材料的變形、損傷和斷裂過(guò)程是能量的積累和釋放過(guò)程，當(dāng)材料的局部受到損傷或斷裂破壞時(shí)，能量便以應(yīng)力波的形式釋放出來(lái)，這就是聲發(fā)射(簡(jiǎn)稱 ae) 現(xiàn)象[ 1] 。聲發(fā)射信號(hào)是由傳感器接收材料在受力變形破壞時(shí)所釋放的聲波，經(jīng)前置放大、信號(hào)調(diào)理裝置等處理而顯示的電信號(hào)，其頻率主要集中在 100 khz 至 1 mhz 之間。通過(guò) ae 技術(shù)對(duì)波形信號(hào)的提取和處理，可以分析材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的細(xì)觀變化、材料變形、變形擴(kuò)大以及變形或斷裂的宏觀變化[2 -3] 。聲發(fā)射技術(shù)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)損傷過(guò)程為特點(diǎn)，能夠在線監(jiān)測(cè)裂紋的萌生和擴(kuò)展過(guò)程，是一種有效地檢查動(dòng)態(tài)缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。
木基復(fù)合材料在承受外力載荷時(shí)會(huì)發(fā)生基體裂紋、界面脫粘、分層以及纖維斷裂等不同形式的微觀損傷，隨著時(shí)間的積累，最終導(dǎo)致材料宏觀上的破壞[4] 。木基復(fù)合材料在損傷斷裂過(guò)程中會(huì)發(fā)出豐富的聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)采集和分析聲發(fā)射信
1 材料與方法
1. 1 材料
選取常用的木基復(fù)合材料膠合板(11 層，相鄰單板層木紋方向相互垂直)和三聚氨膠貼面刨花板兩種材料為試材，密度分別為 0.65 、0.696cm3 ，制成規(guī)格為 300 mm (l) x 20 mm (t) x 18 mm ( r) 的試件，試件在常溫下干燥至含水率穩(wěn)定在 8 %-10% 之間，每組試件各 10 個(gè)。
1. 2 試驗(yàn)方法
利用聲發(fā)射儀(長(zhǎng)沙鵬翔 pxwae) 和力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(深圳新三思 cmt 4204) 相結(jié)合，采用三點(diǎn)彎曲對(duì)試件進(jìn)行橫向加壓，加載速度為5 mrn/min ，當(dāng)試件開(kāi)始受力時(shí)，聲發(fā)射儀也同時(shí)開(kāi)始采集聲發(fā)射信號(hào)[8] 。傳感器的型號(hào)為 pxr -15 型，諧振頻率為 150 khz ，傳感器固定在試件上表面且用稠合劑搞合，使其與試件接觸性良好。傳感器接收聲發(fā)射信號(hào)，傳輸至前置放大器，再通過(guò)調(diào)理裝置及裝有聲發(fā)射采集卡的微機(jī)采集聲發(fā)射信號(hào)在顯示器上顯示并記錄下來(lái)。利用 matlab7.0 對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行噪聲處理[9] ，并使用參數(shù)分析法計(jì)算聲發(fā)射信號(hào)的主要參數(shù)幅度、有效電壓( rms) 、振鈴總計(jì)數(shù)、
累計(jì)能量等信號(hào)特征值。
2 結(jié)果與分析
2.1 活動(dòng)性顯示
加載條件下因變形和局部應(yīng)力而產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射信號(hào)的幅度、有效電壓、振鈴總計(jì)數(shù)、累計(jì)能量等信號(hào)特征值能夠分別從活動(dòng)性和損傷兩個(gè)方面反映木基復(fù)合材料內(nèi)部損傷演化過(guò)程[10 -15] 。振鈴總計(jì)數(shù)、累計(jì)能量等信號(hào)特征值可清楚地顯示聲發(fā)射時(shí)試件的損傷活動(dòng)性。膠合板試件的撓度與載荷、振鈴總計(jì)數(shù)及累計(jì)能量關(guān)系見(jiàn)圖 1 。
試件在撓度不到 3 mm 時(shí)未發(fā)生聲發(fā)射現(xiàn)象，在撓度增加到 3.2 mm 左右時(shí)聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生，并呈穩(wěn)步增大的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為振鈴總計(jì)數(shù)和累計(jì)能量緩慢增大。當(dāng)試件撓度達(dá)到7 mm左右時(shí)，累計(jì)能量迅速增大，試件斷裂。之后，隨著裂紋擴(kuò)展，振鈴總計(jì)數(shù)和累計(jì)能量還會(huì)緩慢增大，斷口裂紋呈現(xiàn)”之”字形狀。貼面刨花板試件的撓度與載荷、振鈴計(jì)數(shù)及累
計(jì)能量關(guān)系見(jiàn)圖 2 。
同膠合板試件相比，貼面刨花板試件聲發(fā)射活動(dòng)性，具有以下特征:(1)貼面刨花板聲發(fā)射發(fā)生早于膠合板，撓度約達(dá)到 2.1 mm 時(shí)即有聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生，貼面刨花板聲發(fā)射前期未有緩慢增加的過(guò)程，其振鈴總計(jì)數(shù)和累計(jì)能量均為迅速增加到一定數(shù)量，且振鈴總計(jì)數(shù)比膠合板顯著減少，膠合板振鈴總計(jì)數(shù)約為4890 ，而貼面刨花板只有 136 。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是實(shí)驗(yàn)中貼面刨花板為三聚氨膠貼面板，表面較脆且沒(méi)有韌性，容易發(fā)生斷裂。
(2) 貼面刨花板聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，累計(jì)能量可迅速增加達(dá)到 2.3 j ，隨著時(shí)間推移，能量還有緩慢增加的過(guò)程，這表明貼面刨花板下表面在拉應(yīng)力的作用下迅速斷裂，之后，隨著下表面斷口的增大，貼面刨花板內(nèi)部裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。(3) 貼面刨花板試件開(kāi)始發(fā)生斷裂時(shí)撓度僅有 2. 1 mm ，而膠合板撓度可達(dá) 7 mm ，這表明貼面刨花板微裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展、貫穿的發(fā)展過(guò)程非常迅速，其斷裂機(jī)制屬于韌窩斷裂。
2.2 損傷特性分析
振幅是聲發(fā)射信號(hào)波形的峰值幅度，通常
用分貝 (db) 表示。就一力學(xué)觀點(diǎn)、而言，可以用幅值大小表示聲發(fā)射信號(hào)的能量。有效電壓 erms 是采樣時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)電壓幅度的均方根，若設(shè)交變
電壓 x( t) ， 則有效電壓公式可表示為[m]:也可認(rèn)為 erms 為聲發(fā)射波形的功率相對(duì)值，與聲發(fā)射信號(hào)的能量有關(guān)，主要用于評(píng)價(jià)聲發(fā)射信
號(hào)的活動(dòng)性。圖 3 為膠合板聲發(fā)射信號(hào)幅值、有效電壓隨撓度的分布圖，其密集程度可直接反映聲發(fā)射事件出現(xiàn)的頻率。由圖 3 可知，
膠合板試件三點(diǎn)彎曲條件下，其內(nèi)部損傷、演化、擴(kuò)展直至斷裂的過(guò)程大致可分為 3 個(gè)階段:第 1 階段線彈性變形階段，此階段未出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)，無(wú)損傷產(chǎn)生;第 2 階段非線性變形階段，在前半階段中只有少量低能量聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，這表明微裂紋在材料中出現(xiàn)后，并未隨載荷的增加而增加，而后半階段隨著微裂紋形成、擴(kuò)展，聲發(fā)射信號(hào)逐漸豐富變大，直至接近極限載荷;第 3 階段韌性斷裂階段，隨著載荷的進(jìn)一步增加，木纖維束的斷裂拔出，微裂紋擴(kuò)展成宏觀裂紋，之后便非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。最終導(dǎo)致突然斷裂，釋放大量高能量彈性能，直至聲發(fā)射信號(hào)幅度、有效電壓達(dá)到值。同膠合板相比，貼面刨花板聲發(fā)射信號(hào)表明
(圖的，貼面刨花板的損傷直至斷裂大致分為兩個(gè)段:第 1 階段是線彈性階段，此階段未出現(xiàn)聲發(fā)信號(hào)，無(wú)損傷產(chǎn)生;第 2 階段是斷裂韌性階段，此階段聲發(fā)射信號(hào)幅度、有效電壓迅速達(dá)到，材料從裂紋形成到突然斷裂，釋放了大量彈性能。此后，隨著撓度的增加，幅度和有效電壓迅速降低，這表明隨著材料裂紋的增大，材料內(nèi)部顆粒仍在釋放低能量聲發(fā)射信號(hào)，材料裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。
論 結(jié) 3
(1)貼面刨花板微裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展、貫穿的發(fā)展過(guò)程是非常迅速的，其斷裂機(jī)制屬于韌窩斷裂，且斷裂發(fā)生顯著早于膠合板。
(2) 膠合板的損傷階段主要分為:線彈性階段、非線性變形階段、斷裂韌性階段。貼面刨花板
的損傷階段主要分為線彈性階段和斷裂韌性階段。