شکست مواد کامپوزیتی چند لایه معمولاً شامل یک سری مکانیسم است که به طور متوالی فعال می‌شوند. اولین بیان آسیب ترک خوردگی ماتریس به صورت عمودی نسبت به جهت بار در مراحل اولیه بارگذاری است که به عنوان ترک عرضی یا بین لایه‌ای شناخته می‌شود. این ترک‌ها به عنوان نقاط تمرکز تنش در فاز میانی بین لایه‌های 90 و 0 درجه عمل می‌کنند. لایه لایه شدن ممکن است پس از ایجاد ترک‌های عرضی به رشد خود  ادامه دهد. در حالی که شکست نهایی مواد با پارگی لایه های الیاف طولی رخ می دهد.

تکنیک آزمون آکوستیک امیشن در کاربردهای متعددی برای شناسایی آسیب شکست مواد کامپوزیت استفاده می‌شود. حسگرهای مناسبی بر روی سطح قرار می‌گیرند تا امواج گذرا ایجاد شده در اثر شروع آسیب و انتشار در داخل ماده را ثبت کنند. علاوه بر این، AE با موفقیت در کامپوزیت‌های متقاطع به منظور جداسازی فعالیت صوتی حالت‌های مختلف آسیب، استفاده شده است.

روش آزمایش

به منظور پایش AE، دو سنسور باند وسیع (Pico، Physical Acoustics Corp.، PAC) در همان سمت نمونه متصل شدند. مقداری کوپلنت بین سنسور و نمونه زده‌شد تا اتصال صوتی را تقویت کند. آنها به فرکانس‌های 50 کیلوهرتز تا تقریباً 800 کیلوهرتز حساس هستند و حداکثر حساسیت آن در 500 کیلوهرتز است. بنابراین، آنها می‌توانند طیف گسترده ای از منابع مختلف را جذب کنند. فاصله بین دو گیرنده 70 میلی متر بود. شکل 1 تنظیمات آزمایشی را نشان می‌دهد.

تنظیم برای اندازه گیری انتشار آلتراسونیک و آکوستیک امیشن در شکست مواد کامپوزیت

شکل 1: تنظیم برای اندازه گیری انتشار آلتراسونیک و آکوستیک امیشن

برای اهداف اندازه‌گیری اولتراسونیک در حین خستگی، یک سنسور انتشار صوتی (R15، PAC) نیز به عنوان یک پالس استفاده شد. پالسر همانطور که در شکل 1 مشاهده می‌شود به نمونه متصل شد. یک انفجار تون با 10 سیکل الکتریکی 200 کیلوهرتز در هر 10 ثانیه توسط یک مولد موج (AFG3102، Tektronix) به مبدل تغذیه می‌شود و پاسخ سنسورها ثبت می‌شود. تنظیم برای اندازه‌گیری سرعت انتقال و پالس استفاده شد.

نتایج و بحث

  • نتایج تست مکانیکی

منحنی تنش/کرنش کششی معمولی یکنواخت برای لایه متقاطع مورد مطالعه در شکل 2 نشان داده شده است. استحکام استاتیکی کلی سیستم مورد مطالعه 13 ± 339 مگاپاسکال اندازه‌گیری شد. منحنی S/N برای همه ورقه‌های آزمایش شده در شکل 3 نشان داده شده است. نمونه ها در خستگی با پراکندگی تجربی منطقی رفتار ثابتی از خود نشان دادند. از آنجایی که هدف این مطالعه بررسی مکانیسم های آسیب متمایز بود، سطوح تنش به گونه‌ای انتخاب شدند که در محدوده تنش بین شروع و اشباع ترک‌های عرضی قرار گیرند که برای سیستم مورد مطالعه بین 30 تا 80 درصد بود.

[/fusion_text][/fusion_builder_column][/fusion_builder_row][/fusion_builder_container]

شکل 2: منحنی تنش کششی/ترک (a) و تنش کششی/AE برخوردها (b) در مقابل کرنش و زمان برای کامپوزیت لایه متقاطع مورد مطالعه

منحنی S/N در شکست مواد کامپوزیت

شکل 3: منحنی S/N برای کامپوزیت ورقه ورقه  لایه متقاطع مورد مطالعه.

  • AE از مراحل بارگذاری نتیجه می شود

شکل 4 یک مورد معمول از بار و فعالیت AE تجمعی را نشان می‌دهد. همانطور که چرخه‌های بارگذاری شدیدتر می‌شوند، فعالیت AE به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. از تعداد ناچیز سیگنال در اولین چرخه بارگذاری، فعالیت به بیش از 15000 سیگنال در چرخه نهایی می‌رسد. این افزایش معقول است زیرا با افزایش بار، ترک‌های ماتریس جمع می‌شوند در حالی که لایه‌برداری‌ها فعال می‌شوند و در سطح مشترک 0.9 منتشر می‌شوند. تعداد تجمعی ضربه‌ها به خوبی با بار تحمل‌شده توسط کامپوزیت در هر چرخه مرتبط است. همانطور که در شکل 5 مشخص است، جایی که تمام داده‌ها برای سه نمونه مختلف آزمایش‌شده در شرایط یکسان نشان داده‌شده‌است.  واضح است که، همبستگی قوی نشان می‌دهد فعالیت تجمعی ممکن است به عنوان شاخصی از بار اعمال‌شده به مواد استفاده شود. این همبستگی پدیدار شناختی از اهمیت ویژه ای برخوردار است زیرا (1) امکان تخمین بار بر اساس مشاهده ساده را فراهم می‌کند حتی اگر بینش فیزیکی در مورد مکانیسم های پشت فعالیت AE وجود نداشته باشد و (2) ارتباط مستقیم فعالیت صوتی را با تاریخچه بارگذاری و در نتیجه خسارت تجمعی را ایجاد می‌کند.

بار و تاریخچه تجمعی AE در شکست مواد کامپوزیت

شکل 4: بار و تاریخچه تجمعی AE

فعالیت AE در مقابل حداکثر بار هر چرخه در شکست مواد کامپوزیت

شکل 5: فعالیت AE در مقابل حداکثر بار هر چرخه

  • اندازه گیری انتشار موج

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، برای اندازه گیری انتشار موج، دو سنسور AE با مبدل دیگری که به عنوان یک تقویت کننده عمل می‌کند، ترکیب می شوند تا اندازه گیری سرعت موج و انتقال را در طول بارگذاری خستگی انجام دهند. سرعت موج با تأخیر بین اولین اختلال قابل تشخیص بین شکل موج دو مبدل اندازه‌گیری شد. این را معمولاً به عنوان سرعت پالس می‌نامند. در بیشتر موارد مربوط به جریان غالب طولی مانند لایه لایه هایی است که انرژی کمتری نسبت به رویدادهای ترک خوردگی ماتریس در این ماده منتشر می کنند. همانطور که در بالا ذکر شد، شکل موج اطلاعاتی را در مورد حرکت ترک منبع نشان می‌دهد که منجر به سیگنال مربوطه می‌شود.

نتیجه گیری

در مطالعه حاضر، رفتار آکوستیک و اولتراسونیک لایه های متقاطع تحت بارگذاری مورد بررسی قرار می‌گیرد. فعالیت آزمون آکوستیک امیشن به شدت با تجمع آسیب در بارگذاری پله کششی افزایشی مرتبط است، در حالی که شاخص‌های خاص حساسیت به حالت ترک (ترک ماتریس یا لایه لایه شدن) را نشان می‌دهند. به طور خاص، میانگین انرژی سیگنال‌های AE با تغییر آسیب از ترک خوردگی ماتریس به لایه لایه کاهش می یابد، در حالی که مقدار RA، پارامتری که به طور گسترده برای مشخص کردن حالت آسیب در مواد استفاده شده‌است، تغییر خاصی را از حالت I (کششی) به حالت II (برشی) نشان می‌دهد. برخلاف مواد همگن ایزوتروپیک، این کامپوزیت‌ها هنگامی که دچار ترک خوردگی و جدا شدن بیش از حد بین لایه‌ها می‌شوند، افزایشی در انتقال موج و سرعت پالس نشان می‌دهند، همانطور که از اندازه‌گیری‌های سطح در طول خستگی کششی اندازه‌گیری می‌شود. نتیجه‌گیری می‌شود که مطالعه قرائت‌های فراصوت و پارامترهای انتشار آکوستیک می‌تواند برای توصیف سلامت ساختاری کامپوزیت‌ها در زمان واقعی استفاده شود.

 

دانلود مقاله شکست مواد کامپوزیت –پایش وضعیت با آکوستیک امیشن

print