非線性超聲技術檢測TATB基PBX微損傷

楊占鋒， 田 勇， 周海強， 張偉斌， 李敬明， 李衛(wèi)彬

(1. 中國工程物理研究院化工材料研究所， 四川 綿陽 621999； 2. 中國工程物理研究院北京研究生院， 北京 100088; 3. 中國廈門大學航空航天學院航空系， 福建 廈門 361005)

1 引 言

高聚物粘結炸藥(Polymer Bonded Explosive，PBX)從晶體制備、顆粒包覆到壓制成型、時效處理等整個制造過程中，有可能產(chǎn)生微裂紋、微孔隙、顆粒破碎等初始微損傷[1-3]，在運輸、貯存及服役中受到熱、機械疲勞等作用，PBX中的初始微損傷會不斷匯聚、擴展使力學性能退化、承載能力下降、熱點源增加，進而影響其使用有效性、安全性和可靠性[4]。因此對PBX初始微損傷及其疲勞損傷發(fā)展程度的評估具有重要意義，對深入研究其有效性、安全性及可靠性具有重要的價值。

利用超聲方法檢測與評估PBX結構件內(nèi)部缺陷和損傷是常見的手段[5]。田勇等[6]測試了PBX熱沖擊前后的超聲特性參量來表征其損傷和破壞情況，表明超聲特性參量對PBX的損傷及破壞表現(xiàn)出一些可識別的特征。然而，常規(guī)超聲檢測方法主要針對毫米級宏觀缺陷的評估與檢測，對微納米級微觀缺陷或損傷及其擴展演變尚沒有合適的檢測方法。

近年來，人們開始嘗試將聲波傳播過程中的非線性現(xiàn)象應用在無損檢測領域，這種利用超聲傳播過程中的非線性響應來表征材料微觀結構變化的方法被稱為非線性超聲檢測技術。利用非線性超聲檢測與評估金屬材料的疲勞損傷、蠕變損傷，以及評估微觀結構變化已有一些報道[7]。研究表明非線性超聲方法可以表征金屬疲勞損傷早期階段的位錯密度變化[8-9]。利用非線性超聲檢測方法針對金屬材料和復合材料的熱損傷檢測也有一些報道[7,10]。這些研究表明非線性超聲檢測技術是可以對微觀損傷和微缺陷進行早期檢測的有效方法。

為此，本研究嘗試利用非線性超聲參數(shù)對微觀損傷的高敏感性，對初始損傷程度不同的TATB基PBX試樣及其在疲勞加載過程中的非線性超聲參量測試及響應行為研究，探索一種可以對顆粒高度填充的TATB基PBX 內(nèi)部損傷進行早期檢測與無損評估的新方法。

2 實驗部分

2.1 樣品制備

將TATB基造型顆粒經(jīng)鋼模熱壓成型為Φ20 mm×20 mm的圓柱形試樣。采取兩種不同壓力壓制成兩種密度相差較大的試樣，使試樣初始微損傷程度不同，以開展相關研究。通過工藝條件控制這兩種試樣的密度分別為(1.885±0.002) g·cm-3和(1.908±0.002) g·cm-3，完成壓制后測試其密度，挑選出實測密度在上述控制范圍內(nèi)的試樣作為研究對象，分別稱之為低密度試樣(或初始微損傷程度較高試樣,L1、L2)、高密度試樣(初始微損傷程度較低試樣,H1、H2)。

2.2 非線性超聲測試方法

自行建立的高功率非線性超聲測試裝置如圖1所示。任意波形發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1.25 MHz的脈沖串，經(jīng)低通濾波(LPF)和放大后激勵中心頻率為1.25 MHz的壓電換能器(發(fā)射探頭)產(chǎn)生有限幅度的超聲波，通過耦合劑在PBX試樣中傳播，被中心頻率為2.5 MHz的壓電換能器(接收探頭)接收和帶通濾波(BPF)后輸入示波器中?；l發(fā)射換能器、倍頻接收換能器分別放置在試樣兩相對面，通過專門設計的支架與試樣連接，以保證每次檢測后換能器和試樣接觸壓力保持一致，以及保證發(fā)射換能器和接收換能器在同一軸線上，并采用性能穩(wěn)定且有一定粘性的硅脂作為耦合劑。

a. diagrammatic sketch

b. physical picture

圖1 檢測裝置

Fig.1 Inspection device

信號發(fā)生器與示波器連接，觀察信號的穩(wěn)定性，保證采集信號的可比較性。信號的穩(wěn)定部分經(jīng)過漢寧窗函數(shù)處理后獲得頻域下的基頻諧波振幅A1和二次諧波振幅A2。實驗中獲得的典型的含有基頻諧波和二倍頻諧波的超聲信號如圖2所示。其中，圖2a為示波器所采集的時域信號，圖2b為對該時域信號的頻譜分析結果(即頻域信號)。

a. time-domain signal

b. frequence-domain signal

圖2 實驗信號案例

Fig.2 Experimental signal cases

PBX的二階非線性超聲系數(shù)β可由式(1)計算[11]:

(1)

式中，β為二階非線性超聲系數(shù);A1為基頻諧波幅值，V;A2為 二倍頻諧波幅值，V;x為試樣厚度，m;k為波數(shù)，m-1;f為超聲頻率，Hz;c為超聲波速，m·s-1。

2.3 機械加載及參量測試

采用Instron8862J4873型疲勞蠕變試驗機對兩種試樣分別進行機械加載試驗，機械加載又分為單軸壓縮破壞加載和壓縮疲勞循環(huán)加載。

單軸壓縮破壞試驗及參量測試: 對兩種試樣分別進行單軸壓縮破壞加載試驗以測試其破壞強度，加載速率均為1.5 mm·min-1，在加載前分別測試試樣的縱波聲速CL、增益G以及二階非線性超聲系數(shù)β; 在加載后進行斷貌分析以獲取試樣在加載前內(nèi)部的初始微損傷情況。通過試樣非線性超聲參量與破壞強度、初始損傷之間對應關系的對比分析，研究非線性超聲參量與初始微損傷之間是否具有相關性。

壓縮疲勞循環(huán)加載及參量測試: 以0～70%破壞強度對試樣進行壓縮疲勞循環(huán)加載; 每50個壓縮疲勞循環(huán)為一輪加載實驗，進行多輪加載，通過疲勞循環(huán)次數(shù)的增加使試樣內(nèi)部損傷逐漸積累，直至試件產(chǎn)生宏觀裂紋。在每輪疲勞加載試驗前后，均測試試樣的縱波聲速CL、增益G以及非線性超聲系數(shù)β等參量，研究這些參量對疲勞損傷的敏感性。

3 實驗結果與分析

3.1 兩種試樣的非線性超聲判別

選取低密度、高密度TATB基PBX試樣(L1、H1)分別進行單軸機械壓縮破壞試驗，其中一組典型試樣的參量測試結果見如表1所示，超聲時域波形及畸變?nèi)鐖D3所示。

表1 兩種TATB基PBX試樣參量測試結果

Table 1 The measurement results of parameters for two kinds of TATB-based PBX specimens

specimenρ/g·cm-3CL/m·s-1β/(×10-9)FM/NσM/MPaH11．910266918850027．0L11．8872106457562517．9

Note:ρis the mass density,CLis the wave velocity,βis the nonlinear coefficient,FMis the breaking load ,σMis the breaking strength.

a. specimen of H1

b. specimen of L1

圖3 TATB基PBX試樣的超聲時域波形及畸變

Fig.3 Ultrasonic time-domain waveform and distortion of TATB-based PBX specimens

由表1、圖3可知，TATB基PBX試樣L1的二階非線性超聲系數(shù)明顯偏高(約為試樣H1的25倍)、超聲波形有較為明顯的畸變(如圖3b所示)，而試樣H1的二階非線性超聲系數(shù)明顯偏低、超聲波形也無明顯畸變(如圖3a所示); 由于非線性超聲系數(shù)、波形畸變可反映出材料微細觀損傷程度，由此可初步推斷試樣L1內(nèi)部初始微損傷程度要高于試樣H1。從單軸壓縮破壞試驗結果來看，試樣L1在壓縮載荷達到5625 N時即發(fā)生了斷裂破壞，試樣H1在載荷達到8500 N時才發(fā)生斷裂破壞，即試樣L1的的壓縮破壞強度(約17.9 MPa)，遠低于試樣H1的破壞強度(27.0 MPa)，分析是由于試樣L1的初始損傷程度較高才導致了其破壞強度較低，破壞加載試驗結果與非線性超聲測試結果及得到的結論是一致的。

為了進一步驗證非線性超聲測試結果的可靠性，還對這兩種試樣在斷裂后的形貌進行了分析，結果如圖4所示。

a. specimen of H1

b. specimen of L1

圖4 PBX 試樣H1和L1的斷裂形貌

Fig.4 The fracture surface pictures of PBX specimens H1 and L1

由圖4可見，試樣L1斷口基本是粘接劑界面開裂，斷面上的炸藥顆粒團形狀清晰可見，顆粒團之間有大量的界面開裂、裂隙、裂紋等，反映出炸藥顆粒團之間界面的粘接強度較低，致使其在17.9 MPa較小的破壞載荷下即發(fā)生了界面脫開形式的斷裂，說明試樣在壓制成型后、壓縮破壞實驗之前其內(nèi)部即可能存在大量的粘接劑界面開裂或弱粘等程度較高的損傷; 而試樣H1的斷面呈現(xiàn)出比較平滑的斷裂形貌，僅在靠近圓柱面的局部區(qū)域可見少量的炸藥顆粒團，反映出其造型顆粒包覆質(zhì)量較好，壓制成型后顆粒界面之間粘接強度較高，所以在27.0 MPa的較大載荷作用下才發(fā)生斷裂，進一步說明試樣H1在壓縮破壞實驗之前其內(nèi)部損傷程度較低。

以上的破壞加載試驗及斷貌分析結果均驗證了根據(jù)非線性超聲系數(shù)評估判斷的TATB基PBX試樣L1初始損傷程度高于試樣H1的結論的正確性，證實了非線性超聲檢測結果的可靠性。說明非線性超聲系數(shù)及波形畸變與PBX初始損傷之間有一定的相關性，利用非線性超聲系數(shù)及波形畸變可以定性表征TATB基PBX的初始損傷程度。

3.2 PBX疲勞損傷發(fā)展過程的非線性超聲評估

3.2.1初始微損傷程度較高TATB基PBX試樣疲勞過程中的(非)線性超聲參量響應

為了對比線性超聲參量、非線性超聲參量對疲勞損傷的敏感性，對疲勞過程中的線性超聲參量、非線性超聲參量進行了測試和對比。其中初始微損傷程度較高(即低密度)試樣L2在疲勞加載過程中的聲速CL、增益G等線性聲學參量及非線性超聲系數(shù)β等參量的測試結果如表2，這些參量隨疲勞次數(shù)的變化曲線如圖5所示，其在循環(huán)疲勞至350周時圓柱面及內(nèi)部出現(xiàn)裂紋的實物照片和CT檢測結果如圖6所示。

由圖5可見，隨著循環(huán)疲勞周期數(shù)的增加，初始微損傷程度較高的L2試樣的超聲非線性響應總體呈逐漸增加的趨勢，特別是在壓縮疲勞加載至250周時，非線性超聲系數(shù)開始急劇遞增，并在疲勞至350周時增至極大值，為初始非線性超聲系數(shù)的10倍以上，從非線性超聲的角度可以推斷試樣此時的疲勞累計損傷已發(fā)展至較高水平，而此時試樣表面及內(nèi)部確已產(chǎn)生宏觀裂紋的實際情況(見圖6)也印證了這一點，說明非線性系數(shù)可以靈敏反映出TATB基PBX試樣的疲勞損傷發(fā)展過程及累計疲勞損傷程度。而在整個循環(huán)疲勞加載中超聲增益、聲速等線性參量均未發(fā)生明顯變化，特別是在循環(huán)疲勞累計加載至350周時現(xiàn)場已聽到裂紋開裂聲，試件表面也已出現(xiàn)肉眼可見的裂紋，試件已出現(xiàn)嚴重損傷即將斷裂(見圖6)，而線性超聲參量依然未發(fā)生明顯的變化。這表明相對于傳統(tǒng)的線性超聲檢測技術，非線性超聲技術對疲勞損傷及其發(fā)展更加敏感，是一種可以對PBX內(nèi)部微觀損傷早期檢測的有效手段。

圖5 初始微損傷程度較高試樣(L2)壓縮疲勞過程中的線性和非線性聲學參數(shù)變化

Fig.5 The change in linear and nonlinear acoustic parameters in the process of compressive fatigue for specimen (L2) with higher initial micro-damage degree

a. picture of fatigue crack

b. specimen of L2

圖6 初始微損傷程度較高試樣(L2)循環(huán)疲勞加載350周期時出現(xiàn)微疲勞裂紋

Fig.6 Micro fatigue crack occurring under 350 cycle fatigued loading for specimen (L2) with higher initial micro-damage degree

表2 初始微損傷程度較高TATB基PBX試樣L2的參量測試結果

Table 2 The measurement results of parameters for TATB-based PBX specimen L2 with higher initial micro damage degree

roundfatiguecyclesamplitudefundamentalharmonicA1/VsecondharmonicA2/Vnonlinearcoefficientβ/(×10-9)gainG/dBwavevelocityV/m·s-1000．2041740．000676131．1138．0223212000．0741310．000204258．6059．4207122500．0568850．000099221．5555．2211433000．0512860．000224609．1156．2210043500．0257040．0001291380．8256．02089

3.2.2兩種試樣在疲勞加載過程中的非線性超聲參量

兩種試樣(L2、H2)在疲勞過程中的非線性超聲系數(shù)變化如圖7所示。由圖7可見，由于加載前的初始損傷程度不同，所以它們在之后的壓縮疲勞加載中的損傷發(fā)展過程也不盡相同，L2試樣在疲勞加載過程中的非線性系數(shù)處于相對較高水平(一直高于高密度的)，并且在累計循環(huán)疲勞至350周時，非線性系數(shù)已高達1380×10-9，已接近斷裂，此時在現(xiàn)場也觀察到了其表面已出現(xiàn)肉眼可見的微裂紋，該微裂紋界面隨著循環(huán)疲勞加載而同步地開合。而H2試樣，在整個450周的疲勞加載過程中，非線性超聲系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸累計及緩慢發(fā)展的趨勢，說明初始微損傷程度較低的TATB基PBX試樣在疲勞加載過程中的疲勞損傷總體上處于相對較低的水平并且發(fā)展緩慢，而初始微損傷程度較高的TATB基PBX試樣的疲勞損傷發(fā)展速度更快。

圖7 兩種試樣初始損傷程度對其疲勞損傷發(fā)展過程的影響

Fig.7 Effects of initial damage degree on the developing process of fatigue damage for two specimens

5 結 論

(1)與初始微損傷程度較低的TATB基PBX試樣相比，初始微損傷程度較高試樣的壓縮破壞強度較低，相應的二階非線性超聲系數(shù)相對較高、波形畸變也相對較為明顯，表明非線性超聲參量與初始微損傷之間有一定的相關性，利用二階非線性超聲系數(shù)可以定性表征TATB基PBX的初始微損傷程度。

(2)在TATB基PBX試樣壓縮疲勞循環(huán)加載中，非線性超聲系數(shù)隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加逐漸遞增，特別是在試樣產(chǎn)生宏觀裂紋之前的100個疲勞循環(huán)中，非線性超聲系數(shù)急劇增大并在產(chǎn)生宏觀裂紋時達到極大值，而在這整個循環(huán)加載過程中，聲速、增益等線性超聲參量則無明顯變化。說明與線性超聲參量相比，非線性超聲參量對TATB基PBX試樣的疲勞損傷發(fā)展過程及累計疲勞損傷程度更為敏感，是一種可以對PBX內(nèi)部損傷進行早期檢測的有效手段。

(3)TATB基PBX試樣初始微損傷程度不同，其在疲勞循環(huán)加載過程中的損傷水平及發(fā)展速度也不盡相同，與初始微損傷程度較低的試樣相比，初始微損傷程度較高的試樣疲勞損傷發(fā)展速度更快。

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