本文關(guān)鍵詞：陶瓷材料破壞過程與增韌效應(yīng)的聲發(fā)射特性研究

  更多相關(guān)文章： 陶瓷材料 裂紋檢測 增韌效應(yīng) 聲發(fā)射 小波包分解 定位算法

【摘要】：陶瓷材料具有強度高、硬度大、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、裝甲防護、機械加工等領(lǐng)域。盡管已經(jīng)過幾十年的研究，但高性能結(jié)構(gòu)陶瓷仍是國內(nèi)外學者研究的熱點，對陶瓷材料內(nèi)的裂紋成核、發(fā)展規(guī)律以及增韌機理的認識仍然不足。其中的難點是如何在外載荷作用下實時捕捉內(nèi)部裂紋的位置并判斷裂紋的發(fā)展狀態(tài)。聲發(fā)射技術(shù)是一種實時、動態(tài)檢測材料破壞過程的無損檢測方法，陶瓷材料破壞過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號包含了裂紋的位置、裂紋尺度及裂紋發(fā)展狀態(tài)等信息。 為了能全面的掌握這些信息，，通過對AD95氧化鋁（95%Al2O3）陶瓷、純氧化鋁（99.9%Al2O3）陶瓷及氧化鋯增韌氧化鋁（15%ZrO2/Al2O3）陶瓷圓盤單軸壓縮破壞過程進行聲發(fā)射檢測實驗。利用聲發(fā)射特征參數(shù)、聲發(fā)射定位算法以及信號處理技術(shù)對聲發(fā)射信號中隱藏著的裂紋信息進行了有效的分析，并得到了實驗驗證。本文的主要研究內(nèi)容有： （1）利用聲發(fā)射特征參數(shù)對氧化鋁陶瓷和氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的損傷破壞過程進行了研究。根據(jù)聲發(fā)射幅度及撞擊數(shù)隨時間的分布規(guī)律，并結(jié)合能量計數(shù)率和振鈴計數(shù)率可以將氧化鋁陶瓷及氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的損傷破壞過程分為四個階段：裂紋閉合階段、裂紋成核階段、裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段及臨界失穩(wěn)階段。通過分析這四個階段的聲發(fā)射幅度、撞擊數(shù)、能量計數(shù)和振鈴計數(shù)的變化規(guī)律，將聲發(fā)射特征與材料的損傷破壞程度建立對應(yīng)關(guān)系，以實現(xiàn)對陶瓷材料的損傷檢測。 （2）分析了ZTA陶瓷破壞過程中與氧化鋁陶瓷的差異。由于ZTA陶瓷內(nèi)氧化鋯顆粒的增韌作用，阻礙了裂紋的發(fā)展，ZTA陶瓷產(chǎn)生明顯聲發(fā)射信號時的外力要高于氧化鋁陶瓷；由于ZTA陶瓷裂紋擴展時要克服氧化鋯顆粒對其的阻礙作用，因此當ZTA陶瓷裂紋擴展時釋放的斷裂表面能要高于氧化鋁陶瓷，所以ZTA陶瓷破壞過程中檢測到更多的聲發(fā)射能量。由于氧化鋯顆粒對裂紋的阻礙作用，ZTA陶瓷內(nèi)的裂紋不容易一直擴展下去，隨著載荷的增加，在其他位置發(fā)生微裂紋的成核、擴展，所以一般會檢測到更多的聲發(fā)射信號。根據(jù)這些聲發(fā)射現(xiàn)象可以更直接對ZTA陶瓷的增韌效果進行表征。 （3）陶瓷材料損傷斷裂為微裂紋發(fā)展演化的結(jié)果，而陶瓷材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生、擴展、匯合都會引起聲發(fā)射現(xiàn)象，聲發(fā)射累積特征參數(shù)能夠反映陶瓷材料內(nèi)部的損傷程度。利用聲發(fā)射累積事件數(shù)和累積能量計數(shù)可對陶瓷材料的損傷進行定量的表征，給出陶瓷材料在恒速率單軸壓縮載荷作用下的損傷演化方程。 （4）發(fā)展了一種利用聲衰減特性和能量參數(shù)相結(jié)合對聲發(fā)射源進行定位的新方法，并利用聲發(fā)射儀對材料以鉛筆芯斷裂作為模擬源進行一維和二維測試，證明這種無需聲速測量的新方法的準確性可以得到保證。 （5）通過對三種氧化鋁基陶瓷材料破壞過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號應(yīng)用時域抽取基-2快速傅里葉變換(DIT-FFT)算法，發(fā)現(xiàn)陶瓷信號頻率在50KHz-400KHz之間呈現(xiàn)一些明顯的多尖峰性質(zhì)，包含多種頻譜成分，說明陶瓷聲發(fā)射信號是由某些頻段信號疊加而成，產(chǎn)生的能量分布在某些較窄的頻段附近。將聲發(fā)射信號進行小波包分解，使其分解為不同頻帶的子信號，分別計算相應(yīng)子信號的能量特征值，定量的給出了裂紋成核及臨界失穩(wěn)前的聲發(fā)射信號頻率特征，并驗證了陶瓷材料壓縮破壞時，不同尺度的裂紋產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的頻率不同，尺寸越長的裂紋擴展時傾向于產(chǎn)生頻率更低的聲發(fā)射信號，利用該結(jié)論可有效的檢測陶瓷材料裂紋擴展前的危險程度。 （6）分析了Geiger算法中初值的選擇問題，可以利用最小二乘法獲得臨時初值，并將該初值代入Geiger算法進行迭代計算。利用該優(yōu)化算法進行了二維平面定位和三維空間定位的實驗驗證，并分析了定位精度。采用優(yōu)化后的Geiger算法對AD95氧化鋁陶瓷試件壓縮破壞過程中的聲發(fā)射源進行定位，通過陶瓷壓縮破壞過程中的聲發(fā)射源空間分布圖像，進一步分析了材料內(nèi)微裂紋的產(chǎn)生和擴展趨勢，進而對材料的破壞過程進行預測和判斷。
【關(guān)鍵詞】：陶瓷材料 裂紋檢測 增韌效應(yīng) 聲發(fā)射 小波包分解 定位算法
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O346.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-31
• 1.1 引言13-14
• 1.2 陶瓷材料斷裂力學研究概況14-22
• 1.2.1 斷裂韌性研究14-15
• 1.2.2 斷裂強度研究15-17
• 1.2.3 Al_2O_3陶瓷斷裂理論17-19
• 1.2.4 ZTA 陶瓷增韌機理19-22
• 1.3 聲發(fā)射檢測國內(nèi)外研究進展22-28
• 1.3.1 聲發(fā)射定位23-25
• 1.3.2 聲發(fā)射方法檢測裂紋狀態(tài)25-26
• 1.3.3 聲發(fā)射方法研究材料的破壞特征26-28
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容28-31
• 第2章 聲發(fā)射檢測技術(shù)31-44
• 2.1 引言31
• 2.2 引起聲發(fā)射現(xiàn)象的物理機制31-33
• 2.3 聲發(fā)射波的傳播及衰減特性33-38
• 2.3.1 波的傳播模式33-34
• 2.3.2 波的傳播速度34-37
• 2.3.3 波的衰減37-38
• 2.4 聲發(fā)射信號傳輸理論38-39
• 2.5 聲發(fā)射信號的特征參數(shù)39-40
• 2.6 聲發(fā)射檢測的信號處理技術(shù)40-43
• 2.7 本章小結(jié)43-44
• 第3章 基于聲發(fā)射特征參數(shù)的陶瓷材料損傷破壞研究44-62
• 3.1 引言44
• 3.2 陶瓷細觀結(jié)構(gòu)及力學特征44-46
• 3.3 陶瓷破壞過程的聲發(fā)射檢測實驗46-56
• 3.3.1 實驗設(shè)備47-48
• 3.3.2 實驗過程48-49
• 3.3.3 聲發(fā)射波形特征49-50
• 3.3.4 Al_2O_3陶瓷的破壞過程表征50-53
• 3.3.5 ZTA 陶瓷的破壞過程及增韌表征53-56
• 3.4 陶瓷材料損傷的時間演化模型56-61
• 3.4.1 損傷演化模型的建立56-57
• 3.4.2 基于累積聲發(fā)射撞擊的損傷演化模型57-59
• 3.4.3 基于累積聲發(fā)射能量的損傷演化模型59-61
• 3.5 本章小結(jié)61-62
• 第4章 基于聲發(fā)射頻率特征的陶瓷材料破壞研究62-81
• 4.1 引言62
• 4.2 聲發(fā)射頻率特征的理論分析62-67
• 4.2.1 裂紋源尺度與信號頻率的關(guān)系62-63
• 4.2.2 聲發(fā)射信號的快速傅里葉變換63-64
• 4.2.3 聲發(fā)射信號小波變換及能量特征值64-67
• 4.3 Al_2O_3及 ZTA 陶瓷破壞過程研究67-73
• 4.3.1 聲發(fā)射信號處理68-69
• 4.3.2 Al_2O_3陶瓷破壞過程的聲發(fā)射特征69-71
• 4.3.3 ZTA 陶瓷破壞過程的聲發(fā)射特征71-73
• 4.4 Al_2O_3陶瓷裂紋演化發(fā)展狀態(tài)檢測73-79
• 4.4.1 實驗材料及方法73-74
• 4.4.2 聲發(fā)射信號頻譜特征74-75
• 4.4.3 基于小波包分解的 AE 信號能量特征值分布75-78
• 4.4.4 分析與討論78-79
• 4.5 本章小結(jié)79-81
• 第5章 聲發(fā)射源定位方法研究81-100
• 5.1 引言81-82
• 5.2 時差定位法基本理論82-83
• 5.3 聲發(fā)射能量定位及實驗驗證83-88
• 5.3.1 波的衰減特性及能量分析83-84
• 5.3.2 一維定位及實驗驗證84-86
• 5.3.3 二維定位及實驗驗證86-88
• 5.4 Geiger 定位算法的優(yōu)化及在陶瓷檢測中的應(yīng)用88-98
• 5.4.1 Geiger 算法及初值優(yōu)化88-90
• 5.4.2 優(yōu)化后 Geiger 算法的實驗驗證90-94
• 5.4.3 Geiger 算法在陶瓷破壞檢測中的應(yīng)用94-98
• 5.5 本章小結(jié)98-100
• 第6章 結(jié)論和展望100-103
• 6.1 結(jié)論100-101
• 6.2 展望101-103
• 參考文獻103-114
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單114-115
• 致謝115

【參考文獻】

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本文編號：1068687