Early Diagnosis of Damage and Fracture of Composite Materials Using Brittle Tenso-Sensitive Coatings and Acoustic Emission

Integrated use of acoustic emission and brittle oxide strain-sensitive coatings at early stages of deformation of damage and fracture zones in the specimens of polymeric composite materials (PCM) may be the most effective method of nondestructive defect detection and strength assessment of modern composite materials. An external load applied to the tested structure forms a crack pattern in brittle tenso-sensitive coatings (TSC), which reflects the actual distribution of the maximum primary stress not only in the zones of stress concentration at the surface but also in the vicinity of the local defects. Proceeding from the resulted crack pat terns and refined characteristics of tenso-sensitivity of the brittle coating we may estimate the distribution of the maximum principal stress (strain). The limitations of the method of brittle coatings are attributed, first, to the location of tenso-sensitive coatings (in the zones that are technologically accessible for deposition) and, second, by the necessity of remote monitoring of the crack formation. To solve the aforementioned shortcomings and automate monitoring of the crack formation in a tenso-sensitive coating, we propose to use the method of brittle coatings in combination with acoustic emission (AE) and video recording. The developed integrated procedure provides a good opportunity to determine zones of the most probable fracture and the rate of specimen degradation during the entire period of structure testing, starting with 10- 15% of the critical load, long before the beginning of the active phase of degradation of the PCM structure. The method ensures an accurate determnination of the area of forthcoming destruction of the sample and provides determination of the field distribution of the main principal strains in the area of TSC cracking and their quantitative assesment.

brittle tenso-sensitive coating, crack, acoustic emission, AE pulse, descriptor, fracture, хрупкий тензоиндикатор, трещина, акустическая эмиссия, сигнал, дескриптор, разрушение

1. Durelli A., Phillips E., Tsao C. Introduction to the theoretical and experimental analysis of stress and strain. - NY: McCraw Hill Book Comp., 1958. - 498 p.

2. Пригоровски З H. И., Панских В. К. Метод хрупких тензочувствительных покрытий. - М.: Наука, 1978. - 183 с.

3. Handbook on experimental mechanics / Edited by A. S. Kobayashi. - Prentice-Hall: Society for Experimental Mechanics, Inc., 1987. - 1002 p.

4. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений: Справочник / Под ред. Н. И. Пригоровского. - М.: Машиностроение, 1983. - 248 с.

5. Прочность, ресурс, живучесть и безопасность машин / Под ред. Н. А. Махутова. - М.: КД Либроком, 2008. - 574 с.

6. Напряженно-деформированные состояния ЖРД / Под ред. Н. А. Махутова, В. С. Рачука. - М.: Наука, 2013. - 646 с.

7. Ушаков Б. H., Васильев И. Е., Салин А. Н. Анализ напряжений в сложных натурных конструкциях методом хрупких покрытий / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2004. № 1. С. 96- 104.

8. Махутов Н. А., Ушаков Б. H., Васильев И. Е. Применение хрупких тензочувствительных покрытий для оценки прочности и выявления дефектов в сварных швах трубопроводов / Вестник машиностроения. 2011.№2. С. 44 - 48.

9. Пат. 2403564 Российская Федерация, МПК G01N 29/14. Устройство для диагностики предельного состояния и раннего предупреждения об опасности разрушения материалов и изделий / Васильев И. E., Иванов В. И., Махутов Н. А., Ушаков Б. H.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. - № 2009100183/28, заявл. 10.11.10. Бюл. №31.

10. Махутов Н. А., Шемякин В. В., Ушаков Б. H., Петерсен Т. Б., Васильев И. Е. Применение акустической эмиссии для контроля за процессом образования трещин в хрупких оксидных тензоиндикаторах / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2011. Т. 77. № 6. С. 41 - 44.

11. Иванов В. И., Власов И. Э. Метод акустической эмиссии. Неразрушающий контроль: Справочник. В 7 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 7. Кн. 1. - М.: Машиностроение, 2005. - 340 с.

12. Махутов Н. А., Фомин А. В., Иванов В. И., Перьмяков В. H., Васильев И. Е. Комплексная диагностика предельных состояний и раннего предупреждения аварийных состояний конструкций / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. №2. С. 46-51.

13. Матвиенко Ю. Г., Фомин А. В., Иванов В. И., Северов П. Б., Васильев И. Е. Комплексное исследование дефектов в изделиях из композиционных материалов с применением хрупких тензопокрытий и акустической эмиссии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2014. Т. 80. № 1. С. 46 - 50.

14. Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Иванов В. И., Елизаров С. В. Акустико-эмиссионные свойства оксидных тензоиндикаторов и распознавание сигналов при образовании трещин в хрупком слое покрытия / Дефектоскопия. 2015. № 1. С. 48 - 60.

15. Suzuki H., Takemoto M., Ono K. A Study of Fracture Dynamics in a Model Composite by Acoustic Emission Signal Processing / J. Acoustic Emission. 1993. Vol. II. N3.P.117- 128.

16. Bohse J. Damage Analysis of Polymer Matrix Composites by Acoustic Emission Testing / Proceedings 26th European Conference on Acoustic Emission Testing (EWGAE 2004), September 15 - 17, 2004. Berlin, Germany. Lecture 33. P. 339 - 348.

17. Eaton M., Holford K., Featherston C., Pullin R. Damage in Carbon Fibre Composites: The Discrimination of Acoustic Emission Signals Using Frequency / J. Acoustic Emission. 2007. Vol. 25. N 1. P. 140 -148.

18. Hill E. K., Foti C. J., Leung N. Y., Palacios A. E. Neural network burst prediction in tall graphite - epoxy vessels from acoustic emission data / J. Acoustic Emission. 2012. Vol. 30. P. 167 - 179.