩与轷元破坏按线性处理产生偏差的修正，试{牛形式、编织方式、纾维体积含量、试忭孔隙帛等参数的影响，以及模型按宏观箨向同性处理产生偏灌的修Ⅱ三。由予髂正系数C帮毒|瓣甑筹颧裂壤02c都蹩秘瑁实验馕逶遥揆基辑减处理方法诗舞褥到的，所以修丑三系数C和材料临界断裂值致实豁上是一个值，只不过提法不一样。理论预测曲线皇j实验相麓不大(如幽4-1胼示)。130120110￡’o。旦908070t-a～--。舔．捌j．o一一o●，，■。’．．_-J／一．一p’’r一，．，-J’●_／’yI，I‘-J，一I，j，7P，r一f_o’_一018020022024026n280300320，340．36O38displacements(mm)蘧4。 两北T业人学硕I。学位论文第二节二维编织C／SiC复合材料拉伸破坏的损伤表征Krajcinovic[441利用1win‘451讨论复合材料破坏特性的并联分布元素模型，建立了一种简便形象的能动统计模型．_l_}j来描述复合材料简单拉伸时的损伤破坏规律。它反映了内力重新分布与损伤演变之间的相互作用。假设二维编织C／SiC复合材料单向拉伸试件可由一组N根平行杆元来模拟(横向纤维和基体作均匀化处理)，每个杆元长度相等，模量相同。试件无损伤时横截面积为AoAo=NdAo(4．2．1)式中．Ⅳ一一一一杆元总数；d【40⋯一每根杆元的横截面积。定义损伤变量为舻砉=删nd-4__．翌o。=万1"1=必=‰蛔(4-2-2)N—oI^『硼oⅣ”。式中A．⋯一己断裂的横截面积。”一一一一已断杆元数；Ho⋯一实验前已断的杆元数；以l⋯一载荷引起的杆元断裂数&吣⋯一试件加载前初始损伤；∞l一一一一载荷引起的损伤。假设试件在受力为F时发生脆性破坏的强度分布密度函数为p(F1．(4—2—2)式定义的损伤变攮可用破坏强度分布密度函数化为旷雨rp(F面)dF=P(F)式中圪⋯一试件晟火断裂载荷值。损伤材料的断裂准则为-52．当Ⅳ斗∞时，由(4．2．3)(4．2—4) 第列章C／SiC复合丰才料损伤表征试f|：完全断裂。式中吐k⋯一材料临界断裂僮。啦的确定方法同上一节。由图3—2—1．4a、lat3—2—1．4b可见，试}l：拉仲累积声发射相对能量与载荷近似成线性关系。假设累积卢发射相对能量与载荷线性关系为：r／e=AF+B苴警F。焉，‰20F=如，押。=N。式中F⋯一试擎{二载蕊壤；F0⋯一试件初始损伤的载荷值；兄⋯一试件最大断裂载荷俄；n。⋯一声发射慕辍相对能鳖值Ⅳ。⋯一声发射总累积握对缝鬣壤；A，B一一一一常数。将(4-2-6)式代入(4．2．5)式，褥网此。肖_。鳖R—F0B：=，-———N——}—F．—o—Fb一}b铲警掣假设声发射相对能撬与杆冗破坏根数成线性燕系。即损伤分布规律为nⅣ=：fl州n,。}◇酣)礤)=昙=惫=格-罄-(4，2．7)(4-2．8)(4-2-9)(4。2。10)粕“∽ 鹾裁羊业大学鹾．1：学位撼文损伤概率密度瞒数为p妒)=ili(4。2．11)假殴每个杆元_觅损伤时拉伸弹性模鼙均为Eo，各杆元符合虎克定理，那么试什无损伤时拉伸弹性模量也为玩。试}}：墩受蕊载蕊哥表示为F=Eo(Ⅳ一珂)棚os=嚣oN0一脚X翻。占=嚣oAo(1一∞b(4。2．12)(4-2-12)式两边同除以A褥拶=Eoc(1-甸=Eoc(1一too一旗)(4。2—13)(4-2-t3)式即为C／SiC复仑材料的损伤演化方程。不考虑试件的初始损伤．C／SiC簸台材料的损伤演化方程可以写成F=Elc(1一c毡)(4．2-14)式中E，⋯一为试件初贻模量：C⋯一修n三系数，由实验确定。由(4—2-14)建霹褥到岳咄O-c。o,)呐I-C格](4-2-15)由二二维编织C／SiC复合材料拉伸试验得剐以下参数E，：87。s溉F221．3删，如=85·88GParo‘：0．5KN玛22·l删，邑=77·31GPan：4。58拦Ⅳ卸载点载荷及实渊模量以=2·8KN，E437l·48GPaZ：56GJ陬蕊。3t44馘毽=65t25GPaf；=4．16KN，E6=60．64GPa将上述参数}℃入(4-2一15)式串送行诗葬确定修逐燕数C。褥C—O．36，甜。=O．36把骖蠹：=系数G戴入(4．2+14)式警+褥刘盯=EIs(1—0．36t01)-54一(4．2．16) 第鞭章C／SiC复会携瓣损伤袭援实验尚设测比较如矧4—2疑示14。{签100墓80善60篓402。。-20l一实验!毋移|-f-一一鞭溯|√d露．名筑，。历y一．钠少。名謦fI聋’IFO500100015002000250030003500strain(u)图4—2实骏与预测比较第三节三维编织C／SiC复合材料挝伸破坏的损伤袭征在三维编织c／sic单向拉伸实骏中，卢发射累积相对能鼙与载荷的关系可分成三个阶段。每一阶段中声发射累积相对能薰随载萄的黛亿近钕艘线性关系鲡圈4—3a掰示。这谎明了试件拉伸过程中的三个损伤阶段：1．扔始损伤阶段(A～B阶段)：这阶段损伤主要是基体、界面开裂。2，严重损伤蹬段(B～c阶段)：这阶段擐伤主娶是纤维求稳态断裂。3．火稳破坏阶段(CuD阶段)：这阶段是试纠：糕体火稳断裂。翘戆摄经蹬段为叛裂载楚熬80％以’F，鼗蹬段撰伤发襞缓搜，80％敷裂载蕊产生妁怒累计能量只L‘i总AE累计能凝的2096；严重损伤阶段，载荷增加20％断裂栽荷，损伤，t生的AE累计能整却^蕊A琶梁计熊量静s溅；失豫酸坏酪袋，载蕊基本不变，产生声发射累}}靛擀lIi总AE累训请＆蝌的20％。．5S- 西北丁二业大学硕I：学位论文100．8S暑一06垮酬涩04舀档0．20000204060810找荷参数Ir则化闰4-3a三维编织C／SiC单向拉伸损伤表征时，不再区分基体和纤维，把纤维束的影响均匀折入基体中。A～B阶段假设基体中原生孔洞和微裂纹均匀分布．则dAo=dA。+dA。Ao=A。+Ae(4—3—1)式中Ao⋯一基体表观面积：A埘⋯一基体缺陷面积；一。⋯一基体有效面积；d■o⋯一单位表观面积：幽∞⋯一单位缺陷面积：洲。⋯一单位有效面积。不考虑原始损伤，定义损伤变量CO为．56． 第叫章C／SiC复合材料损伤表征∞：以：鱼1爿o(4．3．2)假设声发射相对能量与单位基体面积破坏成线性关系，即：叫220∽≥1)(4-3-3)凡=创。J”7则损伤破坏准则为基体完全破坏。由图4--3可知旷等=瓷∞=∞．H。=‰F-一F％o--uⅣ。ne2氏。一FoNc式中F一一一一试什载荷；R⋯～基体初始损伤的载荷‰⋯一基体破坏载荷：”。⋯一声发射累积相对能量值Ⅳ。⋯一声发射总累积相对能量值。(4-3-6)式中的F还可以换成应力。由图4--3已知Fo=O．1仃6·凡。=0．80-6(盯6为破坏应力)则”等=瓷=寄把03l代入损伤演化方程仃=EIs(1一cq)式中El⋯一为试什初始模量：C⋯一修正系数。．S7-(4．3．4)(4．3．5)(4．3．6)(4．3．7)(4．3—8) 延j￡王韭大学灏士学控论嶷嚣=要；e一。t，=嚣；(；一e羔警)由三维拉挣实骏褥到纠载点载蒋及实测摸攮El=128GPaF2=O+6crb，岛=t06GPa将上j爿l参数代入(4—3-9)式中进行计算确定修正系数C，得C=o,25(／jl=0．25把修越系数G代入(4·3·g)式中，得到^～B阶段的材料损伤演化方税拶=墨球一0’25鳓》=EIdI-o．2s盟；L盯6m一盯oJ式孛菇一一一～为试露：耱娥模赞；∥一一一～斌贺：控伸应力(0《秽《O．8审≮)；a0⋯～基体初始损伤的艘为：(4．3-9)《4-3．10)盯鼬⋯～基体破坏应力，～般取80％破坏廊力。E～C狳段与A～B阶段处理方法棚类似，可得到这阶段的材料损伤演化方程如”F：一嘲一c恍m一<1-0．125丽o"-0．80"b](4-3-11)戏中q⋯一为鹿力为0．80"6(破坏麻力)时的卸载模蔹：萨一一一～试≠}控捧痘蠢(0．80"l,曼or