玻璃纖維復合材料靜載荷聲發射試驗研究

張祥春，張 鷺，蔡良續，鮑 凱

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

0 引 言

聲發射測量技術作為一種新的動態檢測技術，具有動態、實時、整體、在線等獨特優勢，不僅可以確定被檢件所受損傷的嚴重性和缺陷存在的位置，而且還可以預測被檢件的使用壽命。因此，聲發射測量技術在故障診斷、材料特性分析及橋梁監測等方面的應用越來越廣泛。

目前，國外材料聲發射特性基礎研究日益深入和系統，美國PAC公司、俄羅斯克羅列夫研究院、烏克蘭巴登焊接研究所等單位已經建成自己的材料聲發射特性數據庫；而我國在此方面的研究才剛剛起步[1-2]。

玻璃纖維復合材料是航空、航天中應用比較廣泛的材料之一，對其材料聲發射特性進行研究與分析具有重要的現實意義。國內相關研究機構，如航天703所、兵器53所等根據自身產品的特點進行了玻璃纖維復合材料的聲發射特性研究工作，積累了一定的數據和經驗。但由于缺乏統一的試驗和分析技術條件，其數據不能很好地反映該種材料的聲發射特性[3]。該文則通過研究該種材料在靜力試驗條件下的損傷破壞過程的聲發射特性，分析該材料損傷各階段的聲發射特性和對應的載荷比，系統且完整地得到了該材料損傷類型特征及聲傳播特性，為玻璃纖維復合材料聲發射特性基礎數據研究打下了良好基礎[4]。

1 試 樣

玻璃纖維復合材料試樣尺寸確定的主要原則為：適合試驗機的夾持，并留出80mm的傳感器間距位置，根據金屬和非金屬力學性能試樣制作相關的規范在尺寸靠近的基礎上進行制作。試樣設計圖如圖1和圖2所示。

圖1 玻璃纖維復合材料彎曲試樣設計圖（單位：mm）

圖2 玻璃纖維復合材料拉伸試樣設計圖（單位：mm）

2 直接拉伸變形聲發射試驗

在Instron8032型拉伸機上對玻璃纖維復合材料拉伸試樣進行直接拉伸變形試驗，并進行聲發射數據采集，具體試驗參數見表1。典型的直接拉伸加載曲線見圖3所示，試驗傳感器間距為80mm，分析

圖3 直接拉伸加載曲線

表1 玻璃纖維復合材料拉伸試驗聲發射特性數據采集試驗基本條件

設置聲速為2500m/s。5個試樣的聲發射數據匯總見表2。

表2 5個試樣試驗數據統計

玻璃纖維復合材料直接拉伸變形斷裂過程典型聲發射結果如圖4所示。玻璃纖維復合材料的聲發射信號十分豐富，從定位圖上可以看出在整個監測區域內定位較為均勻。觀察振鈴計數累積曲線的趨勢，可以判斷出聲發射起始點載荷大約為0.2152，振鈴計數快速增加的開始點載荷約為0.7799。根據這2個載荷點大致可以將聲發射過程分為3個階段：第I階段為試驗開始至聲發射起始點，該階段幾乎沒有聲發射出現；第II階段為聲發射起始點至振鈴計數快速增加開始點，該階段的聲發射信號較多，從信號幅度上看從門檻開始至最大幅度均有信號分布；第III階段從聲發射振鈴計數快速增加開始點至最終完全斷裂，這個階段表現為中低幅度信號的數量急劇增加。從斷裂后的形貌上觀察發現，在整個監測區域發生大面積多層次的脫粘。

3 3點彎曲變形聲發射試驗

在Instron8032型拉伸機上對玻璃纖維復合材料拉伸試樣進行3點彎曲變形試驗，并進行聲發射數據采集，具體試驗參數見表3所示。

典型的3點彎曲加載曲線見圖5，試驗傳感器間距為150mm，分析設置聲速為3000m/s。5個試樣的聲發射數據匯總見表4。

圖4 玻璃纖維復合材料直接拉伸變形斷裂過程典型聲發射結果

表3 玻璃纖維復合材料3點彎曲試驗聲發射特性數據采集試驗基本條件

圖5 3點彎曲加載曲線

表4 5個試樣試驗數據統計

玻璃纖維復合材料3點彎曲變形斷裂過程典型聲發射結果如圖6所示，從中可以發現材料在彎曲過程中信號數量很多，從定位圖上觀察信號主要集中在中間壓頭部。

觀察振鈴計數累積曲線并利用聲發射起始載荷點和振鈴計數快速增長開始點可以將聲發射試驗過程分為2個階段[5]。

圖6 玻璃纖維復合材料彎曲變形斷裂過程典型聲發射結果

從試驗開始至聲發射起始點為第I階段，在這個階段聲發射信號數量、幅度、振鈴計數都很小，分析認為這些信號主要與試樣上支點和壓頭的摩擦相關；聲發射起始點至聲發射振鈴計數快速增加開始點為第II階段，在這個階段，材料損傷隨彎曲載荷的上升而穩定增加，信號幅度主要分布在中低幅度區間。從信號持續時間上看，表現為階段式上升的態勢，且后次的最大值一般要超過前一次，兩次最大值之間信號持續時間顯著下降[6]。

4 結束語

對玻璃纖維復合材料進行靜力載荷條件下的聲發射試驗研究，可有效并清晰地揭示該材料在靜力試驗條件下損傷破壞過程中的聲發射特性及材料損傷類型特征，為該材料的壽命健康監測、缺陷判定提供評價依據[7]。

[1] Gong Z，Nyborg E O，Oommen G.Acoustic emission monitoring of steel railroad bridges [J]. Materials Evaluation，1992，50（6）：883-887.

[2] 胡昌洋，楊鋼鋒，黃振峰，等.聲發射技術及其在檢測中的應用[J].計量與測試技術，2008，35（6）：1-3.

[3] Qi G.Wavelet-based AE characterization of composite materials[J].NDT&E International，2000，33（2）：133-144.

[4] 李光海，劉正義.基于聲發射技術的金屬高頻疲勞監測[J].中國機械工程，2004，15（13）：1205-1209.

[5] Talebzadeh M，Roberts T M.Acoustic emission monitoring of fatigue crack propagation[J].Journal of Constructional SteelResearch.JournalofTesting and Evaluation，1999，27（5）：647-651.

[6] Paris P，Erdogan F.A critical analysis of crack propagation laws[J].Journal of Basic Engineering，1963（85）：528-584.

[7] ASTM E647 Constant load amplitude fatigue crack growth rate above 10-8 m/cycle [S].American Society for Testing and Materials，1994：321-339.