陶瓷材料破坏过程与增韧效应的声发射特性研究

发布时间：2017-10-20 18:30

  本文关键词：陶瓷材料破坏过程与增韧效应的声发射特性研究

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【摘要】：陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、耐腐蚀等优点，已被广泛应用于航空航天、装甲防护、机械加工等领域。尽管已经过几十年的研究，但高性能结构陶瓷仍是国内外学者研究的热点，对陶瓷材料内的裂纹成核、发展规律以及增韧机理的认识仍然不足。其中的难点是如何在外载荷作用下实时捕捉内部裂纹的位置并判断裂纹的发展状态。声发射技术是一种实时、动态检测材料破坏过程的无损检测方法，陶瓷材料破坏过程中产生的声发射信号包含了裂纹的位置、裂纹尺度及裂纹发展状态等信息。 为了能全面的掌握这些信息，，通过对AD95氧化铝（95%Al2O3）陶瓷、纯氧化铝（99.9%Al2O3）陶瓷及氧化锆增韧氧化铝（15%ZrO2/Al2O3）陶瓷圆盘单轴压缩破坏过程进行声发射检测实验。利用声发射特征参数、声发射定位算法以及信号处理技术对声发射信号中隐藏着的裂纹信息进行了有效的分析，并得到了实验验证。本文的主要研究内容有： （1）利用声发射特征参数对氧化铝陶瓷和氧化锆增韧氧化铝陶瓷的损伤破坏过程进行了研究。根据声发射幅度及撞击数随时间的分布规律，并结合能量计数率和振铃计数率可以将氧化铝陶瓷及氧化锆增韧氧化铝陶瓷的损伤破坏过程分为四个阶段：裂纹闭合阶段、裂纹成核阶段、裂纹稳定发展阶段及临界失稳阶段。通过分析这四个阶段的声发射幅度、撞击数、能量计数和振铃计数的变化规律，将声发射特征与材料的损伤破坏程度建立对应关系，以实现对陶瓷材料的损伤检测。 （2）分析了ZTA陶瓷破坏过程中与氧化铝陶瓷的差异。由于ZTA陶瓷内氧化锆颗粒的增韧作用，阻碍了裂纹的发展，ZTA陶瓷产生明显声发射信号时的外力要高于氧化铝陶瓷；由于ZTA陶瓷裂纹扩展时要克服氧化锆颗粒对其的阻碍作用，因此当ZTA陶瓷裂纹扩展时释放的断裂表面能要高于氧化铝陶瓷，所以ZTA陶瓷破坏过程中检测到更多的声发射能量。由于氧化锆颗粒对裂纹的阻碍作用，ZTA陶瓷内的裂纹不容易一直扩展下去，随着载荷的增加，在其他位置发生微裂纹的成核、扩展，所以一般会检测到更多的声发射信号。根据这些声发射现象可以更直接对ZTA陶瓷的增韧效果进行表征。 （3）陶瓷材料损伤断裂为微裂纹发展演化的结果，而陶瓷材料内部微裂纹的产生、扩展、汇合都会引起声发射现象，声发射累积特征参数能够反映陶瓷材料内部的损伤程度。利用声发射累积事件数和累积能量计数可对陶瓷材料的损伤进行定量的表征，给出陶瓷材料在恒速率单轴压缩载荷作用下的损伤演化方程。 （4）发展了一种利用声衰减特性和能量参数相结合对声发射源进行定位的新方法，并利用声发射仪对材料以铅笔芯断裂作为模拟源进行一维和二维测试，证明这种无需声速测量的新方法的准确性可以得到保证。 （5）通过对三种氧化铝基陶瓷材料破坏过程中产生的声发射信号应用时域抽取基-2快速傅里叶变换(DIT-FFT)算法，发现陶瓷信号频率在50KHz-400KHz之间呈现一些明显的多尖峰性质，包含多种频谱成分，说明陶瓷声发射信号是由某些频段信号叠加而成，产生的能量分布在某些较窄的频段附近。将声发射信号进行小波包分解，使其分解为不同频带的子信号，分别计算相应子信号的能量特征值，定量的给出了裂纹成核及临界失稳前的声发射信号频率特征，并验证了陶瓷材料压缩破坏时，不同尺度的裂纹产生的声发射信号的频率不同，尺寸越长的裂纹扩展时倾向于产生频率更低的声发射信号，利用该结论可有效的检测陶瓷材料裂纹扩展前的危险程度。 （6）分析了Geiger算法中初值的选择问题，可以利用最小二乘法获得临时初值，并将该初值代入Geiger算法进行迭代计算。利用该优化算法进行了二维平面定位和三维空间定位的实验验证，并分析了定位精度。采用优化后的Geiger算法对AD95氧化铝陶瓷试件压缩破坏过程中的声发射源进行定位，通过陶瓷压缩破坏过程中的声发射源空间分布图像，进一步分析了材料内微裂纹的产生和扩展趋势，进而对材料的破坏过程进行预测和判断。
【关键词】：陶瓷材料 裂纹检测 增韧效应 声发射 小波包分解 定位算法
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O346.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-31
• 1.1 引言13-14
• 1.2 陶瓷材料断裂力学研究概况14-22
• 1.2.1 断裂韧性研究14-15
• 1.2.2 断裂强度研究15-17
• 1.2.3 Al_2O_3陶瓷断裂理论17-19
• 1.2.4 ZTA 陶瓷增韧机理19-22
• 1.3 声发射检测国内外研究进展22-28
• 1.3.1 声发射定位23-25
• 1.3.2 声发射方法检测裂纹状态25-26
• 1.3.3 声发射方法研究材料的破坏特征26-28
• 1.4 本文主要研究内容28-31
• 第2章 声发射检测技术31-44
• 2.1 引言31
• 2.2 引起声发射现象的物理机制31-33
• 2.3 声发射波的传播及衰减特性33-38
• 2.3.1 波的传播模式33-34
• 2.3.2 波的传播速度34-37
• 2.3.3 波的衰减37-38
• 2.4 声发射信号传输理论38-39
• 2.5 声发射信号的特征参数39-40
• 2.6 声发射检测的信号处理技术40-43
• 2.7 本章小结43-44
• 第3章 基于声发射特征参数的陶瓷材料损伤破坏研究44-62
• 3.1 引言44
• 3.2 陶瓷细观结构及力学特征44-46
• 3.3 陶瓷破坏过程的声发射检测实验46-56
• 3.3.1 实验设备47-48
• 3.3.2 实验过程48-49
• 3.3.3 声发射波形特征49-50
• 3.3.4 Al_2O_3陶瓷的破坏过程表征50-53
• 3.3.5 ZTA 陶瓷的破坏过程及增韧表征53-56
• 3.4 陶瓷材料损伤的时间演化模型56-61
• 3.4.1 损伤演化模型的建立56-57
• 3.4.2 基于累积声发射撞击的损伤演化模型57-59
• 3.4.3 基于累积声发射能量的损伤演化模型59-61
• 3.5 本章小结61-62
• 第4章 基于声发射频率特征的陶瓷材料破坏研究62-81
• 4.1 引言62
• 4.2 声发射频率特征的理论分析62-67
• 4.2.1 裂纹源尺度与信号频率的关系62-63
• 4.2.2 声发射信号的快速傅里叶变换63-64
• 4.2.3 声发射信号小波变换及能量特征值64-67
• 4.3 Al_2O_3及 ZTA 陶瓷破坏过程研究67-73
• 4.3.1 声发射信号处理68-69
• 4.3.2 Al_2O_3陶瓷破坏过程的声发射特征69-71
• 4.3.3 ZTA 陶瓷破坏过程的声发射特征71-73
• 4.4 Al_2O_3陶瓷裂纹演化发展状态检测73-79
• 4.4.1 实验材料及方法73-74
• 4.4.2 声发射信号频谱特征74-75
• 4.4.3 基于小波包分解的 AE 信号能量特征值分布75-78
• 4.4.4 分析与讨论78-79
• 4.5 本章小结79-81
• 第5章 声发射源定位方法研究81-100
• 5.1 引言81-82
• 5.2 时差定位法基本理论82-83
• 5.3 声发射能量定位及实验验证83-88
• 5.3.1 波的衰减特性及能量分析83-84
• 5.3.2 一维定位及实验验证84-86
• 5.3.3 二维定位及实验验证86-88
• 5.4 Geiger 定位算法的优化及在陶瓷检测中的应用88-98
• 5.4.1 Geiger 算法及初值优化88-90
• 5.4.2 优化后 Geiger 算法的实验验证90-94
• 5.4.3 Geiger 算法在陶瓷破坏检测中的应用94-98
• 5.5 本章小结98-100
• 第6章 结论和展望100-103
• 6.1 结论100-101
• 6.2 展望101-103
• 参考文献103-114
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单114-115
• 致谢115

【参考文献】

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本文编号：1068687