V形切口復(fù)合材料試件拉伸破壞聲發(fā)射監(jiān)測*

周 偉 張 亭 戚海東 韓江云

(河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071002)

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量高，抗疲勞性能好，廣泛用于石油、化工、電力、輕工、機(jī)械和風(fēng)電等諸多領(lǐng)域。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用和服役過程中，難免會出現(xiàn)裂紋等缺陷，這些缺陷在實際靜/動載荷、疲勞等條件作用下，將加劇損傷的累積和整體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞［1］。為此，含缺陷復(fù)合材料的損傷破壞研究，對確保復(fù)合材料結(jié)構(gòu)服役的可靠性和安全性具有重要作用。

聲發(fā)射檢測技術(shù)對動態(tài)缺陷敏感，能做到實時監(jiān)測，可有效反映復(fù)合材料損傷的萌生和擴(kuò)展。近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者相繼將聲發(fā)射技術(shù)用于監(jiān)測復(fù)合材料拉伸、壓縮和彎曲加載過程［2－5］，從而更全面、更深入地了解復(fù)合材料的損傷破壞機(jī)理。但針對含缺陷復(fù)合材料損傷破壞的聲發(fā)射研究涉及較少。為此，本文以V形切口復(fù)合材料試件為研究對象，通過聲發(fā)射全程監(jiān)測試件單向拉伸和分級加卸載拉伸試驗過程，研究含切口缺陷復(fù)合材料拉伸損傷破壞及其聲發(fā)射響應(yīng)特征，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場健康監(jiān)測和可靠性評估提供參考依據(jù)。

1 實驗過程

1.1 試樣制備

將單層厚度為0.2 mm的平紋編織玻璃纖維布裁剪成260 mm×220 mm的矩形小塊10張;以丙酮為溶劑，E－44環(huán)氧樹脂與固化劑按質(zhì)量比4∶1配比，均勻混和后，把膠液均勻涂抹在纖維布上，并在平板模具上鋪設(shè)10層;然后通過加熱加壓固化獲得復(fù)合材料層板，厚度為1 mm。最后在制樣機(jī)上切割成250 mm×20 mm的長條試樣，并通過QYJ4201型夏比缺口自動拉床在試樣中部切出V形切口，切口深度2 mm。

1.2 拉伸加載與聲發(fā)射監(jiān)測

V形切口復(fù)合材料試件拉伸試驗在CMT5305型萬能拉壓試驗機(jī)上進(jìn)行，同時采用AMSY－5型全波形聲發(fā)射儀進(jìn)行全程實時監(jiān)測，加載與聲發(fā)射監(jiān)測現(xiàn)場如圖1所示。

單向拉伸采用位移控制，試驗機(jī)加載速率設(shè)為2 mm/min;分級加卸載拉伸采用程序控制，加卸載程序為0→1 000 N→500 N→2 000 N→1 000 N→3 000 N→2 000 N→3 500 N→2 500 N→4 500 N，加卸載速率設(shè)為200 N/s。為避免試驗機(jī)夾具損壞試件和試驗機(jī)噪聲影響，在試件夾持部位兩側(cè)粘上鋁加強(qiáng)片。聲發(fā)射監(jiān)測采用2個VS150－RIC型傳感器，傳感器與試件之間用凡士林耦合，然后用膠帶固定在試件上，2個傳感器間距為100 mm。試驗所用傳感器頻帶為100～900 kHz，中心頻率為150 kHz，內(nèi)置前置放大器增益為40 dB，采樣頻率為10 MHz，信號采集閾值設(shè)為46 dB。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸力學(xué)性能

V形切口復(fù)合材料試件單向拉伸和分級加卸載拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示，單向拉伸最大應(yīng)力205 MPa，分級加卸載拉伸最大應(yīng)力207 MPa。從開始加載到試件破壞，應(yīng)力－應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出明顯的非線性特征，這表明復(fù)合材料試件在整個加載過程均有損傷產(chǎn)生，損傷積累到一定程度后導(dǎo)致試件的最終破壞。從分級加卸載拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線可以看出，卸載后再加載的加載段為直線，并與卸載線重合，說明該過程未出現(xiàn)明顯的損傷［6］。試件加載初期，卸載加載線斜率基本一致，但隨著損傷的不斷積累和殘余應(yīng)變的產(chǎn)生，卸載加載線斜率變小，試件剛度在不斷下降，直至斷裂。

圖3為切口試件拉伸破壞后的典型斷口形貌。V形切口尖端為破壞的起始點，裂紋從切口尖端沿最大承載截面擴(kuò)展。此外，由于切口尖端纖維的橋接作用，導(dǎo)致斷口纖維束參差不齊，這是由于纖維束的不斷被拉斷所致。

2.2 拉伸響應(yīng)聲發(fā)射特征

切口試件拉伸載荷－聲發(fā)射相對能量－時間歷程如圖4所示。從圖4a可以看出，由于試件損傷較少，單向拉伸初始階段聲發(fā)射相對能量幾乎為零;隨著載荷的增加，出現(xiàn)部分較高能量的聲發(fā)射事件，該現(xiàn)象源于V形切口尖端的應(yīng)力集中導(dǎo)致的部分高應(yīng)力纖維斷裂所致;隨著載荷的繼續(xù)增大，較多的低能量事件相繼發(fā)生，這些事件對應(yīng)于基體裂紋和纖維/基體界面的開裂;加載的最后階段，高應(yīng)力纖維逐步斷裂，直至試件的破壞，此時對應(yīng)著高的聲發(fā)射相對能量，最大為21 400。與單向拉伸相比，圖4b中分級加卸載條件下開始出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射能量對應(yīng)的載荷基本一致，且聲發(fā)射能量均出現(xiàn)在加載階段，各卸載階段未釋放出明顯的聲發(fā)射能量;但最高相對能量達(dá)106 295，明顯高于單向拉伸條件的相對能量。這是由于卸載過程中出現(xiàn)應(yīng)力重新分配，高應(yīng)力纖維得以緩解，在加載的最后階段，高應(yīng)力纖維斷裂較為集中，而不是圖4a中的逐步斷裂。從圖4b中還可以看出，在加載的最后階段，再次加載到前次卸載點之前就已經(jīng)有明顯的高能量聲發(fā)射事件產(chǎn)生，從而表現(xiàn)出明顯的 Felicity效應(yīng)［7］，此時復(fù)合材料試件的損傷已經(jīng)非常嚴(yán)重。

切口試件拉伸加載過程聲發(fā)射信號撞擊累積－幅度－時間歷程如圖5所示。依據(jù)圖5a中聲發(fā)射撞擊累積和幅度的變化情況，可將整個過程劃分為起始階段、演化階段和破壞階段3個部分。

加載初期，出現(xiàn)少量的低幅值聲發(fā)射信號，幅度一般不超過70 dB，且聲發(fā)射撞擊數(shù)變化緩慢;隨著載荷的增大，V形切口尖端區(qū)域開始出現(xiàn)明顯損傷，并出現(xiàn)高于85 dB的纖維斷裂聲發(fā)射事件，此時，聲發(fā)射撞擊數(shù)累積明顯加快;隨著損傷的不斷累積，高低幅值的聲發(fā)射信號均有出現(xiàn)，直至復(fù)合材料試件的整體破壞，該階段聲發(fā)射撞擊累積數(shù)急劇增加，且持續(xù)時間較短。從圖5b可以看出，各卸載階段未出現(xiàn)明顯聲發(fā)射信號，聲發(fā)射撞擊累積數(shù)沒有變化，這與卸載階段無明顯損傷對應(yīng);與圖5a相比，加載最后階段，聲發(fā)射撞擊累積增加得更快，這源于高應(yīng)力纖維的集中斷裂。

2.3 聲發(fā)射撞擊源定位

復(fù)合材料試件單向拉伸聲發(fā)射撞擊信號定位如圖6a所示，定位源個數(shù)為539，且主要集中在切口尖端及其擴(kuò)展區(qū)域，這與試件的損傷破壞相一致。此外，在整個試件的其他區(qū)域也出現(xiàn)少量的聲發(fā)射定位信號，這主要受復(fù)合材料隨機(jī)特征的影響，損傷在試件整個平面內(nèi)皆有發(fā)生［8］。從圖6b可以看出，復(fù)合材料分級加卸載拉伸聲發(fā)射撞擊信號定位與單向拉伸基本相似，只是定位源個數(shù)相對較多，為807個。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是卸載過程中部分高應(yīng)力區(qū)域得以松弛，出現(xiàn)應(yīng)力的重新分配，基體和界面的損傷累積增多所致。

3 結(jié)語

(1)V形切口復(fù)合材料試件單向拉伸和分級加卸載拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出明顯的非線性特征，這說明復(fù)合材料試件在整個加載過程均有損傷產(chǎn)生。

(2)V形切口尖端高應(yīng)力區(qū)域的損傷破壞是復(fù)合材料試件演化階段較早出現(xiàn)較高幅度和相對能量聲發(fā)射事件的主要原因，這在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有重要參考價值。

(3)復(fù)合材料試件卸載段無明顯損傷產(chǎn)生，再次加載過程中，F(xiàn)elicity效應(yīng)的出現(xiàn)預(yù)示著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞。

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