（材料加工工程专业论文）cuw复合材料的超声波探伤.pdf

独创性申明 秉承祖嚼优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 f 迸论文是我个人在导师指导t 下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特另l j ) j h 以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所沦述的工作的任何贡献均已在论文中作r 明确的 说i ! l _ j 并已致谢。 本论文及其卡r 关资料若有小实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：熟口多年，护月，护l i 保护知识产权申明 本人完全了解孵安理工大学有天保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位删问所取得的所仃研究成果的知识产权属西安理工人学所有。、 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许叮，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阏；学校可以公布本论文的全部或部分内容可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( j j u 密学位论文解密之前后以上申明同样适用) 论文作者签名导师签名：握查型。；乍，。月，莎日 摘要 c u w 复合材料的超声波探伤 嘉：篡。签必寻作者：樊得平( 签名) 7 飞。 导师：范志康教授 ( 签名) 益查蕉 副导师：刘学敏教授级高工 ( 签名) 主4 i 毖v - - , , _ 摘要 本次实验通过设计和制作对比试块，利用数字超卢探伤仪研究了烧结 w c u c u ( c r c u ) 结合面粘结缺陷的超声探伤问题。分析了结合面粘结缺陷的超声探 伤特性，通过统计总结了不同深度结合面探伤的规律性，弗在此基础上提出了结合 面的探伤方法。研究结果表明： 1 触头c u w c u ( c r c u ) 烧结面不是一种理想的结合面。 2 触头c u w c u ( c r c u ) 烧结面烧结状况可以通过比较界面反射波波幅来反映。 3 触头烧结结合面探伤受结合面的尺寸，形式及探头等因素的影响。 4 在给定探伤条件下，对较大的中心截面和边界小台阶面可选用不同的探头 探伤，触头烧结状况可以通过实验的波幅一距离曲线进行判定。 关键词：c u w 复合材料，超声波，结合界面，探头 a b s t r a c t s u b j e c t ：s t u d yo nu l t r a s o n i ct e s to f c u wc o m p o s i t e s p e c i a l i t y ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：d p f a n( s i g n a t u r e ) 旦金 i n s t r u c t o r ：z k f a n x 1 1 1 l i u ( s i g n a t u r e ) 左： ( s i g n a t u r e ) ，幽：出 a b s t r a c t t h isp a p e rin v e s t i g a t e dt h eu 1 t r a s o n i cn o n d e s t r u cl iv et e s t in g ( u n d t ) p r o b l e mo nt h eb o n d e dl a y e rb e t w e e nw c ua n dc u ( o rc r c u ) w h ic h isa ni d e a l a n dw i d e l yu s e dm a t e r i a lf o rc o n t a c t ，b yu s i n gd i g i t a lu i t r a s o n i ct e s t i n g d e v i c et h r o u g hd e s i g na n dm a n u f a c t u r e a p p r o p r l a t er e f e r e n c eb l o c k s i t a n a l y s e dt h eu n d tc h a r a c t e r is t i c o ft h e o in tl a y e r ，s u m m e du pt h ew a v e a m p i i t u d e sa td i f f e r e n td e p t hb ys t a t is t i c ，a n dt h e np r e s e n t e dt h ete s t i n g w a y sw i t hu t r a g o n i c t h er e s u l t siss h o w e da sf o i l o w s ： 1 t h eb o n d e dl a y e rb e t w e e nw c u a n dc u ( o rc r c u ) i sn o ta ni d e a lb o n d l a y e rf o r t h ec o n t a c t ： 2 h eb o n d i n gq u a lit yf o rw c ua n dc u ( o rc r c u ) c a db ei n d i r e c t l ys h o w e d b yt h er e f l e c t e dw a v ea m p i i t u d eo fu 1 t r a s o n i c ： 3 t h et e s t i n gf o rw c u a n dc u ( o rc r c u ) i sl i m i t e db ys u c hf a c t o r sa s t h es i z ea n ds h a p eo ft es t i n ga r e a ，t h es i z eo f t h ep r o b e ，a n ds oo n 4 u n d e rt h eg i v e oe o n d i t i o n ，t h eu n d tf o rt h el a g e rc e n t e ra r e aa n dt h e s m a l l e ro u l 2 e s t e pa r e am u s tu s et h ep r o b ew i t hd i f f e r e n ts iz e s ，t h eb o n d i n s q u a l i t yc a nb ee v a i u a t e db yt h ee x p e r i m e n t e da v gc u r v e s 西安理工大学工程硕士专业学住论文 k e y w o r d s ：c u wc o m p o s i t e t h eb o n d e dl a y e r u l t r a s o n i c t h ep r o g e 第一章丈献综述 1 文献综述 1 1 复合材料无损检测技术及其应用 复合材料是由两种或两种以上固相物质所组成，它具有传统单一材料 不可能具有的优越性能，如可对原有组分的性能取长补短，使其在构成上 更为合理，在功能上更为有效如由增强相和基体相构成的复合材料增 强相丰要是支撑承载相，基体相丰要是连接相，通过界面的不同复合f 艺 和铺设使复合材料具有不同的性能1 因此，复合材料在现代工业上广泛 应用，而且复合材料以其强度、剐度、耐高温高压和比强度、比弹性模量 高，尺寸稳定性、可设计性好等优点，被公认为是宇皖工业中火箭、导弹、 卫星、宇宙飞船和航天e 机等的理想新材料”i 。 在复合材料原料生产、结构设计、制造加工、库房储存和使用维修中， 都需了解和提供质量信息，无损检测则是提供这一信息的重要技术手段。 现代意义的无损检测技术是随各种测试技术、材料科学、电子技术与物理 科学发展而发展起来的综合技术。它已成为工业中提高产品质量，促进技 术进步不可缺少的手段，特别随着新材料、新技术的广泛应用，各种结构 零件向高参量、大容量方向发展，不仅要提高缺陷检测的准确率和可靠性 而且要把传统的无损检测技术和现代信息技术相结合，实现无损检测的数 字化、图像化、实时化、智能化。 无损检测技术在现代工业的各个方面都有着广泛的应用，体现在改进 产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及设备服役的各个阶段：体 现在新材料和新技术的研究中；也体现在保证机器零件、最终产品的可靠 性和安全性上 。、j 。世界各国对无损检测技术的研究部非常重视。例如美国 为了保持它在世界上科学技术的领先地位，早在1 9 7 9 年的政府工作报告 中提出要成立的六大技术中心中，无损检测技术便是其中之一：r 本最近 西安理工尢学工程硕士专业学位论文 制定的2 1 世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中，也把无损 检测放在十分重要的位置。另外，无损检测技术所能带来的经济效率也是 明显的目前我国的投入不比同本少，而占国民生产总值只有f l 本的三分 之一左右，这种现象主要是由于我国产品质量上存在问题而导致大量产品 报废所致。据测算，我国不良品的年损失约2000 亿元。再者，无损检测 的经济效益还表现在产品的竞争能力上，在无损检测技术支持下提高产品 质量和可靠性，是保证产品进入国际市场的决定性因素之一。例如，日本 小汽车生产中3 0 零件采用无损检测后质量迅速超过美国，市场扩大而 严重威胁美国的汽车工业；德国奔驰汽车公司对汽车的几千个零件全部进 行尤损检测后，运行公里数增加一倍，大大提高了产品在国际市场的竞争 能力。 目前，国内外工业上应用的无损检测技术主要有射线探伤方法，磁粉探 伤方法。着色探伤方法，涡流探伤方法和超声探伤方法。这几种无损检测 方法在实际复合材料探伤过程中都有不同程度的应用。例如，在国内外通 用的复合材料检测标准中关于“复合材料结构和零件检测”的f g g 5 9 8 0 无损检测标准中就同时涉及到了超声探伤和射线探伤方法的应用f ( ”。 但是，由于复合材料的多样性和特殊性，用评价金属材料无损检方法 来评价复合材料的完整性，在许多场还有待遇于步探讨和研究。目前， 尽管有多种方法可用于复合材料的检测，但其中以超声检测方法较有效和 方便，发展也较快。这是因为超声波穿透力强，传播能量大，方向性好， 灵敏度高，在介质内传播遇到缺陷时会产生界面反射或声速和能量的衰减 变化，从而达到有效的检测缺陷的目的。此外，超声检测还具有对人体无 害，使用方便和投资低廉等优点。这就决定了超声检测在复合材料质量监 控中的地位及必然的新发展。 第一章文献综述 一一 1 2 超声检测技术在复合材料检测中的应用 超声法检测复合材料是利用声波在固体材料传播过程遇到异质界面 时会发生声柬的反射，折射和散射作用的基本原理1 7j ，通过换能器或探头 发射和接收声波信号来反映材料中的不连续性或者缺陷状态。由于复合材 料的种类繁多，材料性质各异，实际应用中应结合材料的特点加以分析运 用。例如，对于大多数各向同性的颗粒增强金属基复合材料而言，由于其 增强相尺寸通常较小( 微米级或纳米级) ，超生检测过程就可以当作钢材 探伤处理，其中缺陷的检测方法和处理方法和钢材缺陷类似。而对于一些 特殊的复合材料而言，要采用一些特殊的方法来进行：检测。如烧结复合材 料而言，因为几乎所有烧结材料都有一定的残余多7 l 性，有的是有意希望 的( 如烧结铁) ，有的是烧结过程中不可避免的( 如烧结钨、硬会属) 。对 于多孔性或烧结度，可以通过测量材料的声衰减或声速束进行测定若利 用声衰减的测量，则探测频率通常选得高于一般材料检验所用的频率，使 得细孔直径不再远小于波长，这时多孔性对衰减影响较大。若利用声速的 测量来测定多孔性或烧结度，是基于总体的细孔体积而不是各个细孔的尺 寸或数量对声速减小的影响，所以频率可选用一般材料检验所用的频率。 再如，对于大多数纤维增强级复合材料而言，因为其是用数层基体不同或 相同结构的纤维粘接而制成的。根据设计要求，纤维层都是将纤维朝各种 方向堆起的。结果是不均匀性、各向异性的层状特性妨碍了为各向同性材 料制定的无损检测方法难以应用到复合材料上。 超声检测技术在复合材料检测中的应用是由超声技术和复合材料的 特点共同决定的。 首先，从超声技术本身来讲。超声是一种震动频率较高的波。这种波 在穿过固体的过程中，如果遇到界面时会发生声波的反射，折射和波形转 换。借此，可用来测量整个体积内的材料性能及其变化。这种内部检查比 其它只测量表面的技术更有优势。固体表层所显露出的很多性能与整块材 西安理工大学工程硕士专业学位论文 科的性能足不同的。如果对表面的特性感兴趣，也可用超卢表面波来评价 其近表面区域。这种波的穿透深度随频率的降低而增大，因而可以对材料 作不同深度的检肖。而且，已发现许多种波可用于检测异种材料问的界面。 超声检测作为一种重要的无损检测技术不仅具有穿透能力强、设备简 单、使用条件和安全性好、检测范围广等根本性的优点外，而且其输出信 号是以波形的方式体现，使得当前飞速发展的计算机信号处理、模式识别 和人工智能等高新技术能被方便地应用于检测过程，从而提高检测的精确 度和可靠性。还有，随着工程断裂力学和损伤力学的发展，不仅要对被榆 对象中缺陷的存在性及其类型、尺寸、形状、取向等加以检测，而且还要 对被检对象的使用寿命进行估算。再者，随着大工业自动化程度的提高， 要求把无损检测技术直接运用在机器生产的每一步，以便能够实现在线检 测和实时监控】。而所有这些需求，正好使超声无损检测发挥出其独特的 优势。 其次，从复合材料本身来看，复合材料制品的成型工艺主要有：纤维 模压、短纤维或颗粒挤压、纤维缠绕、布片缠绕、布片层压和手糊成型等 多种。 复合材料制品中常见的缺陷，通常来自增强材料、基体材料、制造工 艺过程、成品装运、库房贮存和基体维修等方面。由于原材料及制造工艺 彳i 当或失控造成的缺陷形式，主要有两大类： 1 ) 整体性的，或叫微观的隐蔽性的缺陷，如气孔、疏松、微裂纹、 分层、纤维体积百分比超差( 富脂或贫脂) ，以及环境造成的性能下降等。 2 ) 局部性的，或叫宏观性的暴露性的缺陷，如气孔、分层、裂纹、 大块疏松和央杂等。 由于复合材料具有材料设计与产品结构同时形成这一双重特点，即复 合材料组成及其制品的最终形状，可由增强材料和基体一次成型而成，即 使对于某些特大尺寸的复杂曲面件，也可一次成型，通常二次加工量较少 或不再进行加工。而且所有成型工艺均需在定的压力于温度下进行同 4 第一章疋献综述 一- 一 化，往往由于原材料及成型工艺不当或失控，复合材料的缺陷，总是集l 地产生于最终的制品构件中。 因此，针对复合材料中出现的不同缺陷，实际应用中采取不同的检测 方法。复合材料制品超声检测时，由于材料本身的不均匀性、各向异性、 声速低、阻抗小、衰减大和噪音水平高等特点，问题比较复杂，检测难度 较大。早期主要采用穿透法，由于原理上的限制，其精度较低，且难以分 辨缺陷性质和对缺陷深度进行定位故后来逐渐为脉冲回波法( 即多脉冲 反射法) 所取代。尤其是宽频带、窄脉冲、大功率、高阻尼冲击波探头的 出现，使检测灵敏度大大提高，再加上脉冲回波法获得的信息较多，可有 效地检测复合材料制品中的裂纹、分层、夹杂和大于波长l 2 的空隙缺陷， 并给缺陷的定性分析和深度定位提供了方便。因此，超声脉冲回波法在复 合材料制品的检测中得到了广泛应用。 美国d r e x e l 大学j lr o s e 教授等对复合材料的超声检测做了大量研究 工作，认为用斜超声波或定向波比直波可以获得更多的信息，从而对复合 材料不同形式的缺陷做出更有效的评定。认为用反射波、剪切波、临界角、 背面接收等技术可较好地检测局部性的气泡( 或气孔) 、分层、夹杂和裂 纹等缺陷，此时一般采用采用带喷射器的探头，由反射信号的频率及振幅 的变化信息来判断缺陷情况，加上借助计算机对特性值进行分析后可使检 测结果更为有效可靠。用纵波、平面波、表面波等检测整体性的疏松、微 裂纹、纤维体积百分比超差等缺陷较有效。由于此时是用超声测速或信号 衰减变化来进行判断的，变化值较小，故需用高分辨率的探头。复合材料 制品不同形式缺陷的超声检测方法如表i 所示i 。 通常在要求高强度重量比或高刚度重量比的应用场合，常常使用复合 材料。复合材料具有引起制定设计标准和无损检测方法均较为困难的 复杂断裂机理。而大多数复合材料是用数层基体不同或相同结构的纤维 西安理_ t - 大学工程硕士专业学位论文 表1 - l 复合材料制品不同缺陷的超声检测 4 缺陷类型 局部局部域整体恪体 气泡冲分层穿空隙度由环境纤维埘材抖粘 超声检测芳汝击损伤透性裂纤微含引起的脂微小陛 微裂纹纹量分层性能f疲劳裂 微裂纹降纹 i 直纵向波 ar a i ，! ， a 1 1， a i - 3 ， a j 射w 3 w a w ! 法 剪切波 a da drrra j 斜全准纵向法 p 3p 2p 2w 【 p ia d 射方 准剪切波a i p p i 3 r a i - 3 a d 法 俺 准剪切波( 横)p ，w l 一5p ，w i 一5w 4 5 rw 4 5rw 4 一s rw 4 - 5r 法 背面接收 p pa w 5 p h l 临界角 pp ppp a 4 定平面波 a2 ，w i 3 p 2 ，w i 5a z ，w i 5p 2 ，w ja 2 w l ， p d 向界面波 rprrrr 法 f 表面波 p l ，w 3p lw 2 p lw 2p 1 1 w 2p 】，w 3 n 表面波 p 1 ，w 3p lw 2 p l w 2 a 2 w 2 a2w 3a d 注：a 一一有效：1 一对厚i 件，2 一对薄i y t 。，3 - 速度和衰减t 4 - 需附加信号 p 允许或可行：l 一对厚上竹2 - 对薄工件，3 - 速度和衰减，4 - 需附加信号 w 避免：i 一厚度补偿，2 假定表面均匀，3 - 假定均匀，4 - 有凼雉，5 - 积累经验 少r 不刚： 粘接而制成的。根据设计要求，纤维层都是将纤维朝各种方向堆起的，结 果是不均匀性、各向异性的层状特性妨碍了为各向同性材料制定的无损检 测方法难以应用到复合材料上。而比较特殊的一类应用是关于复合层压材 料的探伤应用。在航空系统中常使用三种复合材料系统：石墨坏氧( 对 精密结构) 、玻璃环氧和塑料环氧。石墨纤维的直径在lum l o “r r j 范围中变化，玻璃则在5pm 1 5 m 。在复合材料结构的加工和使用过程 中，常常导致诸如分层、央杂、气孔、凹坑等几种类型的不连续形缺陷， 这类缺陷的特点是缺陷分层比较集中，为此可以利用超声反射特性束检测 时至今只，复合材料超声检测技术已经得到了较快的发展。国内外已 经相继出台的一些相关的检测标准列举如下表1 - 2 。 第一章文献综述 表1 2复合材十： 捡删的相艽际准汇纬6 ，j ：准名称适州范围探伤方法所_ l j 试块 ( 1 ) 主要适川r 锅炉、压a 纵波脉冲反庄本标准中对比式样 力容器、原子反应堆、贮射法：虑选h 与被榆复合钢板 罐博使用的复合钢板的超 b 耦台方式采的规格、材质、热处理 卢波探伤，也可供其他用 用水浸法或f 艺柯f 表面状态相同戚 g b 7 7 3 4 途的复合金属板超声波探接触法：相似的复合钢板制备。 8 7 伤时参考。c ，检验结果根对比试样的尺寸硐j 形状 复合钢板( 2 ) 标准适用于总厚度据被检复合如附图a 所示。 超卢波探8 r a m 以上的轧制复合钢钢板术结合 伤方法的 板、爆炸压接复台钢板以同波与对比 标准及堆焊复合钢板。其他特试样的人i + 蛛规格冉勺复合钢板的探伤 缺陷同波幅 由供需双方协商解决。度的比较米 ( 3 ) 标准所述的探伤方法确定。 主要j h 丁检验复合钢扳复 合免得术接合。基板和复 扳的质域要求应符合制造 复合钢扳的技术条什。 适用于a 型脉冲式超 a 探侧面选择在t 块的材料，厚度剂光 卢波探伤仪检查以爆炸焊母材一测探伤： 洁度均应与探头放置以 接，离心浇铸，冷、热轧 b 采用直接接触 测的材料相同或相接 c b z 2 1 1 制，堆焊以及粉末冶金等 法间隙和水冲 近，其尺寸规格为4 0 8 4 船用 方法制成的船用金属复合 法： 4 0 6 金属复合 材料的未接合缺陷。其他 c 表面租糙度凡 材料超声 用途的复合材料的未结合不大丁5 0um ： 波探伤 缺陷的检查也可参照本文 d 耦合剂选择机 什。 油，甘油水和 不适用于声阻抗比值 化学浆糊等i 大于3 的复合材料检测。 e 灵敏度以被检 对于木材厚度小于6 r a m 测部位回波 符合厚度小丁i m m 祁曲 8 0 1 0 0 j , j 准： 率、f ，径小于1 5 0 r a m 的复 合材料的检查，推荐采_ 【_ f j 其他方法。 西安理工大学工程硕士专业学位论文 本规范规定复合材i 型超卢穿透法a 怀准f tj 、i 庄蒙皮胯 f g g 5 9 8 0 料零件和结构内部质量 ( t t u ) 或脉冲同度、材料类叩j 、丧面粗 复合材料无损检测的必要控制、波浸渍法域脉冲 糙度、胶粘刑年迎接介 零什和结艺规程和要求，这里只限回波水柱法质、内部结构干制造i 构的无损于本标准所述无损检测i l 型用耦台剂艺等能模拟受捡竹的 检验方法包括的范围。的超声接触法 形状和复杂性。 i i i 型不用耦合b 标准什戍含有图纸 剂的超卢接触法 或引用规范所允许的 i v 型射线照相最大尺寸的典型缺陷。 1 3 复合材料超声检测技术的新进展 原有的超声检测技术都是采用纵波反射法，只能得到一个方向上的信 息，故损失掉其他方向上的很多有用信息，从而大大影响了对复合材利制 品不同类型缺陷做出有效和准确评判。为了获得材料制品的有效信息，幽 外已在研究采用斜射声波或定向波进行检测，以从不同方向上获得尽可能 多的足够信息，表1 - l 已对此做了综合性介绍。 复合材料制品微气孔含量、纤维体积含量是决定材料性能的两个重要 参数，研究其无损测量方法对有效地评价复合材料性能，确保复合材料构 件的安全使用具有重要意义。对此，国内外开展了大量的研究工作，过去 主要采用超声幅度法测定微气孔含量，在纤维体积的无损测量方面尚未取 得有效进展。近年来，我国的北京材料工艺研究所和美国d r e x e l 大学 jl r o s e 教授等，在这方面做了大量研究并取得了进展。 r o s e 教授采用的是超声斜波检测技术。图1 - 1 为空隙率和纤维含量对 表面波速度的影响，如改变斜波的频率范围，可对材料不同厚度下的缺陷 进行检测。 但改变入射角时，对不同空隙率的材料，会有不同的反射系数，在空 隙率变化部位，反射系数有极小值，此时即为临界入射角( 图1 2 ) ，因而 可将两个临界角( 第二、第三) 同对应的空隙率和纤维含量成一关系图( 图 箜二兰墨丛苎兰 一 一。 1 3 ) ，可见当空隙率增加3 时第二临界角改变6 。，实际使用时，将入射 角固定而改变频率，可以对复合材料做出定量的分析。 我国采用的是频谱分析测量技术。所使用的测量硬件系统如图l - 4 所 示。由超声波探伤仪激励探头发射一窄脉冲超声信号，并接受该信号在复 合材料构件上、下表面的反射信号，再由a d 转换器将所接受的超声信号 数据化存入微机中，进行频谱及计算分析，从而得出被测处的微气孔含量 和纤维体积含量。 萋磊j 铲- s - q l !：】f1 ：一 。，：! ；：= 力；，0 ： 以，：；一o ：j - “ k ：# 岁。+ 。 f ：，j j ：。 i ? 一，7 二 1 ，c ，”：i 二1 = 1 ：1 il 。1 、 孙 譬，“ ，。b ，一i ”z + 妊：一1 ；二 ：1 耵! 穿膏r 一! i 帝n l ：口i 图卜3 临界角与空隙率、纤维 吉量的关系 图l 一2 空隙率! 辇磁写入射角 反射系数的关系 照镰傩 圆吨一：蜀揖- 一一一一 ： ，一， ，十t j 一：jk 。d i 人 c i = = = ) = = ：二 i 捧伤戗2 充水探头3 “d 转换器4 微机5 时域婊瑾6 幅度谱t 衰减系数谱8 相位谮 9 相速度谱1 0 工件 图1 4 超声频谱分析测量系统 测量微气孔含量时，超声波在材料中的传播过程如图1 5 所示。入射 波p o 在被测件上表面形成反射波p 和透射波p i ；p 1 经过材料衰减后在 西安a _ r - 大学工程硕士专业学位论文 破测件下表面反射，到达上表面时为 p ；再形成透射波户2 、反射波p 3 ， 其中为探头所接收的是p 1 和p 2 。 目前国内外普遍采用的方法是测 量p 1 和p 2 脉冲信号幅度，计算超声 波在材料中的衰减系数，按照在样品 上用破坏性测量的方法得出n 一一 微气孔关系图线，求出被测件的气孔 含量。s t o n e 和c l a r k e 在研究碳环氧 复合材料的幅度法测量时，曾测出在 儿种不同频牢的超声波信号下，衰减 系数与材料微气孔含量关系髓线，提 出该材料的衰减系数与超声波频率的 1 2 7 次方成j 下比。我国学者通过分析 计算p l c d p z c d 信号幅度谱得出n p o 9 牛、 p 2 jl r 一 一 p r 图1 。5 超声波在材料中的传播过群 圈1 - 6 傲气孔含量一- - k o 关东曲线 ( f ) 7 频谱。以n ( f ) 一oo k o f z 7 拟台n ( f ) ，选用最佳拟合 时的k 。作为微气孔含量无损测量的特征参数。按照在样品上用破坏性测 量方法测出的微气孔含量值，得出k o 微气孔含量关系曲线( 图l 一6 ) 。 据此即可对被测件进行微气孔含量的无损测量。 复合材料纤维含量超声检测时，材料纤维体积含量的变化对超声波能 量基本无影响，而对超声波传播的相速度有较大影响。因此，可以通过测 量相速度或与相速度有关的量来测量材料的纤维体积含量。复合材料对超 声波信号传播的色散性决定了用常规的测量波传播时间的方法不能测定 相速度，必须寻找其他途径。我国学者将中1 ( f ) 、中2 ( f ) 超声波相位分 别选为p 1 ( f ) 、p 2 ( f ) 相位谱，考虑超声波在材料下表面反射时的相位 差，利用公式计算出超声波在复合材料中的相速度f ( f ) 。 第一章文献综述 一一 在测晕：纤维体积含量时，如果向速度作为测量琴数则1 雷要测定的 中1 ( f ) 、中2 ( f ) 相位谱，传播时删和传播距离l o 、l ，一般以材料厚度 的两倍咎代。但在实际产品测量时，测量 为此，不谋求计算r ( f ) 的绝对值，而是 表征相速度随频率变化状态的特 征参数，以此作为纤维体积含量的 测量参数。按照在样品上用破坏性 6 测量方法测出的纤维含量值，可得 出特征参数一纤维体积含量关 。c 系曲线，据此即可对被测件的纤维、 体积含量进行无损测量。图l 。7 为 、 g _ - 廊而e ( 1 丽- v ) = 斫( 1 - 1 ) 式中u l 和u s 是在各向同性大块材料中的纵向和剪切波速。对于象定 向复合材料这样的各向异性材料，上述关系式必须加以修i f 。例如：对于 单轴排列复合材料 “；= 堑( 或，当五d 时“；= 堑) ( i - 2 ) p tp o 由此可以预测报出结果 西安理工大学工程硕士专业学位论丈 “譬g 蹲( 或，当五d 时， ，( 卜璺，+ 庙。 。 3 ) “( ! 二监! 些- t 7 、 h l 1 一f ) p 。+ f p ? ? 对刚性( c 一张量) 和杨氏模量( e 3 ) 使用了混合法则。 超声波刚性测量的主要优点是： 应力和应变值很低； 测量的高敏感性( 对a 1 s i c i ”】，约为0 7 ) ； 对小试样快速测定刚性的能力。 波速可以由数种方式来决 定”f ，最简单的是第一脉冲的飞 行时间或者是连续面与面f 日j 的 时f d j 延迟( 见图1 8 ) 。假定波长比 微观结构尺寸要长则可以得到 与刚性静态测量相一致的结果。 当超声波波长与微观结构尺寸比 较接近时，将会发生从复合试样 过渡到各独立相试样。这已经在 细尺寸( 铝中直径1 2 5 且m 的硼) 和孝r 尺寸( 2 甲丙烯酸中直径为 留妇蛊 】 压电惜感器 ! 魏撮燕收1 4 匾蓝互卜j 2 0 0 0um 的铁) 的连续增强材料中，用5 m h z ( 约为1 0 0 0 “m ) 的超声波的 试验中得到了证实【1 4 1 。对细小尺寸系统的表面位移测量表明，尽管硼纤维 和铝基体的位移幅度不同，但脉冲所到达的时间是相同的。相反，在2 一 甲丙烯酸铁系中的表面测量表明，信号在基体中的到达要迟于增强体。 对于复合材料刚性随增强体含量和长径比的变化采用合适的理论模 型( 例如e s h e l k y 方法) ，速度的测量可以用来评价增强体的体积分数。 如果复台材料的密度己知，一个合适的刚度模型可以用束计算残留的空隙 第一章文献综逆 瞧，这样速度( 口1 1 刚发管度1 的测量可用求f 司时预估算宅隙和增懂体的 含龟i 。j i gs , l ，由十在一定的条件下不向波( 例如纵阀和剪切) 的波速受空 隙存在的影响不同所以两种类型波速的测量口丁以结合起来，同时给出增 强体的含量和空隙度的信息”i 。 1 4 钨复合材料无损检测现状和超声检测特点 随着钨复合材料在电工触头材料中的大量应用采用无损检测技术有 效的控制粉末冶金产品质量，保证生产效率，降低生，扛成本已成为一门新 的研究课题。钨合金材料作为侵渗体材料具有许多不容置疑的优点i 】7 1o 但 钨合会材料的生产加工比较困难，在混料、压制硐i 烧结等过程中，常常因 乍产l 艺质量控制不严而出现孔隙、孔洞和央杂等缺陷，甚至产，生裂纹。 这些缺陷对侵渗威力有严重影响。因此，合适的无损检测方法对j i 控制超 标缺陷产品作用甚大。 钨作为x 射线高衰减材料，难以用通用能量的x 射线进行检查。此外 钨合金作为粉末冶金烧结材料，又不可避免地会产生残留气孔【博】，对声能 产生较大衰减。采用超声液浸方法检查时，其界面垂：直反射率很高，加之 侵彻体柱体的曲率半径小，致使超生入射声束有效能量降低。因此采用常 1 = f j 的超生缺陷回波法检查诸如孔隙类反射率较低的缺陷明显不足。这就有 必耍寻找其他更为有效的方法来加以补充l 。 溶渗法是粉末冶金领域正在发展中的一种固结成型工艺。它是生产低 熔点金属和高熔点金属假两相复合材料理想的成型方法。与粉术冶会中另 一种广泛应用的成型方法混粉烧结法相比，它既可以消除粉术冶金所 固有的缺陷不致密，又不需要随后的锻造、轧制、挤压就可获得高密 度，所以，在触头制造业中应用更为广泛。目前在少油、s f 6 断路器、g i s 和高压、超高压电器领域广为应用的铜钨( 包括整体和非整体) 系触头材 料，大部分是采用熔渗法制造的【：2 0 - ! 1 1 。触头制造包括混粉、n i 制、烧结熔 西安理工大学工程硕士专业学位论文 渗、凝固几道工序，每一道工序都直接影响触头的机械、电性能。 常见缺陷1 2 2 j 1 铜的富集g b 8 3 2 0 - - 8 7 规定在铜钨触头材料中铜区的最大尺寸超 过2 0 0 um 时称为铜富集，如图1 9 a 为c u w 6 0 中铜的富集区( 箭头所示) 这是一种较为常见的带状铜富集还有一种不太常见的铜富集，铜区呈现 不规则的多边形，如图1 9 b 所示。两者的形貌不同，产生的原因也不同。 前者产生的原因，是由于在混粉时加入了大颗粒的诱导铜粉，该铜粉在 压制时受力被压为带状，熔化后留下带状缺陷；二是由于在混粉时加入了 大的磨球，或磨球加入量过大诱导铜粉在混匀前压成薄片，而压制时由平 行于压制方向造成的。后者由于升温时熔渗铜块受热不均，在微小面积上 先熔化并集中在很小的区域向下渗透，导致铜液对鸽骨架的过量浸蚀出现 空洞，最后在熔渗体上留下多边形的富铜区。 口错状簿b 不娩瓣黪轶2 x 图1 - 9 铜的富集 2 微裂纹微裂纹可以从平行与压制方向的剖面观察，宏观上看到 的是夹在铜钨材料之间亮的铜线，微观观察到的是贯穿整个视野的铜带。 这种微裂纹的产生首先要从压制工序寻找原因，压制时若加压速度太快， 粉料中的气体来不及逸出，泄压后产生弹性后效而致，其次是由于粉料中 有机溶剂未挥发完，太湿，压制成型后气体缓慢挥发导致微裂纹产生。避 免这种缺陷产生的方法主要为干料压制，减缓加压速度，并给予一定的保 压时间。 3 钨富集或闭孔c u w 系触头材料熔渗过程中的w 骨架应是具有一 1 4 第一章文献综述 定强度的、由固体颗粒或晶粒的网络组成的连通孔隙或孔道系统，如图 1 一i o 所示。若烧结温度过高或烧结时问过长，w 颗粒的烧结颈不断增大， 致使w 颗粒之间的接触面积不断增大，形成了孤立的空隙，在后期的熔 渗过程中铜不能渗入，即形成闭孔，如图l _ 1 l 所示。严重时则形成大面积 的钨富集，如图l 1 2 所示。这种缺陷在触头引弧过程中容易造成触头掉渣 现象i ”i ，严重影响触头的电寿命，所以在制作过程中要严格选择和控制工 艺参数。一般烧结温度随着w 粉粒径的增大而提高，随着活化剂加入量 的增加而降低，因此要视具体情况确定适宜的烧结温度。实践证明提高烧 结温度比延长烧结时间对改善骨架强度更有效。 4 孔隙缺陷在c u w 系触头材料熔渗过程中还有一种常见的缺陷即 空隙。如图l 一1 3 所示( 箭头所示) ，这种缺陷直接影u 向触头的电导率和硬 度使两者同时下降，其影响远大于钨富集或闭孔对触头电寿命的影响b “。 它i ! l 3 2d b 回波显示方式：全波丁f 负半检波及r f 显示 垂直线性误差： 3 水平线性误差： o 1 分辨率： 3 6d b 灵敏度余量： 6 0d b ( 深2 0 0 m m ，0 2 平底孔) 检测范围：0 5 5 0 0 m m 抑制范围：0 8 0 b 探头 探头是超声波探伤系统的核心。所以，探头的选择是超声波探伤的关 键。探头的选择要结合实际探伤零件的特点和对材料的要求而定，一般而 西室兰兰垄兰三堡堡主主些兰堡笙墨一 _ 一 一。 ；j ，探伤中最关踺的就是探头形j 硬其频率参数的选择问题。 探头彤式受结合零件检测方法、零件的尺寸 u 探央的近场区大小而 定。针对常址触火烧结面的榆测特点，实验分两种条件进 r 探伤： ( i ) 人结合界面的探伤此次研究的被俭删零件j t 寸郜较小，邑零 件厚度较薄，相当于薄板检测。检测方法采用直接接触法探伤，要求有较 小的近场区。所以，综合考虑选定为纵波直探头，探头直径为中1 1 ) m m n 探头的频率的大小最卣观 的反映了超声波探头检测能 力，对c u w 7 0 材料而言，据试 验实测声速为4 6 0 0 m s ，从理论 上讲则声波中的波k 和最小 怆洲缺陷曳表2 1 所示。 ：种频率剥比结果显不， 表2 - l卢波材料中的波k 硐l 最小检洲缺】j f j 12 5 2 5 0 50 0 36 8 l8 4 09 2 1 8 4 o 9 2 0 4 6 j 每较低时爆篱探伤反射底波高度明显增加，但此时底波宽度较大，且 实际探伤缺陷最小尺寸增大，探伤灵敏度降低，即反映微缺陷的能力降低。 为提高对缺陷的榆测能力，希望超声波的能量集中，即探头的声柬扩散角 要小，但晶片的尺寸已随着被检端面宽度的限制不能及大。因此，只有提 高检测频率才能够使声束的半扩散角变小，使超声能量集中”o | 。如图2 一l 所示，在探头尺寸同是o1 0 r a m 的条件下，探头频率分别是1 2 5 m h z ， 25 m h z 和5 m h z 时探伤效果如图2 一l a 、b 、c ，比较各图可看 ：随探头 频率增加底波的宽度明显减小，多次底波回波次数办较多，反刺强度也增 强，反射波形也愈加清晰；在进一步调整探伤增益的条件下，探伤屏上出 现大量杂波，如图2 1 中d e 所示。这是因为：一方面随着频率的增大， 波k 也随之减小，从而对小缺陷的感应能力也随之加强，检测灵敏度愈高： 另一方面，随着探头频率的增大，波长减小后，根据公式n = d 2 1 4 ，近场 区也大大减小。综合评定，选择5m h z 频率探伤最为理想。 第二章买验内容及方法 h c ) 州h z k l， 从人儿。： 搽伤触果胭 一 4 - ，o o i h 卜：怛 lj l舭t 1 1 导 。二5 8 ”早口” 。 。 “甲目 圈2 1不同频率条件下c u w 触头材料的探伤效果图 ( 2 ) 小结合界面的探伤对于小结合界面( 1 0 m m ) 的探伤，采用 5 p 中l o 探头进行探伤时，由于受边界效应的影响，其探伤效果很不理想。 故我们选用5 p 中6 探头对其进行探伤。 c 探伤灵敏度的调整 探伤灵敏度是指在确定的检测范围内最大声程处发现缺陷的能力。调 整确定探伤灵敏度是超声波探伤中最重要的工作。它的准确程度直接影响 到检测定量结果的正确性【z “。 篡签 西安理工足学工程硕士专业学位论疋 一一 坩j ；5 合界曲探伤疋墩度，通过大量的实验，结合探头尺、j ，我们f 昝 出j 结合界1 伍探为j 的最佳灵敏瞍：对中1 0 探头，最仕灵敏度为8 6 d b ；划 t i ) 6 探头装说，最佧灵敏度为8 0d b 。 d 耦合剂的选择 奉次实验考虑到耩合效果的问题，我们初步决定采用机油和时油两种 耦合刺。通过对比两种褐合剖的耦合效果，最终决定用甘油做祸合剞。 2 2 实验方法及设备 2 2 ，1 试样的制备 实验原材料选用一3 0 0 目电解c u 粉和2 0 0 0 目w 糊，按c u w 6 0 、c u w 7 0 和c u w 8 0 比洲眦料，旨于v 型混料机中混匀，然厉f j 制成生坯，在立c 7 t 钒烧结炉。p 、h 2 + n 2 保护f 烧结熔渗制成c u w c u ( c r c u ) 整体材利，制 甜材料经阎溶、时效热处理后加一l 成所需试样。 2 2 2 实验方法 a 探伤面的选择 本次探伤的目的是为了对触头材料的结合界面进行检测，而触头零件 心端涉及到两种不同的材料所以触头零件探伤过程中茸先面临的是要选 择探伤而的问题。触头零件有铬铜f 铜) 和铜钨两端，常见界面结合形式如图2 2 所1 其中m 段为c u w 复合材料，其 余部分是是铜或铬铜材料。探伤面的选 择，原则上选择任一端都可以，只要选 择面与检测缺陷平行，材料组织较均匀 且何利于缺陷判断即可。但在实际探伤 中，仃在以r 两个问题： 留2 - 2 试块形式和探伤形式 ( 1 ) 从铜或铬铜侧入射探伤时，一 力l 坷山于该侧高度通常都较大，很难显示结合面回波，更无法比较结合面 第二章买验内吝及方法 叫波：) j + 方【i l ，浚1 9 1 | j 原始组织足铸忐组织，其对超声波衰减作用很强， 最终组织是经过热处理过的组织，因此也不可避免地存在不均匀组织，造 成探伤难以进行， ( ! ) 从铜钨侧入射探伤时，由于该测厚度相对较小，在材料组织均 匀时，结合面回波稳定，利于判定界面粘合情况：钨头组织不均匀存在缺 陷时，还可以直接反映触头内部缺陷。 图2 3 和图2 4 分别是从铜侧和从铜钨侧探伤的效果图。通过比较可 以看出：从铜侧入射时界面波幅变化较大，从铜钨侧入射时，界面波幅 变化较小。因此实际界面检测过程巾，我们主张从铜钨侧入射探伤。但 在一些情况下，如果铜钨一侧表面形状复杂，无法进行探测，而铜一侧表 师舰则，组织较稳定的话也u r 以选择从铜侧探伤，此时，应该制定桐应的 刈比试块( 也可以以正常的工件为参考试块) ，探伤声速应选择铜的声速 进行探伤，探伤增益应该通过反复对比进行确定。 图2 - 3 从铜侧入射探伤图 界面波 1 2 1 2 o 早口 图2 4 从铜钨侧入射探伤图 2 2 、一一 2 4 早q 、 2 7 3 孕口 西簧理工大学工程硕士专业学位论文 b 探伤方法 超声波探1 j j 疗法的分类很多。银姐：声隅合方j 可分勾接f ； i , j t f _ j ；剐液浸法 鹏尺类：按声波传播方式z j 分为反射法和透刺法两大类：按，；i 波激励方式 nj 分为咏冲波、连续波和调频波等探伤法：按波型叉可分为纵波、横波、 表面波和扳波等探伤力法门i 。 止i 二| l j 0 的1 炙际应用中，广泛使用的是接触式脉冲反射法( 其r f l 包括纵 波、横波和表面波探伤法) 。这是因为水浸法探伤在实际操作中有以卜几 小f 史： 1 ) 与接触法相比，水浸法需要使用灵敏度高的探头( 如硫酸钾、7 , t i 铁酸铅、钛酸钡等晶片) 。般至少要比接触法的灵做度提高i o d b 以卜。 2 ) 探头支撑固定很重要，必具要牢固，能自舌左什移动，行喜有角 艘微洲装肖1 。 3 ) 探义弓被检 ，卞的距离要能保证使工件一i 次界 厨反刺波落在玖 底波之后。 4 - j 液浸川水的污染小能太严重，否则对声的衰减太