陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的基體性能對(duì)超聲檢測(cè)的影響

陳正林，張雪飛，王高潮,2，張慧麗，王興國(guó)

(1.南昌職業(yè)學(xué)院 工程系， 南昌 330500； 2.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 南昌 330063；3.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的基體性能對(duì)超聲檢測(cè)的影響

陳正林1，張雪飛1，王高潮1,2，張慧麗1，王興國(guó)3

(1.南昌職業(yè)學(xué)院 工程系， 南昌 330500； 2.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 南昌 330063；3.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

為了對(duì)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的金屬基體性能變化進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，采用波動(dòng)方程和全局傳遞矩陣法，通過(guò)陶瓷/金屬基體界面處應(yīng)力和位移連續(xù)性的邊界條件，建立了聲波在陶瓷/金屬基體介質(zhì)中的頻散特性數(shù)學(xué)模型，得到了聲波在陶瓷/金屬基體介質(zhì)中的頻散曲線，研究了陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的金屬基體性能物理參數(shù)變化對(duì)頻散曲線影響。結(jié)果表明：陶瓷/金屬基體介質(zhì)中，頻率小于0.8 MHz的S0模態(tài)聲波對(duì)材料的變化較敏感，因此可以根據(jù)需要選擇合適模態(tài)檢測(cè)基體的密度和材料性能參數(shù)變化；當(dāng)基體的厚度增加時(shí)，頻散曲線整體上往右移動(dòng)；頻率小于1 MHz的S0模態(tài)更易用于檢測(cè)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的基體厚度變化。為利用超聲波檢測(cè)監(jiān)控陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的基體物理參量性能變化提供了一定的理論依據(jù)。

復(fù)合裝甲; 波動(dòng)方程; 頻散曲線; 檢測(cè)監(jiān)控

自古以來(lái)金屬裝甲作為一種常用的裝甲被廣泛使用著，但隨著科技的發(fā)展社會(huì)的進(jìn)步，為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展的需要，人們要求裝甲易于加工和成型，有多次抗彈、耐震、抗沖擊的能力、材料輕[1-3]。因此陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲作為一種兼有金屬和陶瓷兩者性能的新型裝甲材料就逐步發(fā)展起來(lái)了，這樣將韌性材料和高硬度的脆性材料結(jié)合到一起,在輕裝甲、艦船、坦克、直升飛機(jī)和步兵防護(hù)中有很好的應(yīng)用[4-6]。陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲是由陶瓷與金屬或金屬合金經(jīng)粘結(jié)或壓力加工等工藝組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)裝甲，它將高硬度的脆性陶瓷和韌性較好的金屬結(jié)合到一起，主要用較硬的陶瓷做迎彈面、具有良好韌性的金屬材料做背板。這種結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、防護(hù)系數(shù)高、抗腐蝕、抗高溫和抗氧化的優(yōu)點(diǎn)[7]，使彈芯在侵徹裝甲板的過(guò)程中降低彈的動(dòng)能及侵徹能力，在現(xiàn)代裝甲防護(hù)中起到重要的作用。但是在使用過(guò)程中，陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲金屬基體往往主要承擔(dān)更多載荷作用，金屬性能是保證復(fù)合裝甲各種性能能正常工作的先決條件，也決定了兵器裝備的服役壽命。因此對(duì)在役過(guò)程中的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的金屬基體性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)就顯得尤為重要[8-10]。

目前國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者運(yùn)用多種不同的手段和方法研究陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的金屬基體性能變化的檢測(cè)。J.Kushibiki等[11]基于場(chǎng)論與射線理論提出了V(z)曲線測(cè)量法。張?zhí)┤A等[12]采用等離子電弧沉積法將壓痕載荷分解為涂層和基底兩部分，并從整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)中分離出涂層和基體的力學(xué)性質(zhì)；王興國(guó)等[13-15]通過(guò)界面處應(yīng)力和位移保持連續(xù)性的邊界條件建立了頻散曲線數(shù)學(xué)模型，研究了陶瓷涂層-金屬基體物理參量對(duì)聲波傳播的影響，為陶瓷涂層-金屬基體的無(wú)損檢測(cè)及性能檢測(cè)提供了理論依據(jù)；趙艷[16]建立了激光在涂層/基底系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)中的聲表面波傳播特性，進(jìn)而得到基體的性能信息。因此在涂層部件中，基體材料的力學(xué)性能在役測(cè)試與監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到專家的廣泛關(guān)注,但目前相關(guān)研究尚處于起步階段[17-20]。超聲檢測(cè)具有方便、可靠和較大安全穩(wěn)定性，因此對(duì)基體材料力學(xué)性能開(kāi)展超聲表征方法研究極其新穎，具有廣泛的應(yīng)用前景[21-22]。本文結(jié)合波動(dòng)方程并采用改進(jìn)全局矩陣方法，通過(guò)建立聲波在涂層/基體模型的全局矩陣數(shù)學(xué)模型，得到了聲波在層狀介質(zhì)中的頻散曲線，研究了涂層結(jié)構(gòu)不同基體的物理參數(shù)變化對(duì)頻散曲線的影響。為超聲在陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的金屬基體無(wú)損檢測(cè)及性能檢測(cè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 理論公式

圖1是聲波入射陶瓷/金屬基體介質(zhì)示意圖。第一層為陶瓷，第二層為陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的金屬基體，頻率為ω的縱波(P波)、橫波(S波)以一定的入射角θ入射到界面i1處，在界面處發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，分別反射P波、S波和透射P波，S波，同時(shí)透射波繼續(xù)在下一界面處發(fā)生透射和反射現(xiàn)象，最后聲波在界面i3處透射到空氣中。涂層拉梅常數(shù)λ1，μ1，密度ρ1，厚度為h1；拉梅常數(shù)λ2，μ2，密度ρ2，基體厚度為h2。

圖1 聲波在陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲介質(zhì)傳播示意圖

以u(píng)1表示固體層中的聲場(chǎng)的水平質(zhì)點(diǎn)位移，u3表示垂直質(zhì)點(diǎn)位移，第n層位移和應(yīng)力的關(guān)系式Pn=DnUn，其中Dn為第n層上下表面?zhèn)鬟f矩陣[13,23]。

(1)

以u(píng)n1、un3分別表示第n層中的入射縱波、入射橫波在x1方向上的投影，un2、un4分別表示界面發(fā)射縱波和反射橫波在x1方向上的投影。根據(jù)聲波在層狀介質(zhì)中的傳播規(guī)律可以得到聲波在介質(zhì)中的位移和應(yīng)力，如式(2)所示

(2)

其中：

Eq=exp(iξaqx3) (0lt;x3lt;dn,q=1,2,3…)

W1=-W2=α1,W3=-W4=-1/α3

用Dt表示上表面的傳遞矩陣，Db表示下表面的傳遞矩陣，如

(3)

2 邊界條件

對(duì)每一個(gè)界面處位移和應(yīng)力保持連續(xù)性，如式(4)所示

(4)

在第1層半無(wú)限空間里和第4層半無(wú)限空間里，“進(jìn)入”陶瓷和基體的入射波幅值均為0，用“+”、“-”分別表示第n層入射波和反射波，因此：

(5)

(6)

(7)

(8)

將式(5)～式(8)代入式(4)中可以得到Ax=0形式的聲波在陶瓷/金屬基體介質(zhì)中的頻散方程，如式(9)所示：

(9)

式(9)為邊界條件所得到的方程DU=0,為了矩陣方程恒有解，系統(tǒng)矩陣[D]必須為奇異矩陣，其行列式為零，即

(10)

式(10)即為陶瓷/金屬基體系統(tǒng)的特征方程，利用Matlab軟件對(duì)式(10)采用五點(diǎn)二分法進(jìn)行編程數(shù)值求解，使得式(10)為零的解是聲波在陶瓷/金屬基體中頻散特性的解。

3 聲波在陶瓷/金屬基體介質(zhì)中的傳播頻散特性數(shù)值仿真

為了更好地研究聲波在兵器復(fù)合裝甲中陶瓷金屬基體介質(zhì)中的傳播特性，以氮化硅陶瓷為覆層，鋁和鋼分別作為金屬基體，通過(guò)式(10)可以獲得聲波在氮化硅陶瓷/金屬基體介質(zhì)中頻散曲線。表1給出了氮化硅、鋁和鋼的聲學(xué)參數(shù)[13]。

表1 氮化硅、鋁和鋼的聲學(xué)參數(shù)

3.1基體材料對(duì)頻散特性的影響

圖2為不同基體材料聲波傳播特性。氮化硅陶瓷厚度為1 mm，金屬基體為3 mm。實(shí)心曲線是基體為鋼的頻散曲線，空心曲線是金屬基體為鋁的頻散曲線。從其中可知，空心曲線整體往右移動(dòng)，但是從變化曲線來(lái)看，當(dāng)頻率小于0.8 MHz時(shí)，A0模態(tài)聲波曲線變化差異較小，說(shuō)明當(dāng)頻率小于0.8 MHz時(shí)A0模態(tài)超聲波對(duì)基體的材料變化不敏感；當(dāng)頻率小于0.8 MHz時(shí)，S0模態(tài)的變化差異較大，也就是說(shuō)當(dāng)檢測(cè)頻率為0.8 MHz時(shí)的S0模態(tài)對(duì)材料的變化較敏感。這是由于鋁基體和鋼基體相比，鋁的密度更接近陶瓷的密度，整個(gè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出類似各向同性板的行為。根據(jù)Snell定理和圖2相速度頻散曲線可確定發(fā)射探頭合適的中心頻率并確定發(fā)射探頭入射角度激發(fā)S0模態(tài)檢測(cè)基體的密度和材料性能參數(shù)變化。

3.2陶瓷/金屬基體厚度對(duì)頻散特性影響

圖3為不同金屬基體厚度的聲波頻散曲線。以鋁作為基體，氮化硅陶瓷厚度為1 mm。實(shí)心曲線是基體厚度為1 mm頻散曲線，空心曲線是基體的厚度為3 mm的頻散曲線。由圖3可知，當(dāng)鋁基體的厚度從1 mm增加到3 mm時(shí)，空心頻散曲線整體往右移動(dòng)；當(dāng)頻率小于1 MHz時(shí)，S0模態(tài)和A0模態(tài)變化差異較大。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于，基體厚度3 mm與基體厚度1 mm相比，各層層厚相差較大且陶瓷在整個(gè)板厚中較薄，出現(xiàn)了類似表面波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)現(xiàn)象，故而其低階模態(tài)A0模態(tài)和S0模態(tài)相速度曲線在較大的頻率段上重合。在實(shí)際檢測(cè)當(dāng)中，S0模態(tài)更加容易激發(fā)[13]，因此可以采用中心頻率較低的發(fā)射探頭激發(fā)S0模態(tài)超聲波檢測(cè)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲基體厚度的變化。

圖2 不同基體材料的聲頻散特性

圖3 不同金屬基體厚度的聲頻散特性

4 結(jié)論

本文采用波動(dòng)方程和矩陣傳遞法，通過(guò)界面處應(yīng)力和位移連續(xù)性的邊界條件，建立了聲波在陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲介質(zhì)中的數(shù)學(xué)模型，得到了聲波頻散曲線，其有如下規(guī)律：

1) 當(dāng)頻率小于0.8 MHz時(shí)A0模態(tài)聲波對(duì)基體的材料變化不敏感，S0模態(tài)對(duì)材料的變化較敏感。因此可以根據(jù)頻散曲線選擇合適模態(tài)檢測(cè)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲金屬基體的密度和材料性能參數(shù)變化;

2) 當(dāng)金屬基體的厚度從1 mm增加到3 mm時(shí)，聲波頻散曲線整體往右移動(dòng)；當(dāng)頻率小于1 MHz時(shí)，S0模態(tài)更易用于檢測(cè)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的金屬基體厚度變化。為利用超聲波檢測(cè)和監(jiān)測(cè)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的基體性能參量變化提供了一定的理論依據(jù)。

[1] SHOCKEY D A,PHENOMENOLOGY MARCHAND A H,SKAGGS S R,et al.Failure of confined ceramic rods[J].Int J Impact Engng,1990,9(3):263-275.

[2] 邱健,王耀剛.裝甲防護(hù)技術(shù)研究新進(jìn)展[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2016,37(3):15-19.

[3] ANDERSON C E J,ROYAL-TIMMONS S A.Ballistic performance of confined 99.5% Al2O3ceramic tiles[J].Int J Impact Engng,1997,19(8):703-713.

[4] 王振劍.氧化環(huán)境下陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2010.

[5] 黃良釗,張巨先.彈丸對(duì)陶瓷靶侵徹試驗(yàn)中的約束效應(yīng)研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，1999,22(4):13-17.

[6] 孫娟,黃小忠,杜作娟,等.約束機(jī)制對(duì)陶瓷復(fù)合靶抗彈性能的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,42(11):3331-3335.

[7] 井玉安,果世駒,韓靜濤.鋼/Al2O3陶瓷/鋼輕型復(fù)合裝甲板抗彈性能[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(4):402-407.

[8] 張自強(qiáng),趙寶榮,張銳生,等.裝甲防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2000:161-162.

[9] 韓輝,李軍,焦麗娟,等.陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2007,21(2):34-37.

[10] 杜忠華,趙國(guó)志,王曉鳴,等.雙層陶瓷復(fù)合靶抗彈性的研究[J].航空學(xué)報(bào),2002,23(2):147-150.

[11] KUSHIBIKI J,CHUBACHI N.Material characterization by line-focus-beam acoustic microscope[J].IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics,1985,209(3):189-212.

[12] 張?zhí)┤A,劉東旭.基體對(duì)氮化欽膜的微力學(xué)和摩擦性能的影響[J].中國(guó)表面工程,2003,(4):23-26.

[13] 王興國(guó),陳正林,吳文林,等.陶瓷涂層-金屬基體物理參量對(duì)聲波傳播特性的影響研究[J].中國(guó)陶瓷,2016,52(12):41-45.

[14] 王興國(guó),吳文林,陳正林,等.空氣耦合超聲斜入射均勻彈性層狀介質(zhì)材料的傳播特性[J].兵工學(xué)報(bào),2016,37(11):2094-2100.

[15] 王興國(guó),陳正林,吳南星,等.氮化硅陶瓷彈性模量的空氣耦合超聲檢測(cè)[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2015,24(5):1056-1064.

[16] 趙艷,沈中華,陸健,等.圓柱型涂層/基底系統(tǒng)中的激光超聲表面波[J].激光技術(shù),2006,30(6):647-666.

[17] ZHANG Rui,WAN Minxi,LI Gang,et al.Low frequency ultrasonic rayleigh-like wave method for characterization of the ultra-thin coating layer[J].Materials Science and Engineering,2000,18(1):19-24.

[18] BEHNER T,ANDERSON JR C E,HOLMQUIST T J,et al.Interface defeat of long rods impacting oblique silicon carbide[C]//DEStech Publications,Inc,Lancaster,PA,USA,2011:1728-1735.

[19] PANTELIS D I,PSYLLAKI P,ALEXOPOULOS N.Tribological behaviour of plasma-sprayed Al2O3coatings under severe wear conditions[J].Wear,2000,237(2):197-204.

[20] 何鵬,馮青華,林鐵松.工程陶瓷連接力學(xué)性能提升研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展,2017,36(2):112-121.

[21] EILE A.Inspection of thermal barriers of primary pumps with phased array probe and piezocomposite technology[J].Journal of Nondestructive Testing,2000,5(7):22-26.

[22] VIKTOROV I A.Rayleigh and lamb waves[M]:Plenum Press:Physical theory and applications,1970.

[23] XU H,GUO H,LIU F,et al.Development of gradient thermal barrier coatings and their hot-fatigue behavior[J].Surface and Coatings Technology,2000,130(1):133-139.

(責(zé)任編輯唐定國(guó))

ResearchonInfluenceonMatrixPropertyofCeramic-MetalCompositeArmortoUltrasonicWaveTesting

CHEN Zhenglin1, ZHANG Xuefei1, WANG Gaochao1,2, ZHANG Huili1, WANG Xingguo3

(1.Banch of Mechanical Engineering, Nanchang Career College, Nanchang 330500 China; 2.School of Materials Science and Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063， China; 3.School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403， China)

In order to study on ultrasonic testing on property change of matrix with automobile paint coating on active service. Mathematical model of ultrasonic propagation in the paint-coating medium have been established and dispersion curve of ultrasonic propagation in paint-coating medium have been attained by combining acoustic control equation and transfer matrix method with the boundary conditions of stress and displacement continuity. The influence on propagation characteristic of the different property have been studied. The simulation results show that the S0modal is sensitive to change of matrix material when the frequency is less than 0.8 MHz. thus it can select some modal to test parameter change of matrix. The dispersive curves move to the right as a whole when the thickness of matrix increase. The S0modal is fit to check the change of matrix thickness when the frequency is less than 0.8 MHz. It provide some theoretical base for using ultrasonic wave to test and supervise the parameter change of matrix property.

composite armor; wave equation; dispersion curve; inspection and monitoring

2017-05-05；

2017-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51565020)；中航工業(yè)江西景航航空科學(xué)項(xiàng)目(GK201503014);江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ161485)

陳正林(1988—)，男，碩士，主要從事兵器裝備檢測(cè)技術(shù)研究。

王高潮(1956—)，男，博士，教授，主要從事國(guó)防航空材料及其檢測(cè)技術(shù)研究。

機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)

10.11809/scbgxb2017.11.034

本文引用格式：陳正林，張雪飛，王高潮，等.陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲的基體性能對(duì)超聲檢測(cè)的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):155-158,196.

formatCHEN Zhenglin, ZHANG Xuefei, WANG Gaochao,et al.Research on Influence on Matrix Property of Ceramic-Metal Composite Armor to Ultrasonic Wave Testing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):155-158,196.

TB553

A

2096-2304(2017)11-0155-04