Текст книги "Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций"

2.3 Структурные дефекты в пространственно-армированных композитах и их влияние на свойства материалов

Оптимальные для конкретных условий эксплуатации физико-механические и теплозащитные свойства композиционных материалов практически полностью достигаются формированием заданной пространственной структуры и зависят от степени соответствия реальной структуры расчетным параметрам, поэтому наличие структурных нарушений (дефектов) в композите может стать решающим фактором, определяющим работоспособность современных изделий.

Характерной особенностью структурных дефектов пространственно-армированных композиционных материалов является то, что наряду с дефектами, присущими традиционным материалам (трещины, раковины, поры, рыхлоты, посторонние включения и т. д.), могут образовываться дефекты, характерные только для данного вида композитов, связанные с особенностями структуры армирующего каркаса и метода формирования матрицы. Причем характер дефектов, возникающих на различных этапах изготовления материала, существенно отличается друг от друга.

На стадии изготовления каркасов возникают дефекты, связанные с отклонениями от следующих расчетных параметров структуры: направление укладки армирующих жгутов, периодичность расположения структурных элементов, расстояние между жгутами и пакетами жгутов, объемное содержание жгутов в каждом направлении армирования.

Дефекты, которые образуются на этапе формирования матрицы, связаны, в основном, с отклонениями от расчетного распределения плотности конечного материала, хотя и не исключены нарушения структуры армирующего каркаса, возникающие на различные рода подготовительных операциях. На этом же этапе возможно образование, вследствие нарушения технологических режимов насыщения таких дефектов, как раковины, рыхлости и трещины.

Дефекты типа «посторонние включения», обычно металлического характера, могут образовываться на каждом этапе изготовления изделий из композиционных материалов.

Проведенные исследования позволили определить характер влияния различных видов структурных дефектов на физико-механические и теплозащитные свойства композитов.

Наличие различного шага укладки жгутов вдоль координатных осей может быть одной из причин отличия расчетных значений упругих констант от реальных характеристик материалов.

Наличие искривленных волокон в ортогонально-армированном композиционном материале существенно снижает его жесткость при растяжении и сжатии. Создание предварительного натяжения арматуры при изготовлении каркасов способствует некоторому увеличению модулей упругости и прочности в направлении натяжения за счет исключения случайных искривлений жгутов, однако чрезмерное натяжение в одном направлении может вызвать нарушение ортогональности в других. Исследования показали, что отклонения армирующих жгутов от заданного направления армирования даже на 3° может приводить к снижению прочности композита до 20%.

Уменьшение числа армирующих жгутов в каком-либо направлении обычно является следствием их припусков или обрывов и приводит к снижению прочности композиционного материала при растяжении. Так, при уменьшении числа жгутов в рабочем сечении образцов материала КИМФ, подвергнутых механическим испытаниям, с 9 до 6 прочность при растяжении снижается на 30%.

Повышенная пористость оказывает заметное влияние на модуль упругости в трансверсальном направлении, где содержание волокон мало, а влияние матрицы на формирование жесткости указанного направления весьма значительно. Кроме того, дефекты при изготовлении деталей и узлов из композиционных материалов могут возникать в процессе механической обработки. Наиболее типичными из них являются отслоение, водопоглощение, структурные дефекты, разрушение армирующих волокон.

Возникновение деструктированного диспергированного слоя, значительно ухудшает эксплуатационные характеристики изделий из композитов.

При контактном взаимодействии полимера с металлом (инструментом) возбуждается механический процесс, повышается кинетическая активность системы. Этот процесс протекает с массовым образованием свободных радикалов за счет разрыва ковалентных связей у макромолекул. Для образования свободных микрорадикалов при механическом воздействии на полимер требуется энергия порядка 210–240 кДж/моль.

Поскольку в процессе резания контактируют ювенильные поверхности металла и полимера, то это приводит, с одной стороны, к пластифицированию металлической поверхности, а с другой – к углублению процесса деструктирования макромолекул, вызываемого каталитическим действием металла.

Как известно, наличие кислорода резко изменяет механизм и скорость деструкционных процессов. Экспериментально подтверждены интенсивные окислительные процессы, происходящие в зоне резания, что в свою очередь указывает на углубление процессов деструкции полимера.

В результате деструкции в зоне резания находятся продукты деструкции – метиленовые, гидроксильные, карбонильные и альдегидные группы, углеродо-водородные комбинации, являющиеся поверхностно активными веществами, которые вызывают специфический вид износа инструмента. Кроме того, в результате деструкции полимера обильно выделяются летучие вещества, в том числе и токсичные. Степень деструкции можно оценить сравнительно, т. е. по числу стабильных микрорадикалов в весовой единице поверхностного слоя.

С точки зрения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя в результате деструкции представляет несомненный интерес определение глубины деструкции. На размер и интенсивность деструктивных процессов влияет главным образом теплота, выделяемая в зоне резания, и механическое воздействие, приводящее к разрыву цепей полимера. Толщина дефектного поверхностного слоя материала после механической обработки составляет 350–420 мкм.

Таким образом, всегда при механической обработке композитов под действием больших локальных механических напряжений, высокой температуры, превышающей теплостойкость органических составляющих материала, и интенсивных окислительных процессов происходит деструкция полимера, приводящая к ухудшению эксплуатационных свойств поверхностного слоя материала.

Глава 3
Общая характеристика применяемых методов контроля

В комплексе действий, направленных на обеспечение надежности и долговечности аэрокосмической техники, дефектоскопия имеет решающее значение, поскольку малейшая ошибка в определении характера дефекта или его пропуск могут привести к серьезным последствиям. В связи с этим проведение дефектоскопии возможно при соблюдении следующих условий:

– высокая квалификация специалистов, проводящих контроль;

– необходимое качество используемой при контроле аппаратуры;

– соответствующая техническая документация;

– высокое совершенство метода, обеспечивающее необходимый уровень качества контроля.

При этом следует отметить особенности дефектоскопии изделий аэрокосмической техники: разнообразие материалов контролируемых деталей как по своей природе, так и по свойствам; сложность контролируемых деталей по форме и разнообразие по массе; во многих случаях – недостаточно технологичные доступы, что может вызвать дополнительные демонтажно-монтажные работы; наличие контроля многослойных конструкций деталей, установленных в конструкциях, покрытых защитными пленками и имеющих загрязненную поверхность; своевременное обнаружение дефектов, возникающих в процессе эксплуатации по различным причинам – производственным, конструктивным и др.

Дефектоскопия, т. е. поиск дефектов с помощью неразрушающих методов контроля, позволяет обеспечивать заданный уровень надежности, добиваться увеличения долговечности с высокой эффективностью и производительностью. Средства неразрушающего контроля предназначены для выявления дефектов типа несплошности материала, контроля геометрических параметров изделий, оценки физико-механических свойств материала изделий. С помощью дефектоскопов получают информацию в виде электрических, световых, звуковых и других сигналов о качестве контролируемых объектов.

В промышленности существует пять видов контроля: операционный, сплошной, выборочный, входной и приемочный. Операционный контроль – контроль изделий в процессе выполнения или после завершения производственной операции. При этом контроль может быть сплошным или выборочным, т. е. проверяется либо каждое изделие, либо пробное из партии. Приемочный контроль – контроль готовой продукции. Входной контроль обеспечивает контроль сырья, полуфабрикатов или изделий другого производства [27].

При всех видах контроля широко применяется дефектоскопия, использующая различные физические и физико-химические явления, процессы и взаимодействия.

3.1 Методы, использующие акустические волны

Акустический неразрушающий контроль основан на регистрации параметров распространяющихся в объекте акустических волн.

Акустические колебания в зависимости от частоты подразделяют на инфразвуковые (частота до 20 Гц), гиперзвуковые (частота от 2 ∙ 10¹⁰ до 2 ∙ 10¹³ Гц) и ультразвуковые (частота от 1,6 ∙ 10⁴ до 10⁹ Гц). Для акустического контроля применяют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний обычно невелика, не превышает 1 кВт/см. Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики). Акустические волны вызывают в упругой среде колебания ее частичек относительно своих положений равновесия. Упругие колебания распространяются от частицы к частице с определенной скоростью, зависящей от свойств озвучиваемого материала и вида акустических волн. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны различают продольные, поперечные (сдвиговые), поверхностные и нормальные волны. Волна называется продольной, если ее направление совпадает с направлением упругих колебаний частиц. Такие волны возбуждаются в твердых, жидких и газообразных телах.

Кроме упругости объема в твердом теле существует упругость формы, поэтому в нем могут распространяться поперечные (сдвиговые) волны. Волна называется сдвиговой, если ее направление перпендикулярно направлению колебаний частиц. В ограниченных твердых телах могут быть волны других типов. Вдоль свободной поверхности твердого тела могут распространяться поверхностные волны, или волны Релея. Они затухают на глубине, равной длине волны [11].

В различных средах упругие колебания возбуждаются с помощью магнитострикционных, пьезоэлектрических, электромагнитно-акустических и других преобразователей. Магнитострикционные преобразователи, действие которых основано на преобразовании электромагнитной энергии в механическую, изготавливают из магнитострикционных (магнитомягких) материалов: никеля, пермаллоя, пермендюра. Магнитострикция – изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании, вызываемое изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле.

Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи. Их изготавливают из монокристалла кварца и пьезокерамических материалов: титаната бария, цирконата-титаната свинца и др. Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластину с нанесенными на поверхность тонкими слоями серебра, служащими электродами. Для приобретения пластинами пьезоэлектрических свойств их электризуют в постоянном электрическом поле. При приложении к такой пластине переменного электрического напряжения в ней возникают вынужденные механические колебания, частота которых соответствует частоте электрического напряжения. Этот вид пьезоэффекта называется обратным. Если же к пластине прикладывать колебательные механические нагрузки, то в ней возникает переменное электрическое напряжение соответствующей частоты. Этот вид пьезоэффекта называется прямым. Наибольшая амплитуда колебаний пьезопластины возникает при резонансе, т. е. при совпадении собственной частоты и частоты переменного напряжения. Если пьезопластину приложить к поверхности контролируемого объекта, то в его материале будут возбуждаться и распространяться упругие волны. После прекращения действия переменного напряжения пьезопластина продолжает совершать затухающие механические колебания. Ускорения затухания добиваются, используя демпфирующие материалы: асбест, эпоксидную смолу с наполнителем и др. Для ввода упругих колебаний в контролируемую деталь, приема отраженных эхосигналов пьезопластину помещают в специальное устройство, называемое искательной головкой.

Акустические методы контроля могут быть разделены на две группы:

– основанные на излучении и приеме акустических волн;

– основанные на регистрации акустических волн, возникающих в материалах и изделиях.

В первой группе различают методы контроля с использованием бегущих и стоячих волн или резонансных колебаний контролируемого объекта. На использовании бегущих волн основаны следующие методы.

Теневой метод. Иногда его называют методом сквозного прозвучивания. В этом случае излучатель и приемник разделены, а дефект на пути ультразвуковых волн ослабляет принимаемый сигнал или задерживает его приход, поскольку при огибании дефекта удлиняется путь упругой волны (рисунок 3.1).

Зеркально-теневой метод. Это разновидность теневого метода.

В данном случае оба датчика устанавливаются с одной стороны контролируемого изделия. Интенсивность упругих колебаний регистрируется после их отражения от противоположной поверхности.

Рисунок 3.1 – Возникновение акустической тени при сквозном прозвучивании:

а – объект исследования не имеет дефекта; б – объект имеет малый дефект, искажающий уровень регистрируемого сигнала; в – образование акустической тени при крупном дефекте. 1 – излучатель ультразвуковых волн; 2 – приемник ультразвуковых волн; 3 – исследуемый образец; 4 – дефекты в образце

Эхоимпульсный метод. При этом методе упругие колебания вводят с помощью совмещенной искательной головки, которая посылает импульс и регистрирует его после прохождения по контролируемой детали (как и на Рисунок 3.2). На экране осциллографа при прохождении лучей через деталь, не имеющую дефекта, появятся только два импульса: начальный (отражение от границы «головка – деталь») и конечный, или донный (деталь – воздушная среда). Если на пути излучения появится дефект, возникает еще один импульс, свидетельствующий о наличии препятствия. При полном перекрытии дефектом пути излучения на экране появятся начальный импульс и импульс, свидетельствующий о наличии какой-либо несплошности.

При этом методе используются поверхностные нормальные и сдвиговые волны, которые посылаются в исследуемый материал импульсами, следующими один за другим через определенные интервалы времени.

Импендансный метод. Основан на зависимости полного механического сопротивления (импенданса) упругим колебаниям изделия от качества соединения отдельных его элементов между собой. Этим методом контролируют изделия, имеющие несколько слоев (рисунок 3.2).

Стержень датчика совершает продольные колебания и контактирует с участком поверхности трехслойного материала. Если участок склеенного материала без дефекта будет сопротивляться колебаниям, создавая реакцию F_p, то над участком с дефектом непроклея, реакция уменьшится до F_рд, так как жесткость поверхностного слоя на участке дефекта будет меньше, чем в предыдущем случае. Усилие реакции фиксируется индикатором.

Рисунок 3.2 – Импендансный метод акустической дефектоскопии:

1 – стержень датчика; 2 – поверхностный слой трехслойной конструкции; 3 – клеевая прослойка; 4 – основной слой материала конструкции; 5 – дефект непроклея

Резонансный метод дефектоскопии и толщинометрии (рисунок 3.3).

При контроле этим методом определяют частоты, на которых возбуждаются резонансы колебаний в исследуемом участке изделия (например, по толщине стенки трубы или листа). По резонансным частотам определяют толщину изделия. На наличие дефекта указывает уменьшение толщины, ослабление или исчезновение резонансов.

Рисунок 3.3 – Резонансный метод дефектоскопии и толщинометрии

Последнее происходит в случае, когда дефект расположен не параллельно поверхности изделия или наблюдается повышенное затухание ультразвука.

Метод свободных колебаний или спектральный (рисунок 3.4). Основан на анализе спектра частот собственных колебаний изделия, вибрирующего после удара по нему. Раньше эту операцию контролеры выполняли только на слух (например, проверка стеклянной посуды по звону), но в настоящее время разработана аппаратура, позволяющая выделять и количественно анализировать наиболее характерные части спектра.

Рисунок 3.4 – Реализация спектрального метода неразрушающего контроля

Ко второй группе относится следующие методы регистрации акустических волн, возникающих в материалах и изделиях.

Метод акустической эмиссии. Регистрирует упругие волны, возникающие в момент образования или развития трещин. В этом случае излучателем ультразвука является образующийся дефект. Следует отметить, что даже небольшие изменения структуры материала служат источником волн эмиссии. Признак достижения опасного состояния конструкции – увеличение частоты следования или амплитуды сигналов в определенном диапазоне частот. Этим методом проверяют сварные конструкции (сосуды давления, фермы мостов) в процессе сварки, при прочностных испытаниях, а также во время эксплуатации.

Шумно-вибрационный метод. Основан на наблюдении спектра частот работающего механизма в целом или отдельных его компонентов. Преобразователь, подобно медицинскому стетоскопу, прижимают к отдельным точкам механизма, или он воспринимает сигналы по воздуху.

Эхометод ультразвуковой дефектоскопии. Наиболее распространен, с его помощью контролируют поковки, штамповки, прокат, термообработанное литье, сварные швы, пластмассы, измеряют толщину изделий и оценивают структуру материалов.

Теневой метод. Применяется в основном для контроля проката малой и средней толщины, некоторых резиновых изделий (покрышек колес), для исследования упругих свойств стеклопластиков, бетона, графита и т. д. Как правило, условием его применения является двусторонний доступ к изделию. В случае, когда это условие не выполняется, может быть использован зеркально-теневой метод (например, для контроля железнодорожных рельсов) или резонансный. Последний применяют в основном для измерения толщины тонкостенных труб и сосудов.

Импедансный метод. Контролирует клеевые и паяные конструкции из металла и пластмасс. Используется только при сухом точечном контакте преобразователя с изделием.

Метод свободных колебаний (с приборной регистрацией). Применяется для тех же целей, что и импедансный.

Акустические методы классифицируют также по способу контакта преобразователя с изделием. Ультразвуковые волны хорошо отражаются от тончайших воздушных зазоров, поэтому для передачи ультразвука от преобразователя к изделию промежуток между ними заполняют слоем жидкости [11].

Существует несколько способов передачи ультразвука:

контактный – преобразователь прижимают к поверхности изделия, предварительно смазанной жидкостью (например, маслом) до соприкосновения. В некоторых случаях слой жидкости заменяют или дополняют эластичным материалом;

щелевой (или менисковый) – между преобразователем и изделием создается зазор толщиной порядка длины волны ультразвука. В этом зазоре жидкость удерживается силами поверхностного натяжения;

иммерсионный – между преобразователем и изделием создается толстый слой жидкости путем помещения изделия в резервуар с жидкостью или образования локальной жидкостной ванны;

бесконтактные – это способы возбуждения и приема упругих колебаний через слой воздуха или с помощью электромагнитного поля, возбуждаемого датчиком. В этом случае специальная контактная среда не требуется.

Указанными методами можно выявлять поверхностные и внутренние дефекты. Все другие методы контроля, кроме радиационных, выявляют только поверхностные или подповерхностные дефекты.

Акустическими методами, практически безопасными для обслуживающего персонала, хорошо обнаруживаются тонкие трещины. Ультразвуковой контроль легко автоматизировать.

Применение ультразвукового контроля ограничивают следующие факторы: неоднородность внутренней структуры материала: наличие крупнозернистой структуры, так как гетерогенность материала вызывает сильное рассеяние ультразвуковых волн, что ослабляет полезный сигнал и приводит к появлению шумов; в частности плохо контролируются литье (особенно из коррозионностойких сталей), чугун с крупными графитовыми включениями, бетонные изделия; сложность формы и малые размеры изделий затрудняют введение ультразвуковых лучей, а при наличии выступов и выемов на поверхности вблизи области возможного расположения дефектов могут возникать ложные сигналы; грубая поверхность изделия (ниже 6-го класса шероховатости) приводит к ослаблению чувствительности ультразвукового контроля и нестабильности акустического контакта преобразователя с изделием. Требования к шероховатости поверхности особенно высоки при контактном способе контроля и снижаются при иммерсионном способе.

Ультразвуковыми методами четко обнаруживаются дефекты, но часто возникают серьезные трудности при определении их размеров и характера, что имеет решающее значение для оценки результатов контроля.

Ультразвуковой контроль требует специальных навыков и может применяться только обученным персоналом. При ультразвуковом контроле важно учитывать, что упругие волны, отражаясь от элементов конструкции сложной формы (деталей с выточками, шпоночных канавок, фланцев и т. п.), создают множество импульсов. В этом случае тщательно изучают конструкцию, определяют возможность появления эхосигналов, проверяют их на эталонной детали. Затем выбирают рациональное направление озвучивания. Его желательно проводить при шероховатости поверхности 5-6-го классов. При более грубой поверхности дальность распространения поверхностных и нормальных волн снижается, поскольку происходит рассеивающее отражение от выступов шероховатости [28].

Различные конструкции дефектоскопов допускают наличие определенных размеров мертвых зон, т. е. неконтролируемых участков.

Размер мертвой зоны зависит от многих факторов, в том числе от характеристик дефектоскопа, акустических характеристик материала и других причин. Конкретные параметры указываются в документации на дефектоскоп.

С помощью акустических методов можно не только находить несплошности, но и контролировать структуру и физико-механические свойства материалов, измерять толщину деталей и защитных покрытий, а также проводить исследования усталостной повреждаемости материалов. Перед началом акустического контроля поверхность детали очищают от грязи, отслаивающегося лакокрасочного покрытия, окалины, продуктов коррозии, чтобы улучшить условия прохождения волн и устранить возможность появления сигналов помех. На основе регистрации импульсов могут быть построены автоматизированные системы контроля при массовом производстве.

Акустические методы контроля непрерывно развиваются, появляются новые высокопроизводительные приборы, позволяющие расширить область их применения при ремонте конструкций и изделий.