《复合材料冲击试验件 冲击损伤 超声检测方法及评价》

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

团体标准

T/CSTMXXXXX—202X

复合材料冲击试验件冲击损伤超声检测

方法及评价

CompositeimpacttestpieceImpactdamageUltrasonicdetectionmethods

andevaluation

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTMXXXXX—2023

复合材料冲击试验件冲击损伤超声检测方法及评价

1范围

本文件规定了复合材料冲击试验件超声检测方法的一般要求、检测要求、检测记录和检测报告等。

本文件适用于厚度不大于10mm的复合材料层板或加筋板冲击试验件中等效直径大于等于3mm的

分层及脱粘损伤的检测。对于在役复合材料层板构件和复合材料夹芯结构的冲击损伤检测可参照执行。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅

该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T20737无损检测通用术语和定义

GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证

GB/T12604.1无损检测术语超声检测

GJB5304军用复合材料术语

HB20095复合材料构件超声C扫描检测方法

3术语和定义

GB/T20737、GB/T12604.1、HB20095界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

冲击损伤impactdamage

复合材料在冲击载荷作用下产生的损伤。

分层delamination

复合材料铺层与铺层之间的分离。

脱粘debonding

复合材料胶结结构在胶接界面处产生的分离。

对比试块referenceblock

带有预制尺寸人工缺陷的，与被检件外形、表面状态、材质及声学特性相同或相近，用于校准检验设备

灵敏度和可靠性的复合材料试块。

4一般要求

4.1检测人员

从事超声检测工作的人员应按GB/T9445的规定进行培训与考核，取得资格证书。各级人员只可从事与

技术资格等级相应的检测工作。

4.2检测环境

检测场地的温度及湿度应在仪器、设备及器材所允许的范围内，不应有影响检测工作的震动、粉尘、腐

蚀性气体、强磁场及强噪音等。

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4.3检测设备及器材

4.3.1超声检测设备

用于复合材料冲击试验件超声检测的设备应符合相关检定和校验要求，并至少应包括以下功能：

a)具备A扫描、B扫描和C扫描实时成像和显示功能；

b)具备试验件编号、检测数据和图像自动存储和输出功能；

c)具备损伤面积测量、检测报告生成等功能；

d)检测设备灵敏度应优于等效直径3mm的人工分层损伤；

e)检测设备每年应至少进行一次校验，校验数据均应保存备查。

4.3.2超声检测探头

用于复合材料冲击试验件超声检测的超声探头应满足以下要求：

a)选用的单晶超声检测探头直径小于等于6mm，标称中心频率小于等于30MHz：

b)选用的阵列超声检测探头阵元宽度小于等于1mm，阵元数量大于等于8。

4.3.3自动化扫查装置

若采用自动化检测装置，用于复合材料冲击损伤试验件超声检测的自动化扫查装置应满足以下要求：

a)扫查装置应包含控制器、驱动器、扫查机构、电源及电缆等部分，可进行实时位置编码和数据传输：

b)扫查装置应能够与超声检测设备进行通信和相互触发，保证扫查位置数据和检测数据的同步输出；

c)扫查装置机械结构应每年进行计量检定，扫查的行程、步进范围和精度应满足被检结构件检测要求；

d)采用穿透法检测时，发射探头和接收探头中心轴线角度偏离应小于等于2°。

4.3.4对比试块

用于复合材料冲击试验件超声检测的对比试块应满足以下要求：

a)对比试块的选材、铺层方式、结构形式、成型工艺、表面状态应与被检件相同或相近，对比试块厚

度应能够覆盖被检试验件的厚度变化范围；

b)对比试块中至少包含被检试验件要求检出的最小尺寸人工预制损伤，预制损伤深度应覆盖超声检测

盲区以外的位置；

c)复合材料层板冲击损伤对比试块的制备可参照附录A，也可参照HB5461或T/CSTM00271等标准执行，

或根据被检试验件实际情况和检测要求，依照相关标准自行设计制备。

4.3.5辅助器材

若采用自动化检测方式，复合材料冲击损伤试验件超声检测应包括以下辅助器材：

a)供水系统。采用超声脉冲透射法检测时应配备供水系统，供水系统应具有过滤、循环和水压调节等

功能，应定期检查滤芯状态并进行清洁；

b)探头喷嘴。采用超声脉冲透射法检测时应配备探头喷嘴，保证探头喷嘴喷射的水柱在一定水距范围

内不能变形，不能出现影响检测效果的气泡和紊流现象。探头检测频率和喷嘴口径的选择可参照HB

20095；

c)耦合剂。采用清洁水作为耦合剂，若采用水循环系统，应配备过滤装置，并定期清洁以保证水质不

影响检测：

d)工装夹具。应根据被检试验件的结构外型、重量及扫查装置等设计加工专用的工装夹具，保证检测

过程中被检试验件的检测稳定性和安全。

5详细要求

5.1检测原理

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复合材料冲击试验件超声检测主要采用两种检测方式，一种是超声脉冲波由被检试验件一侧垂直入射，

经底面反射后由同一超声探头接收的超声脉冲反射法，另一种是超声脉冲波由被检试验件一侧垂直入射，穿

透试验件后由另一超声探头在对侧接收的超声脉冲透射法。

5.1.1超声脉冲反射法

当超声波遇到由声阻抗不同的介质构成的界面时，将会发生反射现象。超声脉冲回波法即采用一个探头

兼作发射和接收器件，接收信号在探伤仪的荧光屏上显示，并根据缺陷及底面反射波的有无、大小及其在时

间轴的位置来判断缺陷的有无、大小及其方位。

对于复合材料，超声波在复合材料结构中的传播行为与声波波长、复合材料单铺层厚度和损伤/缺陷状

态密切相关，当超声波波长远大于单铺层厚度时，复合材料可视为均匀层状声学介质，声波不会在单铺层层

间界面产生时域可辨的反射回波。当复合材料内部存在缺陷或损伤时，异质界面的出现会显著改变材料的声

学连续性，引起声波的反射和散射，反射声波的能量通常用声压反射系数rc表示：

Z2−−Z12c21c1

rc==(1)

Z2++Z12c21c1

式中，Z1和Z2分别为复合材料和损伤区域的声阻抗，c1和c2分别为声波在复合材料和损伤区域中的传播速

度，1和2为复合材料和损伤区域的密度，公式(1)中声压反射系数rc的绝对值越大，表示声波反射越强烈。

对于分层损伤，分层区域可视为空气界面，则rc无限趋近于-1，此时声波在分层界面近似全反射，时域波形

中会出现明显的分层界面反射回波。同时，通过提取回波信号的传播时间tk，即可确定出分层损伤的深度dk：

1

d=tc(2)

kk21

超声脉冲反射法的优点是检测灵敏度高，缺陷/损伤可以精确定位，操作灵活方便，适用范围广，对于

检测面受限的结构检测效果较好。其缺点是存在检测盲区，对近表面缺陷的检测能力较差，当缺陷/损伤反

射面与声束轴线不垂直时容易发生漏检，且往复声程较大，对厚度较高会高衰减材料适用性较差。

超声脉冲反射法的基本原理示意如图1所示：

图1超声脉冲反射法基本原理示意图

5.1.2超声脉冲透射法

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超声脉冲穿透法的基本原理是在被检试验件相对的两侧各放一个超声检测探头，其中一个探头向试验件

内发射超声波，另一个探头接收超声波，当试验件内部完好时，接收探头可接收到较强的透射信号，当工件

中有小缺陷/损伤时，部分声能被反射，接收探头只能接收到较弱的透射信号，当工件内有面积大于声束截

面的缺陷/损伤时，声能被全部反射，接收探头完全收不到透射信号。

超声脉冲穿透法的优点是几乎不存在检测盲区，声衰减较少，适用于厚度较大或孔隙率较高的复合材料，

缺点是由于声波衍射现象的存在，导致检测灵敏度低，不能对缺陷/损伤进行定位。

超声脉冲透射法的基本原理示意如图2所示：

图2超声脉冲透射法基本原理示意图

5.2检测程序

复合材料冲击试验件超声检测程序包括检测前准备、检测、检测结果评判和损伤定量、检测数据存储、

检测后现场处理等环节，检测程序流程如图3所示。

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图3复合材料冲击损伤自动化超声检测程序流程图

5.2.1检测前准备

检测前准备一般包含以下工作：

a)明确被检试验件结构形式和材料体系。根据被检试验件结构形式和材料体系选择脉冲回波或透射检

测方法，对于层板结构优先选择脉冲回波法进行检测，对于型面复杂或厚度较大的结构宜选用透

射法进行检测；

b)确定检测探头的类型和尺寸。如果检测区域较小或结构复杂，可优先选择单晶探头，若检测区域较

大且较为平整，为提高检测效率宜选择大尺寸单晶探头或阵列超声探头；

c)清除被检试验件表面多余物。在自动化检测实施前，应检查被检试验件表面是否存在油污、漆层、

凸起等影响检测和自动化扫查的多余物，并按相关要求进行清理和去除，如无法去除或去除不经

济，则该区域不适合进行自动化检测，需要对该区域进行标记，并在后续检测报告中进行说明；

d)选择超声入射检测面。采用脉冲回波法检测时，应对被检结构上下两个表面分别进行检测，若某一

表面检测不可达或实施难度较大，应进行记录并在检测报告中予以说明。采用透射法进行检测时，

为保证超声波能量的有效进入，宜选择表面状态较好的一侧作为入射检测面。

5.2.2超声检测

复合材料冲击试验件超声检测一般包含以下步骤：

a)检定和校准超声检测设备。根据相关标准对检测设备及探头进行检定，超声探头及设备的检定方法

可参照GB/T18694或JJG746等标准执行。同时，检测开始前应采用标准试块对设备进行校准。

b)确定被检试验件检测区域和检测要求。根据被检试验件结构特征和检测要求，明确试验件不同位置

的可检性，并分别对可检区域和不可检区域进行标记；

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c)设置超声扫查路径。对可检区域进行自动化扫查路径规划，同时，需要充分考虑可检区域障碍物位

置的通过性，并对障碍物进行记录和标记；

d)设置检测设备参数。根据检测要求进行检测设备参数设置，主要包括激励电压、脉冲宽度、检测闸

门、滤波器频带范围及增益等，对于阵列超声检测设备，还应进行聚焦法则设置；

e)进行超声检测。检测参数和自动化检测路径设置完成后，即可开始检测，技术人员在检测过程中应

注意观察被检试验件及设备状态，如遇突发情况，应立即停止检测，查明原因后再继续检测。

5.2.3检测结果评判和损伤定量

检测结果评判和损伤定量一般包含以下内容：

a)检测结果评判。根据被检试验件检测要求和相关标准，基于时域波形信号，结合超声B扫描或超声C

扫描图像进行损伤识别，并标记出损伤的位置；对于超声检测发现的损伤，必要时应采用其他无

损或有损检测方法进行校验和确认；

b)损伤定量。对标记的损伤进行定量测量和分析，定量指标一般包含损伤面积、长度、宽度及损伤深

度信息。

5.2.4检测数据存储

检测数据存储一般包含以下工作：

a)原始时域数据的存储。检测完成后，应根据检测要求对损伤和疑似损伤位置的超声原始时域信号进

行存储；

b)检测图像的存储。检测完成后，应根据检测要求对损伤和疑似损伤图像进行存储，必要时对所有检

测图像进行存储。

5.2.5检测后现场处理

检测和数据存储完成后，将超声检测设备复位，擦除被检试验件表面的耦合介质，将被检结构恢复至检

测前状态。

6检测记录

复合材料冲击损伤试验件超声检测实施过程中应做好检测记录，内容一般包含以下内容：

a)被检件名称、图号或编号；

b)检测时间、检测地点、检测人员；

c)执行的检测标准、规范或工艺流程；

d)检测方法、检测设备型号和检测工艺参数；

e)损伤位置、尺寸及分布等信息的记录和描述；

7检测报告

自动化超声检测完成后应出具规范的检测报告，内容一般包含以下内容：

a)检测报告名称及编号；

b)检测时间；

c)检测地点；

d)检测人员；

e)被检件名称、图号或编号；

f)执行的检测标准、规范或工艺流程；

g)损伤位置、尺寸及分布的记录和描述；

h)审核人员、批准人员及日期。

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附录A

（资料性）

复合材料层板冲击损伤对比试块

图A1复合材料层板冲击损伤对比试块示例

注:

1.图中：H为人工模拟分层/脱粘损伤深度、D为人工模拟分层/脱粘损伤直径、W为人工模拟分

层/脱粘损伤横向中心距、L为人工模拟分层/脱粘损伤纵向中心距。

2.人工模拟分层/脱粘损伤材料建议采用特氟龙膜或聚四氟乙烯膜。

3.人工模拟分层/脱粘损伤深度应覆盖实际冲击损伤深度分布，并应避开检测盲区。