CN110763559B - C/SiC复合材料紧固件断裂行为能量信号原位监测装置及方法 - Google Patents

C/SiC复合材料紧固件断裂行为能量信号原位监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种C/SiC复合材料紧固件断裂行为能量信号原位监测装置及方法，监测装置包括声发射探头、压紧螺钉、上工装、下工装；所述的上工装和下工装均为框架式工装，框架式工装上设置装卡头分别用于与试验机连接，上工装的下框架以及下工装的上框架上均设置与待监测C/SiC复合材料紧固件外径尺寸一致的豁口，其中所述上工装的豁口外开坡口，待监测C/SiC复合材料紧固件穿过所述的豁口并在所述的上框架、下框架表面进行固定，两个声发射探头均通过安装在上工装/下工装上的压紧螺钉顶紧并与所述的紧固件两端耦合。

Description

C/SiC复合材料紧固件断裂行为能量信号原位监测装置及 方法
技术领域
本发明涉及一种C/SiC复合材料断裂行为能量信号原位监测装置及方法，属于试验与测试技术领域，应用于热结构复合材料紧固件受载破坏机理研究及失效分析技术领域。
背景技术
当前以高速、高机动的远距离精确打击为主要技术特征的航天飞行器已成为世界军事热点。研制高超音速飞行器的核心挑战之一是高温热结构的设计与研制。与金属材料相比，复合材料具有比强度和比刚度高等突出的优势，可应用于航空、航天等诸多领域，优异的断裂韧性、抗疲劳性能及抗蠕变能力使其成为高超声速飞行器热结构的主要候选材料。
目前，国内外高超声速飞行器研制中，C/SiC复合材料的使用逐渐增多，已经在飞行器舱段蒙皮、框/梁骨架及局部加强盒形件等结构中得到广泛应用。由于航天飞行器形状复杂，一般采用复合材料零部件单独复合、最后加工装配的方式进行飞行器组件的制备。为了保证优异的可匹配性能和使用可靠性需要采用相容性好的C/SiC复合材料紧固件进行固定和连接。由于装备过程中涉及的紧固件规格杂、数量多，使得复合材料连接成为热结构研制的关键技术之一。
C/SiC复合材料紧固件连接工况复杂，需要系统研究在受力承载过程中的断裂模式和失效机理。而现在对C/SiC复合材料断裂模式尚无明确的分析思路，解决上述问题，关键需要对C/SiC复合材料整个断裂过程进行原位监测，对断裂过程中的能量释放信号进行分析。因此提出C/SiC复合材料紧固件断裂行为能量信号原位监测装置及方法，与断口分析结合，解决C/SiC复合材料紧固件受力承载过程中的断裂模式和失效机理问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：一种C/SiC复合材料紧固件断裂行为能量信号原位监测装置及方法，为一种在检测与失效分析领域中的力学试验全过程能量信号的采集、检测与分析设备及方法。
本发明解决技术的方案是：一种C/SiC复合材料紧固件断裂行为能量信号原位监测装置，包括声发射探头、压紧螺钉、上工装、下工装；
所述的上工装和下工装均为框架式工装，框架式工装上设置装卡头分别用于与试验机连接，上工装的下框架以及下工装的上框架上均设置与待监测C/SiC复合材料紧固件外径尺寸一致的豁口，其中所述上工装的豁口外开坡口，待监测C/SiC复合材料紧固件穿过所述的豁口并在所述的上框架、下框架表面进行固定，两个声发射探头均通过安装在上工装/下工装上的压紧螺钉顶紧并与所述的紧固件两端耦合。
优选的，所述的装置还包括柔性垫片，所述压紧螺钉与声发射探头之间通过柔性垫片减震。
优选的，所述的坡口斜面之间的夹角范围60°～120°。
优选的，所述的上工装及下工装上均设置横梁用于安装压紧螺钉，其中横梁与其它框架组成的空间的高度要大于压紧螺钉的长度。
一种C/SiC复合材料紧固件断裂行为能量信号原位监测方法，包括如下步骤：
按照装置中所述的关系安装待监测C/SiC复合材料紧固件，并利用装卡头将监测装置安装在电子万能试验机上；采用声发射信号数据线将声发射探头与声发射数据采集器连接，在坡口前方放置红外热像仪；
利用电子万能试验机对所述紧固件进行加载试验，同时开启声发射探头采集加载试验过程中的声发射信号，并通过红外热像仪采集热像信号；
利用整个加载试验过程中声发射探头采集的两路声发射信号确定每个加载时刻的声发射信号定位结果及能量计数率，以及根据红外热像信号的衬度确定紧固件的初始破坏源区。
优选的，在安装待监测C/SiC复合材料紧固件前，对待监测C/SiC复合材料紧固件采用表面检测及μ-CT记录材料表面损伤及内部缺陷信息，结合原位监测结果，研究材料的断裂源区与表面、内部缺陷的对应关系。
优选的，采用实体显微镜，在50X-200X放大倍数下对紧固件表面缺陷进行统计，采用μ-CT分别沿紧固件预期开裂部位横向、轴向相互垂直的两个方向进行观察，并对尺寸≥0.1mm的缺陷进行记录，所述的表面缺陷包括牙型损伤、表面孔洞、螺纹破坏和微观裂纹；所述的内部缺陷包括孔洞、裂纹、分层、夹杂。
优选的，所述的红外热像仪在加载试验加载时长在0.6～0.7T范围时开启，在材料断裂后1～5s结束信号采集；
所述的T为待监测C/SiC复合材料紧固件的力学加载总时长。
优选的，所述的红外热像仪在3.5～5.1μm波段上收集红外信号，采样频率大于100Hz，距离试样距离约为40～50cm。
优选的，通过两路声发射信号得到整个加载过程能量信号的累积值，通过累积过程中出现的阶跃信号，对断裂行为进行分析。
优选的，在所述紧固件断裂后，首先采用实体显微镜在20X-50X放大倍数下对断口宏观形貌进行观察；其次采用实体显微镜或扫描电镜在100X-200X放大倍数下对螺钉侧面台阶进行观察，在200X-500X放大倍数下对断口纤维方向进行观察，在500X-2000X放大倍数下对断面粗糙程度进行观察，建立初始破坏源区与断口形貌的对应关系。
优选的，所述加载试验的加载速率不大于1mm/min。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明所提出的工装能够克服现有工装无法同时采集声发射信号和红外信号的不足，增加了可原位监测的信号来源，提高了监测效率；
(2)本发明提出了一种对C/SiC复合材料紧固件断裂全过程能量信号进行分析的全面方法，材料体系新颖，分析手段先进，能够基于裂纹萌生、扩展直至断裂的全过程信息准确判断断裂源区，与现有技术相比提高了分析可靠性，提升了对C/SiC复合材料断裂特征和失效机理的技术认知。
附图说明
图1力学试验加载过程原位监测装置；
1上工装；2下工装；3压紧螺钉；4柔性垫片；5声发射探头；6声发射信号数据线；7声发射数据采集器；8红外热像仪；9C/SiC复合材料紧固件；
图2 C/SiC复合材料紧固件断裂过程红外热像图；
(a)面向xy方向裂纹萌生阶段 (b)面向xy方向裂纹扩展阶段
(c)面向z方向裂纹萌生阶段 (d)面向z方向裂纹扩展阶段
图3声发射试样原位监测信号分析；
(a)声发射信号定位结果 (b)能量计数率随载荷的变化
(c)累积能量随载荷的变化-渐进型 (d)累积能量随载荷的变化-阶跃型
图4螺钉断口形貌分析；
(a)步骤1-观察螺钉侧面台阶
(b)步骤2-观察断口纤维方向
(c)步骤3-观察断面粗糙程度
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。但本发明的内容不仅仅只局限于下面的实施例：
如图1所示，本发明装置包括声发射探头、压紧螺钉、上工装、下工装；所述的上工装和下工装均为框架式工装，框架式工装上设置装卡头分别用于与试验机连接，上工装的下框架以及下工装的上框架上均设置与待监测C/SiC复合材料紧固件外径尺寸一致的豁口，其中所述上工装的豁口外开坡口，待监测C/SiC复合材料紧固件穿过所述的豁口并在所述的上框架、下框架表面进行固定，两个声发射探头均通过安装在上工装/下工装上的压紧螺钉顶紧并与所述的紧固件两端耦合。其中，上工装的声发射探头通过凡士林与C/SiC复合材料紧固件螺母端面贴紧，下工装的声发射探头通过凡士林与C/SiC复合材料紧固件螺杆端面贴紧，保证声发射信号顺利从C/SiC复合材料紧固件传递到声发射探头。
为了防止压紧螺钉在冲击、损坏声发射探头，所述压紧螺钉与声发射探头之间通过柔性垫片减震。
概括来讲可以利用上述装置通过下述方式实现能量信号原位监测：
首先，按照装置中描述的关系安装待监测C/SiC复合材料紧固件，并利用装卡头将监测装置安装在电子万能试验机上；采用声发射信号数据线将声发射探头与声发射数据采集器连接，在坡口前方放置红外热像仪；
在安装待监测C/SiC复合材料紧固件前，对待监测C/SiC复合材料紧固件采用表面检测及μ-CT记录材料表面损伤及内部缺陷信息，结合原位监测结果，研究材料的断裂源区与表面、内部缺陷的对应关系。
然后，利用电子万能试验机对所述紧固件进行加载试验，同时开启声发射探头采集加载试验过程中的声发射信号，并通过红外热像仪采集热像信号；
最后，利用整个加载试验过程中声发射探头采集的两路声发射信号确定每个加载时刻的声发射信号定位结果及能量计数率，以及根据红外热像信号的衬度确定紧固件的初始破坏源区。
1无损检测
在体视显微镜下观察螺钉表面缺陷，对牙型损伤、表面孔洞、螺纹破坏和微观裂纹等表面缺陷进行统计。μ-CT检测所用管电压为120kV，检测分辨率为50μm，分别沿第一道螺纹处、螺母处、螺钉轴向相互垂直的两个方向观察，对内部孔洞、裂纹、分层、夹杂等内部缺陷进行统计。
统计结果表明，xy向的螺纹受结构影响，在螺牙顶端间隔1.5mm存在z向纤维，由于z向纤维与螺牙顶端表面垂直，在加工过程中容易剥落，因此该处容易出现间隔分布的材料缺损。而z向的螺牙顶部存在不规律的、尺寸较小的孔洞，这种孔洞应为材料本身的孔隙造成。螺钉内部均未见明显分层、裂纹、夹杂等缺陷，可见尺寸在0.1mm量级的孔洞缺陷，这些缺陷随机分布，未对材料的连续性产生影响。
结合原位监测结果，研究螺钉的断裂源区与表面、内部缺陷的对应关系。原位监测结果表明，螺钉的断裂源区位于螺纹根部，为应力最大处，未在螺杆等位置发生异常断裂，与螺纹表面仅存在z向纤维缺损、螺钉内部尺寸仅存在0.1mm量级的孔洞、材料的连续性未被破坏相对应。若无损检测发现在螺杆处存在尺寸在1mm量级的裂纹缺陷，则红外原位监测将会在裂纹处发现明显的热能信号，声发射定位结果将会定位至裂纹位置，断裂源区与该缺陷的位置存在对应关系。
2红外原位监测
螺钉复合材料采用xy向平纹编织+z向穿刺编织而成，加载方向为x方向。根据纤维方向不同，分别对螺钉xy方向及z方向的热能信号进行观察。C/SiC复合材料紧固件断裂过程xy方向红外热像图如图2(a)(b)所示，z方向红外热像图如图2(c)(d)所示。在加载过程中，自开始检测至螺钉开裂瞬间，螺钉表面一直未检测到热能释放。
螺钉断裂瞬间，在螺纹根部可见分散的点状能量释放特征，如图2(a)(c)所示。该特点与复合材料xy方向宏观周期性重复的编织结构有关。由于z向或y向的纤维界面强度较低，且由于z向和y向的纤维并非只有一束，而是间隔周期分布，因此螺钉断裂源区呈现多源性的特点。
自裂纹萌生至裂纹断裂2幅图片仅相隔1帧，表明从红外信号显示到螺钉断裂的过程持续时间小于0.01s，在极短时间内产生大量的能量释放，造成局部区域瞬时温度上升，温升幅度从几K到几十K。
开裂后，红外能量信号均集中于螺纹根部，形成一条明显的亮带。而螺杆处尽管存在声发射信号传出，但是却未见明显的红外能量信号。螺钉断裂之后，断口温度逐渐下降，亮带的亮度逐渐降低。综合红外原位监测结果可以判断，螺钉断裂源区集中于螺纹根部，且最初起源位置位于z向纤维或y向纤维处。
3声发射原位监测
在力学性能试验过程中，采用双通道线定位技术对试样破坏过程中的声发射信号进行采集。声发射信号通过数据线实时传输到WAVEGAN声发射检测系统中。采用铅笔芯折断制造声发射信号，对探头位置进行标定，根据标定及实际测量结果，设置声发射门槛值。
声发射定位结果如图3(a)所示，从图中可以看到，在靠近2号传感器一侧声发射信号事件数最多，表明该处存在最为密集的基体开裂、纤维与基体脱粘以及纤维开裂损伤，因此该处可以被定位为裂纹开裂源区所处的平面，该源区恰位于第一道螺纹根部。除此之外，在螺帽根部也存在一定的声发射信号，表明该处可能存在微裂纹，但裂纹未能进一步发展，因此，螺帽根部并非裂纹开裂源区。
声发射信号相对于加载载荷的能量计数率呈现为随着载荷升高越来越显著的特点，如图3(b)所示。上述特征表明，在C/SiC复合材料紧固件加载过程中，随着载荷升高，材料中的损伤越来越密集，所释放的声能越来越明显。随着加载过程的进行，在某个载荷下还出现了能量当量超过1000的损伤，表明在该时刻，裂纹扩展较为明显。
图3(c)和图3(d)代表了C/SiC复合材料螺钉断裂过程当中的两种典型损伤模式，分别为渐进型损伤和阶跃型损伤。能量累积曲线随载荷的升高匀速增加，反映了试样损伤过程较为平稳有序，在整个裂纹扩展直至断裂的过程中没有大的脆性突发损伤，能量均匀释放，断裂过程较为平稳，如图3(c)所示。能量累积曲线在某个载荷下发生阶跃，反映了在该特定载荷下，试样裂纹扩展过程中存在脆性突发损伤，对应陶瓷基体发生瞬间断裂或整束碳纤维发生瞬间断裂，能量释放不均匀，断裂过程不稳定，如图3(d)所示。
4断口源区分析
断口宏观照片采用KEYENCE VHX-1000E进行拍摄，断口微观照片采用FEI QUANTAFEG 650进行拍摄。图4显示了螺钉断裂后的断口形貌，分别从以下特征入手对开裂源区进行分析：
(1)声发射原位监测信号分析结果表明，在断裂过程中，螺钉沿第一道螺纹根部截面断裂，在不考虑缺陷的情况下，该界面也是应力最大的危险截面。由于螺纹走向与螺钉轴向并非完全垂直，而是存在一定的角度，这就意味着在断面上某个位置存在台阶，见图4(a)，两个台阶面之间的距离为螺距P。红外热像图中可以证实，首先起源的位置并非存在台阶的位置，因此，断裂源区应在台阶处的对侧。
(2)断口纤维方向。虽然可以从(1)中得到源区的大致位置，但断口源区并不一定严格位于台阶处180°对称位置，故第二步需要对断口上的纤维方向进行观察。在断口上可以看到三个方向的纤维，根据红外原位监测结果，最初起源位置位于z向纤维或y向纤维处。而z向纤维的断裂以界面开裂为主，强度最低，因此，与表面接近的z向纤维处最可能为断裂源区，见图4(b)。
(3)断面粗糙程度。若纤维较为密实，纤维与基体结合较为紧密，纤维拔出长度较短，则该处最可能为断裂源区；而若纤维较为分散，纤维拔出长度较长，断口较为粗糙，则该处最可能为扩展区或终断区，见图4(c)。在最终断裂的瞬间，只有终断区的材料还连在一起。此时输入载荷不变，而承载面积急剧减小，局部位置的能量输入较大，因此，能够有更多的能量使纤维发生断裂的同时，纤维与基体发生较大程度的脱粘。因此，终断区纤维较为分散，且纤维拔出的长度较长。而源区的情况恰好与终断区相反。因此，最终通过断面粗糙程度可以认定断裂源区。
通过上述三个步骤，结合声发射与红外原位监测结果，即能够判定复合材料螺钉断口源区的位置，对螺钉裂纹萌生、扩展直至开裂的全过程进行分析。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种C/SiC复合材料紧固件断裂行为能量信号原位监测方法，其特征在于：
在安装待监测C/SiC复合材料紧固件前，对待监测C/SiC复合材料紧固件采用表面检测及μ-CT记录材料表面损伤及内部缺陷信息，结合原位监测结果，研究材料的断裂源区与表面、内部缺陷的对应关系；其中，采用μ-CT分别沿紧固件预期开裂部位横向、轴向相互垂直的两个方向进行观察，并对尺寸≥0.1mm的缺陷进行记录；
设计C/SiC复合材料紧固件断裂行为能量信号原位监测装置，并安装待监测C/SiC复合材料紧固件，所述的监测装置包括声发射探头、压紧螺钉、上工装、下工装、红外热像仪；所述的上工装和下工装均为框架式工装，框架式工装上设置装卡头分别用于与试验机连接，上工装的下框架以及下工装的上框架上均设置与待监测C/SiC复合材料紧固件外径尺寸一致的豁口，其中所述上工装的豁口外开坡口，所述的坡口斜面之间的夹角范围60°~120°；待监测C/SiC复合材料紧固件穿过所述的豁口并在所述的上框架、下框架表面进行固定，两个声发射探头均通过安装在上工装/下工装上的压紧螺钉顶紧并与所述的紧固件两端耦合；所述红外热像仪用于采集热像信号；所述的红外热像仪在加载试验加载时长在0.6~0.7T范围时开启，在材料断裂后1~5s结束信号采集；所述的T为待监测C/SiC复合材料紧固件的力学加载总时长；所述的红外热像仪的采样频率大于100Hz；
利用装卡头将监测装置安装在电子万能试验机上；采用声发射信号数据线将声发射探头与声发射数据采集器连接，在坡口前方放置红外热像仪；
利用电子万能试验机对所述紧固件进行加载试验，同时开启声发射探头采集加载试验过程中的声发射信号，并通过红外热像仪采集热像信号；
利用整个加载试验过程中声发射探头采集的两路声发射信号确定每个加载时刻的声发射信号定位结果及能量计数率，以及根据红外热像信号的衬度确定紧固件的初始破坏源区；
通过两路声发射信号得到整个加载过程能量信号的累积值，通过累积过程中出现的阶跃信号，对断裂行为进行分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括柔性垫片，所述压紧螺钉与声发射探头之间通过柔性垫片减震。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的上工装及下工装上均设置横梁用于安装压紧螺钉，其中横梁与其它框架组成的空间的高度要大于压紧螺钉的长度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在安装待监测C/SiC复合材料紧固件前，对待监测C/SiC复合材料紧固件采用表面检测及μ-CT记录材料表面损伤及内部缺陷信息，结合原位监测结果，研究材料的断裂源区与表面、内部缺陷的对应关系。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：采用实体显微镜，在50X-200X放大倍数下对紧固件表面缺陷进行统计，所述的表面缺陷包括牙型损伤、表面孔洞、螺纹破坏和微观裂纹；所述的内部缺陷包括孔洞、裂纹、分层、夹杂。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的红外热像仪在加载试验加载时长在0.6~0.7T范围时开启，在材料断裂后1~5s结束信号采集；
所述的T为待监测C/SiC复合材料紧固件的力学加载总时长。
7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于：所述的红外热像仪在3.5~5.1μm波段上收集红外信号，采样频率大于100Hz，距离试样距离为40~50cm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述紧固件断裂后，首先采用实体显微镜在20X-50X放大倍数下对断口宏观形貌进行观察；其次采用实体显微镜或扫描电镜在100X-200X放大倍数下对螺钉侧面台阶进行观察，在200X-500X放大倍数下对断口纤维方向进行观察，在500X-2000X放大倍数下对断面粗糙程度进行观察，建立初始破坏源区与断口形貌的对应关系。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述加载试验的加载速率不大于1mm/min。
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