25、基于声波传播时间分类的非侵入式裂缝表征

基于声波传播时间分类的非侵入式裂缝表征

1. 引言

1.1 机械不连续性

材料中的机械不连续性通常指裂缝。预测和监测机械不连续性的几何形状、分布和状态，对结构健康监测、岩石力学、岩土工程、地热储层开发、封存和水力压裂等领域至关重要。例如，在石油和天然气行业，诱导裂缝系统的几何形状和方向对油气产量至关重要。

机械不连续性是当材料内部应力超过其强度时产生的，会导致材料沿最薄弱平面失去内聚力。它可由压缩、拉伸或剪切应力形成，具体分为以下三种模式：
- 模式I（张开） ：拉伸应力垂直于不连续面作用时形成，不连续面相互远离。
- 模式II ：由滑动产生，面内剪切应力平行于不连续面且垂直于不连续前缘。
- 模式III ：由撕裂产生，面外剪切应力平行于不连续面且平行于不连续前缘。

脆性是影响不连续性发展速率的重要特性。脆性材料在没有显著塑性变形的情况下就会破裂。低温时，由于分子运动受限，材料呈脆性；高围压会阻碍不连续性的产生，使材料具有延展性。

1.2 不连续性的表征

不同的表征技术可用于评估各种材料中不连续性的位置、方向和密度。超声测量和CT扫描是最常用的无损检测（NDT）方法，用于材料中不连续性的静态表征。声发射（AE）测试是一种流行的动态表征方法，可确定材料中不连续性起始或扩展时的位置和模式。

常见的NDT方法可分为机械方法和电磁方法两类，它们都利用波传播来研究材料的内部结构：
| 方法类型 | 具体方法 |
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