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技术与应用

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工程石墨声发射行为及其与结构性能

发布日期:2015-02-03 14:11    浏览次数:

摘 要 通过对多种工程石墨材料声发射行为的系统研究,探讨了石墨材料声发射行为的特征,发现并提出了石墨材料声发射数随载荷指数增加以及声发射振幅服从指数分布的规律,并从其微观结构的角度对声发射行为作了解释。在此基础上,对石墨声发射行为与结构性能的相关性首次进行了较为系统的定量分析研究。结果表明,石墨的声发射行为与晶粒尺寸、抗折强度、非线性程度等有着显著的相关性。因此,对在石墨材料生产检测中应用声发射技术具有一定的指导意义。

关键词 石墨;声发射;振幅分布;非线性行为
声发射是材料处于应力状态下产生的瞬态应力波。材料的声发射行为与其结构性能有着密切的关系,因而声发射已成为表征材料特征的一种重要手段。另一方面,通过对材料声发射
行为及其与结构性能的相关性研究,可以为材料的检测分析、质量监控及对结构进行完整度评价和安全监测提供依据。因此,对材料声发射行为的研究已受到许多材料科学和技术工作
者的重视。然而,就石墨材料而言,虽然有一些研究论文发表,但尚未见到较为系统的研究报告。本文报道作者对多种石墨材料声发射行为的系统研究,并在此基础上对石墨声发射行
为与结构、性能的相关性进行系统的分析。
1 实验概述
本实验共研究了八种石墨,分别用字母A-H表示。这些石墨分别应用于航天工业、核工业以及电弧炼钢工业中。所有石墨均加工成棒状样品,并在拉伸试验仪上以三点弯曲的方式加载,跨度与样品厚度之比为4:1,加载头位移速率为0.5mm/min。声发射监测与加载同时进行,声发射探测分析系统与文献介绍的相同。
2 结果与讨论
2.1 声发射的振幅分布
声发射信号的振幅大小直接与产生声发射的源事件释放的能量相关。因此,声发射的振幅分布反映了处于应力状态下,材料中声发射源事件的剧烈程度。通常,累计声发射振幅分
布可以用一个经验的指数关系进行定量描述:
 

其中a——振幅;a(0)——可测定的最小振幅,即传感器的阈值电平;n——振幅大于等于a的累计声发射数;N——所考虑的一段时间内的声发射总数,其大小反映了材料处于应力状态下微观动力学过程的活跃程度;b——常数,其大小反映了大振幅与小振幅声发射数在声发射总数中所占的比例情况。式(1)中,N、b是两个与材料特征有关的量。把振幅比a/a(0)以dB表示,再把振幅范围等间隔地划分为若干个通道,则式(1)可以表示为
 

其中R——与b及通道划分有关的常数,据此可确式(1)中的振幅分布参数b;C——与b值和声发射总数N有关的量;T——通道编号,T为某一值时与一定的振幅范围对应,其值为大于等于零的整数,通常按振幅从小到大的顺序排列。
图1为本实验中研究的八种石墨到断裂时的累计声发射振幅分布根据式(2)线性回归的结果,对应的b值列于附表中,由此可见:(a)对所有石墨,声发射的振幅分布都能很好地遵从式(1)所示的指数规律,表明在石墨的声发射中以释放能量较少者占多数;(b)对有些石墨,直至试样断裂时都不会出现较大振幅的声发射,如石墨A;而另一些石墨,如石墨F,则在加载过程中产生较多的大振幅的声发射,说明不同的石墨材料,其储存应变能的能力有较大的差异。
试验结果还表明:(a)当载荷加至任一数值时的累计声发射数都能很好地遵从式(1)所示的指数规律,且振幅分布参数b随载荷的变化而不同;(b)与累计声发射振幅分布类似,声发射数本身也服从指数分布规律。
 

2.2 声发射行为与载荷的关系
各种石墨当载荷加至W时的声发射总数Nw与直到断裂时的声发射总数Nf之比Nw/Nf(称为归一化声发射总数)和载荷W与断裂载荷Wf之比w/wf(称为归一化载荷)的关系曲线如图2所示。可见,大多数石墨在载荷较小时声发射数很少且增加缓慢;载荷继续增大时,声发射数则急剧增加。
定量分析表明,对各种石墨,归一化声发射总数与归一化载荷之间很好地遵从下述指数关系:
 

式中参数B与材料有关,其大小表示了声发射总数随载荷增加的快慢程度。各种石墨的B值如表1所示。
声发射振幅分布参数b随载荷的变化有两类不同的情况,分别如图3中曲线(a)和(b)所示。其中曲线(a)为石墨H参数b与载荷的关系曲线。可见,对石墨H,b随载荷的增加而增加,直到接近断裂载荷(W=0.85Wf)时b取最大值,其后b逐渐减小。这一关系说明:在载荷不太大时,石墨内部发生的非线性动力学过程以释放较小能量的事件,如晶粒的解理等为主;当载荷接近断裂载荷时,则释放能量较多的事件,如裂纹通过取向与断裂面成较大角度的晶粒扩展等所占的比例迅速增大。石墨H的这种行为文献从其加载过程中裂纹在不同相中扩展的机制上作了详细的说明与论证。


 

图3曲线(b)所示为石墨F参数b与载荷的关系。石墨F参数b随载荷不断减小的行为与石墨H存在较大出入,其原因可能在于石墨F晶粒较小且较均匀(d=1.30±0.1mm),而石墨H的晶
粒较大且离散也大(d=2.0±0.3mm)。石墨F这种比较均匀的结构及其晶粒较小而引起的晶粒择优取向较差,使得其在载荷逐渐增加时产生的较大振幅声发射也逐渐增加,从而导致b值的逐渐变小。


2.3 声发射行为与晶粒尺寸的关系
石墨声发射参数b、Nf随晶粒尺寸的变化关系已表示在图4中,其中(a)为直至断裂时的声发射总数Nf的自然对数与晶粒尺寸d的关系,回归分析表明,Nf与d之间的相关性是十分显著的,回归方程为


其中d以mm为单位。可见,声发射总数随晶粒尺寸的增加而指数增加。图4(b)为参数b的对数logb与logd的关系图。回归分析说明,d与b服从回归议程
 

其中d以mm为单位。式(5)说明,参数b也随晶粒尺寸的增加而指数增加。


可见,石墨材料声发射行为与其晶粒尺寸存在显著的相关性:晶粒较粗的石墨加载时将产生大量的声发射,并且小振幅声发射所占比例较大;而细晶粒的石墨则声发射较少,且小振幅声发射所占比例较小。
石墨材料声发射行为与骨料颗粒尺寸之间的上述关系可通过考察颗粒尺寸对结构的影响而得到解释。由于声发射信号的振幅与源事件释放的能量有关,对石墨材料,小振幅声发射
通常与释放能量较少的微观动力学过程,如晶粒中的位错、解理等过程相对应。对骨料颗粒较粗的石墨,由于其结构较为松散,加载时材料中无法储存较多的能量,因而在加载过程中
材料通过大量微裂纹的形成与扩展而不断释放能量,这就是导致粗颗粒石墨加载过程中产生的声发射多,且小振幅的声发射信号所占比重大。
相反,对细颗粒石墨材料,由于其结构比较致密,材料中可以储存较大的能量;同时,由于在制造过程中为获得小颗粒而采取的诸如颗粒粉碎等工序减少了颗粒上形成裂纹以及晶
粒解理等释放较小能量的动力学过程的可能性,因而在其加载过程中产生的声发射较少,且小振幅声发射信号所占比重也不如粗颗粒石墨大。
2.4 声发射行为与抗折强度的关系
材料强度是材料的重要参数。本试验在监测声发射的同时对石墨强度也进行了测定。声发射参数Nf、b与抗折强度δ之间相关性的回归结果如图5所示。图5(a)为1nNf与δ的回归结果,图5(b)为b与δ的回归结果。Nf与δ之间的回归方程为


其中δ的单位为MPa。式(6)说明,声发射总数随石墨强度的增加而指数减少。图5(b)所示直线对应的回归方程为
 

其中δ的单位为MPa。可见,b随石墨强度的增加而线性减少。
 

因此,石墨声发射行为与抗折强度之间也存在显著的相关性:抗折强度大的石墨将产生较少的声发射,并且其中小振幅声发射所占比重较小;而抗折强度小的石墨产生的声发射数较多
,且小振幅声发射所占比重较大。
正如所知,石墨材料的抗折强度与其全孔率之间有密切的联系,即其全孔率越大,则强度越小。因此,抗折强度大的石墨,其结构比较致密、均匀,相应地其中气孔或裂纹的尺寸
也较小。对这样的石墨,其中可以储存较多的弹性应变能。一旦应变能超过一定的临界值,使某处应力强度超过临界应力强度因子,则此裂纹将迅速扩展,直至断裂,这种近似脆性断
裂的过程由于释放能量相对集中,产生的声发射中振幅很小者所占的比重较小,从而使整个过程中产生的声发射较少,并且振幅分布参数b的值也较小。对抗折强度较小的石墨材料,由
于其中气孔或裂纹的尺寸较大,加载过程中材料内通常并不能储存较大的应变能,而是当应变能超过较小的数值时即以声发射的形式释放,因而产生的绝大多数都是小振幅的声发射。
仅当载荷接近断裂载荷时,才会产生可观的大振幅声发射。因此,它们在加载过程中产生的声发射数多,且小振幅声发射所占比重较大,因而b值较大。
2.5 声发射行为与非线性程度的关系
材料加载过程中的声发射是与材料中发生的非线性动力学过程密切相关的。因而,声发射行为与非线性程度之间必然存在某种联系。
石墨材料对线性行为的偏离程度可以用非线性参数k定量描述,且k值愈大,则石墨的非线性程度愈高。
几种石墨声发射参数Nf、b与非线性参数k的关系如图6所示。图6(a)表示logNf与k的相关关系,对应的回归方程为
 

说明石墨声发射总数随非线性程度的增加而指数增加。图6(b)表示振幅分布参数b与k的关系,图中直线对应的回归方程为
 

说明参数b随k的增加而线性增加。
 

式(8)和(9)所示关系的相关性也是显著的。因此,石墨声发射行为与非线性程度之间也存在显著的相关性:石墨的非线性程度越高,则其加载时产生的声发射数越多,且小振幅声发射所占的比例越大。
3 结论
a.石墨材料声发射的振幅分布服从一个经验的指数规律,即石墨声发射中以小振幅声发射占主导地位;
b.声发射总数随载荷的增加而急剧增加,这一关系可以用一个指数规律进行定量描述。振幅分布参数b随载荷的变化反映了裂纹在不同相中的形成过程,其规律随石墨材料的不同而
不同;
c.石墨材料声发射行为与晶粒尺寸存在显著的相关性:晶粒尺寸越大,产生的声发射越多,并且小振幅声发射所占的比重越大;
d.石墨材料声发射行为与其抗折强度存在显著的依赖关系:抗折强度越大,产生的声发射数越少,并且小振幅声发射所占比例越小;
e.石墨材料的非线性行为对其声发射有着显著的影响:非线性程度越高,声发射数越多,并且小振幅声发射所占比例越大。
参考文献(略)