Способ определения прочности изделий

 

Изобретение относится к области анализа свойств материалов физическими методами , в частности к области оценки прочностных свойств с помощью акустической эмиссии АЭ, и может быть использовано для определения прочности изделий из композиционных материалов, армированных тканью. Целью изобретения является повышение точности и достоверности определения прочности материалов, армированных тканью, и изделий из них, что достигается путем измерения мощности сигналов АЭ, причем нагружение производят до появления максимума мощности, а искомую величину определяют из заранее снятой для образцов зависимости логарифма максимума мощности АЭ от прочности. 2 ил. ел С

ГОУЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<я)5 G 01 N 29/14

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4910244/28 (22) 12,02.91 (46) 28.02.93. Бюл. N. 8 (71) Физико-технический институт им.А.Ф.

Иоффе и Научно-производственное объединение "Молния" (72) Б.Л. Баскин, В,В. Комнов, А.Г. Касарин, А.M. Лексовский, К.Л. Муборкашаев и Л,Г, Орлов (56) Авторское свидетельство СССР

М 1151880, кл. G 01 M 29/14, 1985;

B,А, Грешников и др. Акустическая эмиссия. M.: Издательство стандартов.

1976, с.118. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ

ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к области анализа свойств материалов физическими методами, в частности — к области оценки прочностных свойств с помощью акустической эмиссии (АЭ) и может быть использовано для определения прочности изделий из композиционного материала, армированного тканью.

Целью данного изобретения является повышение точности и достоверности определения прочности композиционного материала, армированного тканью.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения прочности, заключающемся в том, что образцы изделий нагружают до разрушения и регистрируют их прочность и акустическую эмиссию, изделия также нагружают и регистрируют акустическую эмиссию, а о проч.,. Ж 1798680 А1 (57) Изобретение относится к области анализа свойств материалов физическими методами, в частности к области оценки прочностных свойств с помощью акустической эмиссии АЭ, и может быть использовано для определения прочности изделий из композиционных материалов, армированных тканью. Целью изобретения является повышение точности и достоверности определения прочности материалов, армированных тканью, и изделий из них, что достигается путем измерения мощности сигналов АЭ, причем нагружение производят до появления максимума мощности, а искомую величину определяют из заранее снятой для образцов зависимости логарифма максимума мощности АЭ от прочности, 2 ил. ности судят по параметрам акустической эмиссии, регистрируют для образцов акустической эмиссии от прочности, а нагружение иэделия осуществляют до появления максимума мощности акустической эмиссии, по которому с учетом полученной для образцов зависимости судят о прочности.

Достижение указанных целей способствует тот факт, что благодаря особенностям структуры композита, армированного тканью, состоящей из изогнутых волокон, при растяжении материала до величины нагрузки 30 — 50;/, от разрывной, наблюдается максимум мощности АЭ (фиг.1), логарифм величины которого имеет прямую связ С прочностью материала.

Выбор в качестве определяющего параметра мощности АЭ позволяет повысить до1798б80 стоверность и точность по следующим при.чинам, Мощность АЭ определяется как и

W= (1) где Ai и 4 — соответственно, средние значения амплитуды и длительности сигналов; п — число сигналов, зарегистрированных за временн.ой интервал Лt, Поскольку амплитуда и длительность сигналов АЭ характеризуют размер образующихся дефектов, à n — их число, то в целом параметр мощности АЭ достаточно полно отражает процесс образования повреждений в материале, что выражается в повышении достоверности по сравнению с прототипом, где в качестве определяющего используется параметр эктивнооти АЗ, характеризующий только число повре>кдений, Кроме того, параметр мощности АЭ включает в себя несколько независимых величин (амплитуду, длительность, активность), характеризующих и роцесс повреждаемости, он более стабилен, меньше зависит от случайных процессов и помех, что приводит к повышению точности способа.

Другим признаком, повышающим достоверность и точность способа, является возможность определять параметр АЭ— мощность по максимуму.

Точность способа повышается за счет того, что определение величины максимума мощности не зависит ни от точности нагружения, ни от скорости изменения мощности в процессе нагружения (момент определения параметра АЭ не сводится в точку на шкале нагружения, соответствующую резкому изменению параметра ЛЭ, а трансформируется в достаточно протяженный по времени и.нагрузке участок, которому соответствует постоянство величины параметра

АЭ), Кроме того, нагружение до появления максимума мощности позволяет выявить и оценить степень развития процесса микроразрушения на ранней стадии нагружения, прямо связанную с прочностью материала, что повышает достоверность метода.

Существенным признаком способа является построение зависимости логарифма максимума мощности (IgW ») от прочности (о) (фиг,2) и определение по ней величины прочности изделия из композитного материала, Авторы экспериментально выявили эту взаимосвязь (!дй „(б ) при нагружении серии образцов изделий до разрушения, что и позволило уже непосредственно в процессе тестирования определять прочность тестируемого изделия, зная максимум мощности

АЭ, регистрируемый при пробном его нагружен ии.

5 Материал имеет сложную неоднородную структуру, определяемую извилистой формой укладки волокон, Прочность волокон в композите резко падает с увеличением угла их отклонения от направления приложения нагрузки, Поэтому при деформировании такого материала, в первую очередь, происходит разрушение наиболее изогнутых участков волокон, по-видимому, вследствие возникновения локальных сдвиговых напряжений. Так как синусоидальная форма волокон определяет некоторую периодичность строения материала, то и процессы разрушения имеют экстремальный характер и проявляются в виде максимума мощ20 ности АЭ (фиг,1). Действительно, при выжигании полимерной матрицы из образцов, подвергнутым нагружению до момента появления максимума мощности АЭ, были обнаружены многочисленные разрывы пучков волокон с образованием отрезков, длиной, соответствующей и кратной периоду синусоидальной формы укладки волокон.

В результате многочисленных испытаний на разрыв образцов материала, армированного тканью, выявлена линейная связь между логарифмом максимума мощности

АЭ и величиной прочности материала, положенная в основу способа (фиг.2).

Эта зависимость имеет следующий фиÇ5 зический смысл.

Если появление максимума мощности

АЗ объясняется извилистостью укладки волокон, то его высота определяется свойствами матрицы, ее адгезией к волокнам, 40 характером ее заполнения и т.д. Чем сильнее связь между волокнами и матрицей, чем больше модуль упругости матрицы, TBM бо-. лее монолитен композит, и тем более хрупкое поведение он обнаруживает при

45 деформировании, Разрушение одиночных волокон влечет за собой разрушение десятков окружающих волокон. Возникает так называемый коррелированный кооперативный характер разрушения несущих волокон с большим выделением мощности АЭ, способный вызвать катастрофическое разрушение композита. Именно такой тип разрушения наблюдается в непрочных образцах уже нэ ранней стадии нагружения

55 (фиг,1, кр,1,2).

В материале с оптимальной адгезией протекают процессы микрорасслоения, которые препятствуют передаче выделяющейся при разрывах волокон энергии к соседним целым волокнам и, таким обра1798680

50 зом, способству от рассеянному равномерному по объему разрушению с малым уровнем выделения мощности АЭ (фиг,1, кр.5,6).

Такой материал легко переносит нагружение на стадии образования максимума и разрушается при действии нормальных напряжений на волокна, показывая при этом значительную прочность. При слишком малом уровне адгезии нарушается композиционный принцип выравнивания напряжения по сечению и волокна разрушаются хоть и не коррелированно, но большими партиями в местах с повышенными локальными напряжениями, образованными из-за сильно неоднородной структуры, При этом величина максимума мощности АЭ будет больше, чем в случае с оптимальной адгезией.

Таким образом, основой способа является выявленная авторами связь между структурой материала, свойствами его компонентов, проявляющимися при пробном нагружении в виде максимума мощности

АЭ, и прочностью этого материала, что позволяет достичь цели, указанной в формуле изобретения.

Следует отметить, что пробное нагружение производится лишь до 30 — 50% от величины разрывной нагрузки прочных образцов, что значительно меньше величины традиционных опрессовок, широко используемых в технике.

Пример. Предлагаемый способ был реализован при тест-контроле деталей конструкций, представляющих в сечении форму тавра, изготовленных из композиционного материала на основе углеродных волокон и углеродной матрицы сложного состава, Как оказалось в процессе исследования, прочность материала и конструкции зависят от наполнения композита составляющими матрицы, ее адгезии, которые трудно контролировать в процессе изготовления изделий, Тестируемые детали имели линейный размер до 1 м„представляющие собой ребра жесткости. К ним крепились 2 АЭ преобразователя на расстоянии 90 см., контролируемые детали подвергались растяжению в постоянном режиме нагружения, Сигналы АЭ регистрировались с помощью

АЭ системы фирмы "PAC" (CLLIA). Установочные приборные данные: усиление — 40 дб, порог на входе усилителя — 700 мк. Столь высокий уровень порога позволял проводить дискриминацию сигналов, излучаемых

"малошумящими" объективами (например, трещинами микрорасслоения, проскальзы-. вающими волокнами и т.д.) и пропускать лишь крупные сигналы АЭ, испускаемые при групповых разрывах высокомодульных

45 армирующих волокон, определяющих прочность материала (известно, что мощность сигналов АЭ зависит от модуля Е (7), который у волокон в 100 раз выше, чем у матрицы).

Благодаря большому содержанию волокон в материале (\/и 40%), обеспечивалась достаточно большая активность АЭ при их разрушении, необходимая для уверенных измерений (по 50 имп./сек).

Перед проведением тестирования изделий необходимо было построить градуировочную зависимость логарифма максимума мОЩнОсти АЭ От прочности (lgN щах(г7)). Для этой цели были проведены испытания на разрушение серии подобных изделий (около

50 шт). Коэффициент корреляции полученной зависимости был равен 0:89 (фиг.2). Для сравнения была построена зависимость логарифма максимума активности АЭ от прочности — параметра АЭ, используемого в прототипе для контроля изделий. Полученный коэффициент корреляции при этом был равен 0,68, что явно снижает точность проведения контроля изделий. Здесь следует отметить, что при снижении уровня порога и расширении диапазона регистрации АЭ за счет менее мощных сигналов, в меньшей степени отражающих процесс деградации прочностных свойств материала, параметр мощности АЭ по сравнению с параметром активности АЭ будет в значительно меньшей степени подвержен "искажениям" за счет меньшего вклада неинформативных сигналов. Б параметр активности АЭ маломощные сигналы входят как полноправные, т,к. величина амплитуды при этом не учитывается, В параметр мощности АЭ сигналы входят в соответствии с их величиной, что в целом более достоверно отражает реальные процессы разрушения и характеризует снижение прочности материала.

После построения градуировочной зависимости 190/max(O) пРоводилось теСтиРОвание изделий, Нагружение тестируемого изделия производилось до момента появления максимума АЭ, определяемое по текущему графику изменения мощности АЭ на экране дисплея. Уровень пробного нагружения составил 25 ЫПа, что не превышало 40% прочности качественных изделий (60 МПа).

B процессе пробного нагружения измерялась величина максимума мощности АЭ и по

ГРаДУИРОВОЧНОЙ ЗаВИСИМОСТИ IgNtmax(O ) Oll ределялась прочность изделия (фиг.2).

Таким образом, на примере определения прочности изделий из углерод-углеродных композитов показано, что применение данного способа приводит к поставленной

1798680

w/,5 -Io

20 Ъ" 1

6

- Л Л "1

1, г ин

6 lP ie

ФИГ.

6,Sea

ФИГ, 2

Составитель Б.Баскин

Техред M.Ìîðãåíòàë

Корректор С.Носко

Редактор Н,Коляда

Заказ 768 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 цели: повышению точности и достоверности определения прочности изделий, Предлагаемый способ может быть использован, во-первых, как срадство изучения микропроцессов разрушения, 5 происходящих в материале при его деформировании, т,к, имеется связь между параметром мощности АЗ и структурными перестройками в материале, и, во-вторых, как способ контроля композитных материа- 10 лов, армированных тканью. и определения прочности изделий из этих материалов.

Формула изобретения

Способ определения прочности изделий, заключающийся в том, что образцы из- 15 делий нагружают до разрушения и регис рируют их прочность и акустическую эмис сию, изделия также нагружают регистрируют акустическую эмиссию, а с прочности судят по параметрам акустиче ской эмиссии, о т л и ч а ю щ и. и с я тем, что с целью повышения точности и достоверно. сти, регистрируют для образцов зависи мость логарифма максимума мощности акустической эмиссии от прочности, а нагружение изделия осуществляют до появления максимума мощности акустической эмиссии, по которому с учетом полученной для образцов зависимости судят о прочности.