CN112067183B - 一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法，本发明涉及复合材料无损检测技术领域，所述方法包括：制作拉伸样品选择检测位置、选择合适频率的超声波扫描显微镜探头、调节数字门限以及增益获取波形、采集声时差数据、计算声弹性应力系数K、检测冲击样确定缺陷、检测其不同位置波形图、根据公式计算得其内部残余应力。本发明提供的检测方法，可以借助C‑Scan扫描方式检测出复合材料分层及其缺陷，可以确定材料中分层及缺陷的位置与形状，同时还可以测试并计算复合材料内的残余应力分布，为复合材料的质量评估提供了有力的支撑。

Description

一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法
技术领域
本发明涉及复合材料无损检测技术领域，尤其涉及一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料具有材质轻、性能强、耐热耐腐蚀等优点，符合航空航天飞行器的性能要求，近年来在航空航天领域有着广泛的应用。由于复合材料构件的制造、加工通常处于高温高压环境，发生一系列复杂的物理和化学变化，使构件内部不可避免会形成一定的残余应力。另外，在复合材料的使用过程中，也会由于各种载荷的存在，产生一定的应力。当复合材料的残余应力或局部应力过大时，复合材料部件的失效会直接影响飞机的安全性。但由于复合材料内部组织具有各向异性，制造工艺及其复合方法的特殊性，如何确定行之有效、可操作性强的检测方法，评定复合材料的内部质量成为无损检测人员最为关心的问题。
超声扫描显微镜是基于液体耦合剂利用超声波对微观物体进行成像的无损检测设备，扫描超声显微镜采用脉冲回波技术工作。由特定的声学组件激发和探测高重复率的短超声脉冲，声波与被测样品发生相互作用后，反射波被接收并转换为视频信号。
超声波扫描显微镜最常使用到的C-Scan模式相当于观察样品的剖面，通过时间窗口的选择可以确定剖面的位置和宽度，并将窗口选择在所需观察的界面位置，从而得到材料内部的缺陷的数量和外形尺寸。
按照目前超声扫描显微镜的使用方式，对于复杂的复合材料板材，一般用来检测冲击过后材料的脱粘缺陷，而无法评估板材的残余应力。
为了更好的研究复合材料的力学性能，通过实验方法获得复材的残余应力是力学研究中非常重要的基础工作。但由于复合材料自身的特殊性，其残余应力无损检测一直是一个难题，如何采用带有耦合剂的超声波检测方法准确、无损测定复合材料构件内部的残余应力分布状态是目前科学研究和工程应用中都亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是使用超声扫描显微镜检测复合材料板缺陷的同时，还能测试复合板内部的残余应力，从而实现对复合材料内部质量的控制，保证复合材料的稳定性。为实现以上目的，本发明提供了一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法，包括以下步骤：
S1：将复合材料切割成拉伸样品，将样品放置于超声波扫描显微镜的载物台上，下放探头移至样品待检测面中心位置，调节探头在Z轴上的位置；
S2：在测试过程中需要将样品置于水等液体耦合剂中，调节声波的能量、衰减、信号增益或阻抗，使波形能够完整的显示在屏幕中，将门限至于表面反射波上，进行第一次C扫描检测，获得样品的第一次C扫描图，保存样品A扫描的波形图，计算样品表面反射波与底面反射波的声时差t0；
S3：采用拉伸试验机对样品进行拉伸试验，引入应力；
S4：调节声波的能量、衰减、信号增益或阻抗，使波形能够完整的显示在屏幕中，将门限至于表面反射波上，进行第二次C扫描检测，获得样品的第二次C扫描图，保存样品A扫描的波形图，计算拉伸试验后样品表面反射波与底面反射波的声时差t；
S5：根据公式计算得出所述复合材料的声弹性应力系数K，公式如下：
Figure 640022DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，所述超声波扫描显微镜采用低频换能器。
其中，所述低频换能器的频率为5-100MHz。
其中，所述步骤2中，检测复合材料内部残余应力分布及缺陷时需要将试样浸置在水等液体中，以液体作为耦合剂减少超声能量在界面处的反射损失，以获得高质量的图像。
其中，所述步骤2中，将门限至于表面反射波上，在A-Scan模式下调整设备的增益使超声波的全屏高度达40%-60%。
其中，所述步骤4中，将门限至于表面反射波上，在A-Scan模式下调整设备的增益使超声波的全屏高度达40%-60%。
其中，所述步骤2中，获得样品第一次C扫图后，使用该软件中十字光标在扫描图像上点选中需要测残余应力的位置，获取特定精确位置的波形图，使用数字门限，在A扫模式下左键单击以表面反射波为起点，右键单击以底面反射波为终点，快速得出该位置处的声时差t0。
其中，所述步骤4中，获得样品第二次C扫描图后，使用该软件中十字光标在扫描图像上点选中需要测残余应力的位置，获取特定精确位置的波形图，使用数字门限，在A扫模式下左键单击以表面反射波为起点，右键单击以底面反射波为终点，快速得出该位置处的声时差t。
其中，所述步骤3引入应力后，采用与测原始样品相同的参数测试拉伸样品，得到拉伸样品各个位置处的声时差。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法与以往检测方法相比更为简便、直观，本发明直接采用超声扫描显微镜来检测复合材料板材的内部残余应力，在测试过程中需要将样品置于水等液体耦合剂中，采用显微镜的A扫超声波波形图与C扫描图相结合的方法，可以得到复合材料的特定位置的残余应力状态。同时，这种纵波超声显微方法，可以借助C-Scan扫描方式检测出复合材料分层及其缺陷，准确判定材料中分层及缺陷的位置与形状，为复合材料的质量评估提供了有力的支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的带有液体耦合剂的超声波扫描显微镜检测样品残余应力的示意图；
图2为本发明实施例提供的使用超声波扫描显微镜检测原始样品残余应力的表面反射波与底面反射波的波形图；
图3为本发明实施例提供的使用超声波扫描显微镜检测拉伸样品残余应力的表面反射波与底面反射波的波形图；
图4为本发明实施例提供的使用超声波扫描显微镜检测原始样品残余应力的C扫描图；
图5为本发明实施例提供的使用超声波扫描显微镜检测拉伸样品残余应力的C扫描图。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
本发明提供了一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法，包括以下步骤：
S1：将复合材料切割成拉伸样品，将样品放置于频率为5-100MHz的超声波扫描显微镜的载物台上，下放探头移至样品待检测面中心位置，调节探头在Z轴上的位置；
S2：在测试过程中需要将样品置于水等液体耦合剂中，调节声波的能量、衰减、信号增益或阻抗，使波形能够完整的显示在屏幕中，将门限至于表面反射波上，在A-Scan模式下调整设备的增益使超声波的全屏高度达40-60%，进行第一次C扫描检测，获得样品的第一次C扫描图，保存样品A扫描的波形图，使用该软件中十字光标在扫描图像上点选中需要测残余应力的位置，获取特定精确位置的波形图，使用数字门限，在A扫模式下左键单击以表面反射波为起点，右键单击以底面反射波为终点，快速得出该位置处的声时差t0；
S3：采用拉伸试验机对样品进行拉伸试验，引入应力；
S4：调节声波的能量、衰减、信号增益或阻抗，使波形能够完整的显示在屏幕中，将门限至于表面反射波上，在A-Scan模式下调整设备的增益使超声波的全屏高度达40-60%，进行第二次C扫描检测，获得样品的第二次C扫描图，保存样品A扫描的波形图，使用该软件中十字光标在扫描图像上点选中需要测残余应力的位置，获取特定精确位置的波形图，使用数字门限，在A扫模式下左键单击以表面反射波为起点，右键单击以底面反射波为终点，快速得出该位置处的声时差t；
S5：根据公式计算得出所述复合材料的声弹性应力系数K，公式如下：
Figure 482076DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，σ表示应力，K表示声弹性应力系数，v表示有残余应力时试样中的超声波声速，v0表示零应力时试样中的超声波声速，k表示声弹性系数，dt表示时间变化量。
本发明采用板材牌号为NY9200/HF10A的碳纤维树脂基复合材料进行残余应力检测，NY9200/HF10A的力学性能如表1所示：
表1 NY9200/HF10A力学性能
Figure 690335DEST_PATH_IMAGE002
将碳纤维树脂基复合材料切割成宽为25 mm，长为150 mm，厚度为2 mm的拉伸样品。
根据样品厚度及超声波扫描显微镜换能器的穿透深度，换能器频率越低其超声波穿透深度越深，选择15 MHz频率的超声换能器探头可以使超声纵波穿透样品，将样品放置于超声波扫描显微镜的载物台上，下放探头移至样品待检测面中心位置，调整焦距，使一次回波的强度变得比较高，图1为本发明实施例提供的使用超声波扫描显微镜检测样品残余应力的示意图。
调节声波的能量、衰减、信号增益或阻抗，使波形能够完整的显示在屏幕中，达到最佳状况。将门限（gate）置于表面反射波上在A-Scan模式下调整设备的增益使超声波的全屏高度到40%-60%，如果信号太强以至于超出了A-Scan窗口，降低增益（Gain）；如果信号太弱，可以提高增益。
将门限（gate）至于表面反射波上，进行第一次C扫描检测，获得原始样品的第一次C扫描图，保存原始样品A扫描的波形图，计算原始样品表面反射波与底面反射波的声时差t0 = 1300ns，图2为原始样品残余应力的表面反射波与底面反射波的波形图，图4为原始样品残余应力的C扫描图。
制备加强片采用同种样品材料，长度30 mm，厚度2 mm。将3M DP420环氧树脂胶水以混合比（溶积）B：A=2：1混合，将加强片与拉伸样品粘结，静置24 h待其完全固化。
采用拉伸试验机进行拉伸试验，加载速度2 mm/ s，根据样品伸长量算出应变，经计算样品拉伸后的平均应变为ε = 0.5%，根据公式可计算得出样品中的平均应力
Figure 567024DEST_PATH_IMAGE003
；
将拉伸后的样品放入超声波扫描显微镜载物台，使用C扫模式观察拉伸样品内部是否由脱粘的损伤缺陷，并保存图片，记录缺陷位置及大小。使用超声波扫描显微镜A扫模式扫描拉伸样品，记录拉伸样品的波形图并计算其声时差t = 1400ns，图3为拉伸样品残余应力的表面反射波与底面反射波的波形图，图5为拉伸样品残余应力的C扫描图。
根据公式
Figure 389486DEST_PATH_IMAGE004
计算得出该复合材料的声弹性应力系数为：
Figure 656519DEST_PATH_IMAGE005
实验采用0.8 J冲击能量冲击复合材料板材中心位置，并记录冲击位置，将样品放入超声扫描显微镜水槽中以水作为耦合剂，进行C扫描跟A扫描，得到冲击后样品各个位置的声时差，代入公式，即可得到冲击样品不同位置的内部残余应力。
冲击样品边缘区域的A-Scan图表面与底面反射波的声时差W1=1360 ns；冲击中心区域的声时差W2=1440 ns。
根据算出的声弹性应力系数K，可得：
边缘区域应力σ1=60 ns* 7.2 MPa/ ns=432 MPa;
中心区域应力σ2=140 ns* 7.2 MPa/ ns=1008 MPa。
以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将复合材料切割成拉伸样品，将样品放置于频率为5-100MHz的低频换能器的载物台上，下放探头移至样品待检测面中心位置，调节探头在Z轴上的位置；
S2：在测试过程中需要将样品置于耦合剂水中，调节声波的能量、衰减、信号增益或阻抗，使波形能够完整的显示在屏幕中，将门限至于表面反射波上，在A-Scan模式下调整设备的增益使超声波的全屏高度达40%-60%，进行第一次C扫描检测，获得样品的第一次C扫描图，保存样品A扫描的波形图，计算样品表面反射波与底面反射波的声时差t0；
S3：采用拉伸试验机对样品进行拉伸试验，引入应力；
S4：调节声波的能量、衰减、信号增益或阻抗，使波形能够完整的显示在屏幕中，将门限至于表面反射波上，在A-Scan模式下调整设备的增益使超声波的全屏高度达40%-60%，进行第二次C扫描检测，获得样品的第二次C扫描图，保存样品A扫描的波形图，计算拉伸试验后样品表面反射波与底面反射波的声时差t；
S5：根据公式计算得出所述复合材料的声弹性应力系数K，公式如下：
Figure 509593DEST_PATH_IMAGE001
其中，σ表示应力，K表示声弹性应力系数，v表示有残余应力时试样中的超声波声速，v0表示零应力时试样中的超声波声速，k表示声弹性系数，dt表示时间变化量。
2.根据权利要求1所述的一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法，其特征在于：所述步骤2中，检测复合材料内部残余应力分布及缺陷时需要将试样浸置在水中，以水作为耦合剂减少超声能量在界面处的反射损失，以获得高质量的图像。
3.根据权利要求1所述的一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法，其特征在于：所述步骤2中，获得样品第一次C扫描图后，使用软件中十字光标在扫描图像上点选中需要测残余应力的位置，获取特定精确位置的波形图，使用数字门限，在A-Scan模式扫模式下左键单击以表面反射波为起点，右键单击以底面反射波为终点，快速得出该位置处的声时差t0。
4.根 据权利要求1所述的一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法，其特征在于：所述步骤4中，获得样品第二次C扫描图后，使用软件中十字光标在扫描图像上点选中欲测残余应力的位置，获取特定精确位置的波形图，使用数字门限，在A-Scan模式扫模式下左键单击以表面反射波为起点，右键单击以底面反射波为终点，快速得出该位置处的声时差t。
5.根据 权利要求1~4中任意一项权利要求所述的一种带耦合剂的超声波复合材料残余应力测试方法，其特征在于：所述步骤S3引入应力后，采用与测原始样品相同的参数测试拉伸样品，得到拉伸样品各个位置处的声时差。
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