颗粒增强金属基复合材料损伤的超声检测与监测

论文摘要

超声是材料损伤检测和监测的一种重要方法,具有方便、快速和不需要对试样进行破坏性实验的优点。颗粒增强金属基复合材料(Particle reinforced metal matrixcomposites简称PMMC)由于其高的比强度和比刚度等优点而得到广泛的应用,随着PMMC的广泛使用,对PMMC这种材料或结构进行有效的无损检测和评价变得越来越迫切。本文用超声检测和监测的方法研究了PMMC在不同载荷作用过程中和作用之后的损伤特征及参数进行了定性和定量的研究。首先对超声检测和监测及PMMC的国内外研究进展进行了综述,然后介绍了材料损伤的表征方法,接着用超声检测的方法对PMMC在常见的单次拉伸载荷及循环拉伸载荷作用后的损伤进行了定量的研究,用小波(Wavelet)分析方法及相关性分析方法对PMMC损伤的超声信号进行了特征分析;最后用声发射(Acoustic Emission简称AE)监测的方法对PMMC在常温和高温拉伸及弯曲过程中产生的损伤进行了监测,得到PMMC损伤过程中的声发射特征参数。研究结果发现:(1) PMMC在单次拉伸载荷作用下产生的损伤随着拉应力的增大而增大,当拉应力小于300MPa时材料的损伤变化缓慢,当拉应力超过300MPa以后,材料的损伤急剧增加。随着拉应力的增大,穿过受损试件的超声信号与穿过原始试件的超声信号之间的相关性减小。用SEM观察了材料断口的形貌,发现PMMC的破坏最初是由孔洞形核开始,然后随着拉应力增大,孔洞迅速联合至产生微裂纹,微裂纹随着应力的增加而扩展直至材料断裂。(2)在循环拉伸载荷作用后,PMMC的损伤参数随着疲劳次数的增加而增大,在疲劳开始阶段,损伤参数随疲劳次数的增加而迅速增大,随后损伤参数随疲劳次数的增加而增大的趋势趋于平缓。穿过不同次数疲劳作用后的PMMC试件的超声波信号与穿过原始试件的超声波信号之间的相关性随着疲劳次数的增加而减小。在疲劳次数小于50次时,相关系数变化较快,减小的趋势明显。当疲劳次数大于50以后,相关系数减小的趋势趋于平缓。通过对穿过PMMC的超声信号进行频谱分析发现,随着疲劳次数的增加,超声波信号所包含的频率成分越来越复杂,所包含频率以117.2KHz为中心同时向高频和低频方向增加。(3)通过声发射(AE)对PMMC在常温和高温拉伸及弯曲下的声发射特征参数进行分析,发现在材料屈服前,会产生大量的声发射信号。损伤的形成与演化与环境温度有很大的关系。当环境温度升高时,材料屈服和断裂时所需要的载荷都减小,声发射信号也比常温下明显要少,声发射信号幅值也要小,这说明PMMC的损伤会在机械载荷与环境温度的共同作用下,损伤极易形成、并且快速扩展、并最终导致材料的断裂。本文研究的结果对PMMC的安全使用和优化设计具有参考价值,为PMMC使用过程中产生的损伤进行超声无损评价积累了相关数据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无损检测技术的动态
• 1.1.1 无损检测技术的分类及发展
• 1.1.2 超声无损检测技术的发展
• 1.2 超声检测的特征
• 1.2.1 超声检测的优点
• 1.2.2 超声检测的局限性
• 1.3 声发射技术的原理与特点
• 1.4 超声波在介质中的传播理论
• 1.4.1 超声波波动方程及其解
• 1.4.2 超声波波动特性
• 1.4.3 超声波的衰减
• 1.4.4 超声波在半无限分界面的反射和透射
• 1.5 PMMC材料的发展
• 1.5.1 复合材料的定义及分类
• 1.5.2 PMMC的组成物质
• 1.5.3 PMMC的沿革与发展
• 1.5.4 PMMC的优越性能及其应用
• 1.6 复合材料无损评价的研究状况
• 1.7 本文的课题来源、意义和研究内容
• 第2章 超声检测系统及超声对材料损伤的表征
• 2.1 超声无损评价系统
• 2.1.1 超声无损评价系统的组成
• 2.1.2 超声传感器
• 2.1.3 耦合及探头频率选择
• 2.2 超声对材料损伤的表征
• 2.2.1 材料性能的表征方法
• 2.2.2 损伤的表征方法
• 2.3 本章总结
• 第3章 PMMC在拉应力作用后损伤的表征
• 3.1 实验材料及其试样的加工
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 拉伸实验
• 3.2.2 声波测量实验
• 3.3 实验测量结果
• 3.3.1 超声波信号波形的比较
• 3.3.2 超声波在PMMC试件中的传播速度
• 3.4 PMMC的损伤分析
• 3.5 相关性分析在处理PMMC超声信号中的应用
• 3.5.1 概述
• 3.5.2 数据处理及分析
• 3.6 材料损伤的SEM观察
• 3.7 本章总结
• 第4章 PMMC在拉应力循环作用后损伤的超声表征
• 4.1 实验方法
• 4.2 实验结果及损伤分析和相关性分析
• 4.3 超声信号的小波分析和频谱分析
• 4.3.1 小波变换及频谱分析方法
• 4.3.2 信号处理及分析结果
• 4.4 本章总结
• 第5章 常温与高温下PMMC拉伸与弯曲损伤的声发射监测
• 5.1 PMMC声发射实验方法
• 5.1.1 PMMC试样的制备及其损伤模式
• 5.1.2 常温与高温下PMMC拉伸与弯曲损伤声发射实验方法
• 5.2 常温与高温下PMMC拉伸损伤的声发射特征
• 5.2.1 常温与高温下PMMC拉伸损伤的声发射事件
• 5.2.2 常温与高温下PMMC拉伸损伤的声发射幅值
• 5.3 常温与高温下PMMC三点弯曲损伤的声发射特征
• 5.3.1 常温与高温下PMMC三点弯曲行为
• 5.3.2 常温与高温下PMMC三点弯曲损伤的声发射事件与幅值
• 5.4 本章总结
• 第6章 总结和展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间已公开发表的论文