16MnR/0Cr18Ni9Ti復(fù)合鋼板損傷與斷裂過程的聲發(fā)射特性試驗(yàn)

梁志剛,吳艷紅,丁利偉,沈玉娣

(1.西北核技術(shù)研究所,西安 710613;2.西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院,西安 710055;3.中國空空導(dǎo)彈研究院,洛陽 471002;4.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安 710049)

16MnR/0Cr18Ni9Ti復(fù)合鋼板通常采用爆轟法進(jìn)行焊接復(fù)合而成。復(fù)合鋼板界面呈波狀結(jié)合,由波峰、波谷的直接結(jié)合區(qū)和前后漩渦區(qū)組成,漩渦區(qū)在爆炸焊接狀態(tài)為一種鑄態(tài)新合金。16MnR和0Cr18Ni9Ti分別稱作基層和復(fù)層?；鶎?6MnR是壓力容器常用鋼材,一般用以滿足復(fù)合鋼板對(duì)強(qiáng)度、剛度和韌性等力學(xué)性能的要求,復(fù)層0Cr18Ni9Ti屬不銹鋼,一般用以滿足復(fù)合鋼板對(duì)耐蝕性、耐氧化的要求。因此16MnR/0Cr18Ni9Ti復(fù)合鋼板同時(shí)具備了不銹鋼及基層16MnR的優(yōu)點(diǎn),既降低了成本,又能滿足實(shí)際需求,被廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥和原子能工業(yè),制造各種耐酸容器、管道、換熱器和耐酸設(shè)備等。因此對(duì)這種復(fù)合鋼板的損傷與斷裂特性進(jìn)行研究,在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析、設(shè)備的故障診斷等方面有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)方法

目前研究復(fù)合材料的損傷斷裂行為多通過傳統(tǒng)均質(zhì)材料力學(xué)試驗(yàn)和微觀觀察相結(jié)合的研究方法,但由于力學(xué)試驗(yàn)參量對(duì)復(fù)雜的微觀斷裂不敏感,不能區(qū)分和識(shí)別不同的損傷斷裂源;而顯微觀察也只是在事后觀察斷口,研究局部斷裂形貌,因而無法研究斷口的形成過程,也無法研究復(fù)合材料中各斷裂源特征,因此傳統(tǒng)研究方法不能適應(yīng)復(fù)合材料損傷斷裂過程的研究。由于聲波[1-2]對(duì)材料中的缺陷十分敏感,可通過分析材料破壞過程中的聲發(fā)射信號(hào)來判斷材料中缺陷的類型和位置,同時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生幾乎不受材料類型的限制,所以,聲發(fā)射技術(shù)成為材料破壞機(jī)理和強(qiáng)度研究的有效手段之一,是檢測材料缺陷的新技術(shù)。Huguet和 Siron等人[3-4]分別利用聲發(fā)射技術(shù)研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷機(jī)理,Xu等人[5]研究了顆粒填充聚合物材料斷裂的聲發(fā)射特性,陽建紅等[6]對(duì)HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑的聲發(fā)射特性及損傷進(jìn)行了研究,并給出了損傷演化模型。

通過研究16MnR/0Cr18Ni9Ti復(fù)合鋼板的拉伸變形和斷裂過程,對(duì)所采集聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行分析,表征了材料損傷在不同破壞階段的發(fā)生、發(fā)展及演變的過程、機(jī)理及聲發(fā)射特性,為建立16MnR/0Cr18Ni9Ti復(fù)合鋼板試件的聲發(fā)射檢測方法與評(píng)價(jià)判據(jù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 試驗(yàn)材料及試件

試驗(yàn)用試件材料取自由16 mm厚的16 MnR鋼板與4 mm厚的0Cr18Ni9Ti鋼復(fù)合而成的復(fù)合鋼板(圖1)。其中16MnR鋼板成分及技術(shù)要求符合GB 6654《壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,使用狀態(tài)為熱軋、正火。采用線切割將該復(fù)合板材加工成如圖1(b)所示的復(fù)合鋼板拉伸試樣,試樣取復(fù)合結(jié)合部分,基層和復(fù)層各占 2 mm,試件總厚度為4 mm。

圖1 16MnR/0Cr18Ni9Ti材料及試件

1.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

加載設(shè)備為美國INST RON公司生產(chǎn)的INSTRON-1195型萬能材料試驗(yàn)機(jī),監(jiān)測儀器為美國PAC公司生產(chǎn)的PCI-2型數(shù)字化聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。圖2是試驗(yàn)過程原理圖[7]。試驗(yàn)中,聲發(fā)射監(jiān)測儀器的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示,其采集參數(shù)有時(shí)間、幅值、能量計(jì)數(shù)和持續(xù)時(shí)間。

圖2 試驗(yàn)原理

表1 聲發(fā)射儀器參數(shù)設(shè)置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)內(nèi)容是對(duì)16MnR/0Cr18Ni9Ti復(fù)合鋼板試件的拉伸過程進(jìn)行全程聲發(fā)射監(jiān)測,直至試件斷裂。試驗(yàn)采用位移控制加載,材料試驗(yàn)機(jī)的加載速率為2mm/min,勻速單向拉伸。傳感器安裝在不銹鋼板面。

圖3為16MnR/0Cr18Ni9Ti復(fù)合鋼板拉伸時(shí)位移-載荷曲線?？梢钥闯?材料屈服至斷裂表征不明顯,所以不易判別材料損傷破壞的不同階段及危險(xiǎn)性。

圖3 試件拉伸載荷-位移曲線

由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不均勻,組成相對(duì)復(fù)雜,并且在遭受損傷時(shí),多種損傷斷裂源疊加在一起同時(shí)作用,加上聲發(fā)射波的傳播比較復(fù)雜,接收的聲發(fā)射信號(hào)畸變嚴(yán)重,這樣很難用單個(gè)聲發(fā)射參量跟蹤、識(shí)別受載材料的形變斷裂過程。而多參數(shù)分析可以大大提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此筆者擬對(duì)多個(gè)聲發(fā)射參數(shù)綜合分析。

從圖4可以看出,試件拉伸時(shí)的聲發(fā)射過程大致可分為三個(gè)階段:初始階段、中間階段和斷裂階段。這與C/SiC復(fù)合材料的拉伸損傷過程[8]比較相似。對(duì)比圖4和5可以看出,試件拉伸過程中,聲發(fā)射信號(hào)的能量累計(jì)數(shù)和振鈴計(jì)數(shù)累計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢基本一致。

(1)初始階段 在這個(gè)階段,試件拉伸的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系,材料處于彈性變形階段。從圖3可知該階段應(yīng)力值增長很快,達(dá)到最大應(yīng)力(544 MPa)的55%。由圖6～9可以看出,該階段內(nèi)單個(gè)聲發(fā)射波信號(hào)的能量均＜200 mV?s,振鈴計(jì)數(shù)均 ＜350個(gè),幅值都低于 80 dB,持續(xù)時(shí)間均＜5 000 μ s;而該階段內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)的單元平均能量＜15 mV?s,平均振鈴計(jì)數(shù)＜35次,平均幅值＜60 dB,平均持續(xù)時(shí)間≤800 μ s。

圖6 能量-時(shí)間曲線

(2)中間階段 試件內(nèi)部因受拉伸所引起的聲發(fā)射活動(dòng)比較強(qiáng)烈,其振鈴計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間和幅值等參數(shù)的最大值比初始階段增大了許多。該階段,試件拉伸變形主要是塑性變形,聲發(fā)射活動(dòng)逐漸由弱到強(qiáng)。如圖3可以看出,80～170 s期間,試件拉伸的聲發(fā)射活動(dòng)較弱,試件內(nèi)部的拉伸應(yīng)力約為440 MPa,約達(dá)到最大載荷的80%。而170～350 s期間,聲發(fā)射活動(dòng)比較活躍。這是因?yàn)?試件基層(16MnR)和復(fù)層(0Cr18Ni9Ti)的塑性變形能力不同,當(dāng)拉伸應(yīng)變較大時(shí),兩者結(jié)合面將會(huì)發(fā)生局部的層間開裂和分離,材料便會(huì)釋放出大量能量,從而激發(fā)出大量高強(qiáng)度的聲發(fā)射信號(hào)。由圖6,7可知,本階段內(nèi),有一些聲發(fā)射信號(hào)能量超過了300 mV?s,最大達(dá)到了1 200 mV?s,階段平均能量也比較大;同樣某些聲發(fā)射信號(hào)的振鈴計(jì)數(shù)也超過了700次,最高為1 300多個(gè),階段平均振鈴計(jì)數(shù)也超過40次。由圖8和9可看出,一些高強(qiáng)度聲發(fā)射信號(hào)的幅值越過 80 dB,持續(xù)時(shí)間超過5 000 μ s,幾乎每個(gè)單元時(shí)間內(nèi)都有幅值在60 dB以上的信號(hào)。但是該階段的平均幅值和平均持續(xù)時(shí)間卻不是很大,這說明高強(qiáng)度聲發(fā)射信號(hào)的發(fā)生頻率不是很大。

圖9 持續(xù)時(shí)間-時(shí)間曲線

(3)斷裂階段 從圖3可看出,該階段其最大拉伸應(yīng)力幾乎沒有增長,并且在試件即將斷裂時(shí)迅速減小。由于臨近斷裂,故一些參數(shù)的最大值又有所增加,表明試件的破壞更加嚴(yán)重。由圖4可知,斷裂前該階段聲發(fā)射能量大量集中在斷裂前幾秒時(shí)間內(nèi)。同時(shí)試件在斷裂時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)極高強(qiáng)度聲發(fā)射信號(hào)。斷裂前該階段聲發(fā)射能量累計(jì)為8 000 mV?s左右,而且約50%的能量集中在斷裂前幾秒時(shí)間內(nèi),其余拉伸時(shí)間里能量增長則比較緩慢。此外,在試件斷裂時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)能量超過30 000 mV?s的極高強(qiáng)度聲發(fā)射信號(hào)。開始時(shí),這個(gè)階段的能量累計(jì)越來越緩慢,直到試件快要斷裂時(shí),能量才又迅速增加。這是因?yàn)?當(dāng)試件的層間開裂和分離發(fā)生以后,試件拉伸的彈性阻力減小,故而聲發(fā)射活動(dòng)比較弱,繼續(xù)拉伸試件,細(xì)小裂紋開始擴(kuò)展,引起應(yīng)力集中,積累大量能量,當(dāng)試件臨近斷裂時(shí),較大的宏觀裂紋開始出現(xiàn)并擴(kuò)展,能量以彈性波的形式釋放出來,試件的聲發(fā)射活動(dòng)又強(qiáng)烈起來。由圖6～9可知,這個(gè)階段的高強(qiáng)度聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量較少,其能量、振鈴計(jì)數(shù)、幅值和持續(xù)時(shí)間與第二個(gè)聲發(fā)射高峰期的信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng),但是其發(fā)生頻率比較小。

不同類型的聲發(fā)射源會(huì)產(chǎn)生不同特征的聲發(fā)射信號(hào)。實(shí)際上試件拉伸過程中聲發(fā)射信號(hào)的來源是很復(fù)雜的,每個(gè)階段的聲發(fā)射源類型并不是唯一的,應(yīng)該是多種聲發(fā)射源的疊加,以上分析只是說明了各個(gè)階段最主要的聲發(fā)射源類型。第二個(gè)聲發(fā)射活動(dòng)高峰開始時(shí)的拉伸應(yīng)力約為440 MPa,此后的拉伸對(duì)試件破壞比較嚴(yán)重,會(huì)引起基層和復(fù)層的開裂和分離,使材料失去原有功能(圖10)。故此,可以把第二個(gè)聲發(fā)射高峰作為嚴(yán)重破壞的標(biāo)志。

圖10 拉伸過程的聲發(fā)射活動(dòng)

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)中所采集聲發(fā)射原始數(shù)據(jù)的初步分析,得到了多種參數(shù)關(guān)聯(lián)圖。比較分析后發(fā)現(xiàn),時(shí)間-能量、時(shí)間-振鈴計(jì)數(shù)、時(shí)間-幅度和時(shí)間-持續(xù)時(shí)間較好地反映了試件拉伸的聲發(fā)射過程。

(2)16MnR/0Cr18Ni9Ti復(fù)合鋼板拉伸斷裂過程聲發(fā)射源主要來自位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、層間開裂和分離、宏觀裂紋的擴(kuò)展等,每種損傷模式在其發(fā)生發(fā)展過程中都有豐富明顯的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生,而且這些聲發(fā)射信號(hào)對(duì)損傷信息的反映都非常及時(shí)準(zhǔn)確,可測性良好。

(3)利用聲發(fā)射技術(shù)可以反映材料的損傷過程,可用于檢測其損傷試驗(yàn)研究。

(4)試驗(yàn)表明,聲發(fā)射監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線所不能反映出來的材料損傷。

(5)根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)可以分析不同破壞階段的損傷機(jī)理。利用聲發(fā)射累計(jì)相對(duì)能量的變化趨勢可以將試件拉伸過程分為不同的階段。通過對(duì)各個(gè)階段聲發(fā)射信號(hào)能量、振鈴計(jì)數(shù)、幅值和持續(xù)時(shí)間等特征參數(shù)的聯(lián)合分析,結(jié)合材料拉伸曲線,可以揭示材料拉伸破壞的演化進(jìn)程。

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