книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

Дефекты типа “посторонние включения”, обычно металли­ ческого характера, могут образовываться на каждом этапе из­ готовления.

Таким образом, на основании проведенных исследований удалось определить характер влияния различных видов струк­ турных дефектов на физико-механические и теплозащитные свойства композиционных материалов.

Наличие различного шага укладки наполнителя вдоль ко­ ординатных осей может являться одной из причин отличия расчетных значений упругих констант от реальных характерис­ тик материала.

Наличие искривленных волокон в ортогонально-армиро­ ванных материалах существенно снижает их 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.

Уменьшение числа армирующих жгутов в каком-либо на­ правлении, обычно вследствие их припусков или обрывов, приводит к снижению прочности при растяжении.

Повышенная пористость оказывает заметное влияние на модуль упругости в трансверсальном направлении, где содер­ жание волокон мало, а влияние матрицы на формирование жесткости указанного направления весьма значительно.

Выбор методов неразрушающего контроля качества

Изготовление конструкций из композитов — сложный и многоступенчатый процесс, зависящий от десятков технологи­ ческих параметров, изменение любого из которых может при­ вести к необратимым нарушениям заданной структуры. Нали­ чие структурных дефектов часто становится решающим фак­ тором, определяющим работоспособность конструкций. Обес­ печение своевременного выявления структурных дефектов, снижающих требуемые физико-механические характеристики, является одной из наиболее актуальных проблем достижения высокого качества изготавливаемых конструкций. Решение этой проблемы возможно лишь при условии оптимального

выбора и применения наиболее эффективных методов и средств контроля качества.

Для выбора эффективных методов и средств контроля ка­ чества необходимо учитывать: физико-механические свойства материалов, характерные особенности внутренней структуры и структурных дефектов, геометрические параметры изделий (форму, размеры), состояние поверхности изделия, условия проведения контроля, особенности технологии изготовления изделий.

Учитывая, что изготовление конструкций происходит в не­ сколько этапов, на каждом из которых возможно образование дефектов, характерных для данной технологической стадии, необходимо проводить контроль качества на всех этапах с целью своевременного устранения, если это возможно, обна­ руженных дефектов, либо исключать дальнейшее применение в технологической цепочке дефектного материала.

Проведение НК не гарантирует качество всего объема из­ делий, хотя он и необходим на стадии отработки технологии изготовления для идентификации некоторых типов дефектов и определения степени влияния различных отклонений от задан­ ной структуры на физико-механические характеристики мате­ риалов, а также в тех случаях, когда не существует других методов контроля качества.

Решение задачи обеспечения контроля качества всего объе­ ма выпускаемой продукции возможно только при условии при­ менения методов и средств НК. Использование методов НК качества позволяет не только контролировать качество продук­ ции, но и предсказывать ее свойства, параметры, причины отказа изделий. Методы НК не являются универсальными, каждый из них имеет свою область наиболее эффективного применения. Большинство из них позволяют решать довольно узкий круг дефектоскопических задач: контроль изделий из определенного материала, поиск дефектов определенного вида. Поэтому достижение высокого качества возможно лишь при использовании наиболее эффективных для каждой стадии из­ готовления методов и средств НК.

Методы НК в зависимости от физических явлений, поло­ женных в их основу, подразделяют на девять видов: магнитный, электрический, вихревой, радиотехнический, тепловой, опти­

ческий, радиационный, акустический, проникающими вещест­ вами.

Магнитный НК Магнитный метод НК основан на регистра­ ции рассеяния магнитных полей различными дефектами в де­ талях любых форм и размеров ферромагнитных материалов, которые могут существенно изменить свои магнитные харак­ теристики под воздействием внешнего магнитного поля. Метод позволяет выявлять поверхностные и приповерхностные де­ фекты — трещины, неметаллические включения и др. Для материалов, не обладающих ферромагнитными свойствами,

щениями неэлектрической природы (например, тепловым, ме­ ханическим и др.) В качестве первичного информативного параметра используют электрические характеристики объекта контроля.

С помощью электрических методов можно непосредственно или косвенно определять различные физические характеристи­ ки материала и геометрические параметры изделия: диэлект­ рическую проницаемость, коэффициент диэлектрических по­ терь, плотность, содержание компонентов в гетерогенных сис­ темах, влажность, степень полимеризации и старения, механи­ ческие параметры, радиопрозрачность, толщину пластин, обо­ лочек и диэлектрических покрытий на проводящем и непро­ водящем основаниях, поперечные размеры линейно-протяжен­ ных проводящих и диэлектрических изделий, локализацию проводящих и диэлектрических включений и др.

Анализ возможностей электрических методов для решения задач, стоящих перед НК изделий из рассматриваемых мате­ риалов, показал, что использование этих методов НК не по­ зволяет контролировать большинство необходимых характерис­ тик КМ: регулярность заданной внутренней структуры мате­ риала, разноплотность внутри материала и др.

Вихревой НК Вихретоковые методы НК основаны на ана­ лизе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуж­ дающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных параметров объекта, а также взаимного расположения измерительного вихревого преобразователя и объекта.

Эти методы в основном применяют для контроля качества изделий из токопроводящих материалов: металлов, сплавов, графита, полупроводников. Кроме того, их широко используют для контроля структуры металлов и сплавов, а также для оп­ ределения механических напряжений. Им свойственна малая глубина зоны контроля, определяемая глубиной проникнове­

Рис. 5.26. Схема вихретокового метода:

1 — намагничивающая катушка; 2 —деталь; 3 — трещина; 4 —магнитные поля вокруг трещины

С помощью вихретоковых методов НК обнаруживают де­ фекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине, а также трещины, рассло­ ения, раковины, неметаллические включения и др. Вихретоко­ вые методы позволяют успешно решать задачи контроля раз­

меров изделий. Этими методами измеряют диаметр прутков, толщину листов и стенок труб при одностороннем доступе к объекту, толщину слоев многослойных структур, содержащих электропроводящие слои.

Радиотехнический НК. В настоящее время для контроля изделий из КМ применяют в основном радиоволновой и ра­ диоспектроскопический методы.

Радиоволновые методы основаны на использовании явле­ ния отражения и затухания радиоволны, связанных с наличием дефектов в контролируемом изделии. Обнаружение дефектов осуществляется путем измерений параметров (диэлектропро­ ницаемости, коэффициента затухания), связанных с отражени­ ем и затуханием радиоволн при помощи автоматических изме­ рительных линий или измерителя коэффициента стоячей волны.

Радиоволновым методом можно проводить следующие ис­ пытания: измерение толщины, выявление различных неодно­ родностей, определение содержания влаги и состава материала, контроль степени чистоты поверхности, структуры, степени отверждения.

При прохождении радиоволн через материал меняются их параметры: фаза, амплитуда и направление поляризации. Из­ менение этих параметров может быть измерено раздельно и связано с изменением одного, двух, а также иногда и трех физических характеристик изделия. В связи с этим значительно расширяются пределы измерений радиоволнового метода.

Радиоспектроскопические методы контроля основаны на использовании зависимости резонансных явлений в твердых, жидких и газообразных материалах от состава материала, его структуры и в ряде случаев от формы изделия. Поэтому изме­ рением резонансных частот, напряженности магнитных полей, а также изменением формы резонансной кривой можно обна­ ружить дефекты внутри объемов, в которых возбуждаются электромагнитные колебания.

Радиоспектроскопическими методами можно контролиро­ вать появление дефектов очень малых размеров - вплоть до нескольких десятков межатомных расстояний. Эти методы по­ зволяют получить весьма разнообразную информацию о дефек­ те. Так, например, можно с достаточной степенью точности

Метод НК течеисканием основан на регистрации индика­ торных жидкостей или газов, проникающих в сквозные дефек­ ты контролируемого объекта. Течеискание является специфи­

являются пространственно-временные распределения его амп­ литуды, частоты, фазы, поляризации и степени когеррентности.

К основным информационным параметрам объектов опти­ ческого контроля относятся их спектральные и интегральные фотометрические характеристики, которые в общем случае за­ висят от строения вещества, его температуры, агрегатного со­ стояния, микрорельефа, угла падения света, степени его поля­ ризации, длины волн.

Наибольшее применение на практике получил метод ин­ фракрасной дефектоскопии.

Инфракрасное излучение — это электромагнитные волны, образующиеся в результате колебательных и вращательных дви­ жений атомов и молекул вещества, температура которого выше абсолютного нуля (— 73 °С).

Инфракрасная дефектоскопия основана на различии теп­ лопроводностей у качественного и дефектного материала. При одностороннем нагревании изделия на его противоположной стороне образуется картина распределения теплоты, которая фиксируется на термофотографии. Анализ такой фотографии позволяет определять дефектные места в материале конструк­ ции.

Кроме того, качество материала в изделии можно оценить по некоторым параметрам лучистого потока (показатель ослаб­ ления, коэффициент прозрачности, спектр излучения).

Этот метод может быть рекомендован как для изделий, имеющих доступ лишь с наружной стороны, так и для изделий, имеющих доступ изнутри, поскольку он позволяет регистриро­ вать инфракрасное излучение, отраженное излучение или про­ шедшее через исследуемую среду.

Спектр излучаемого сигнала зависит от типа инфракрасного источника, оптических свойств исследуемого материала, тол­ щины изделия и ряда других факторов. Однако учитывая, что многие виды КМ имеют окна прозрачности на различных видах волн, более целесообразно использовать источники со спект­ ром излучения, длина волны которого находится в диапазоне 0,75...10 мкм.

Функциональная схема инфракрасного спектрометра, пред­ назначенного для исследования сильно рассеивающих матери­ алов, представлена на рис. 5.29. Настройку прибора на различ­ ные длины волн осуществляют перемещением источника. Для проведения измерения проверяют с помощью фильтров пра­ вильность градуировки микрометрического винта по длинам волн. В прибор вставляют испытуемый образец, его просвечи­ вают, записывают показания стрелочного прибора. Далее пос­ ледовательно путем перемещения источника устанавливают длины волн: от 0,5 до 2,5 мкм.

Описываемый метод имеет высокую чувствительность и разрешающую способность выявления дефектов, а также по­ зволяет получать фотодокумент, характеризующий внутреннее состояние контролируемого изделия.

К числу дефектов, обнаруживаемых с помощью оптических методов, относятся пустоты, отслоения, поры, трещины, ино­ родные включения, изменение структуры материалов и их фи-

зико-химических свойств, отклонения от заданной геометри­ ческой формы и т.д.

6

Рис. 5.29. Функциональная схема инфракрасного спектрометра: I —входная щель; 2 —источник инфракрасного излучения; 3 - отражающее зеркало; 4, 13 — проекционные зеркала; 5, 6 - проекционное и фокусирующее зеркала; 7 —призма, разлагаю­ щая спектр; 8 — выходная щель; 9 — образец; 10 —усилитель;

II—приемник; 12 —модулятор

Спомощью оптических методов внутренние дефекты можно выявлять только в изделиях из материалов, прозрачных

воптической области спектра. В последние годы развивается метод оптической голографии.

Тепловой НК. Методы теплового НК основаны на регистра­ ции тепловых (температурных) полей контролируемого объек­ та. Температурное поле поверхности является источником ин­ формации об особенностях теплопередачи, которые в свою очередь зависят от наличия внутренних или наружных дефек­ тов: раковин, полостей, трещин, непроваров, инородных вклю­ чений и т.д.

Основной информационный параметр при тепловом НК — локальная разность температур (перепад температур) между дефектной и бездефектной областями объекта. Перепад темпе­ ратур и его значение в градусах на различных участках контро­ лируемого объекта является функцией большого числа факто­ ров как внутренних, так и внешних. Внутренние факторы

определяются теплофизическими свойствами контролируемых объекта и дефекта, а также их геометрическими параметрами. Внешними факторами являются характеристики процесса теп­ лообмена на поверхности объекта контроля, мощность источ­ ника нагрева и скорость его перемещения вдоль объекта. Знак перепада зависит от соотношения теплофизических свойств дефекта, изделия и исследуемой поверхности. Методами теп­ лового НК можно выявить такие дефекты, как пропуски ар­ мирующих нитей в каркасах, сравнительно крупные посторон­ ние включения. Однако эти методы не позволяют обнаруживать мелкие структурные дефекты, так как геометрическая разре­ шающая способность современной аппаратуры составляет при­ близительно 0,5 мм. Методы теплового НК имеют ряд других недостатков: сравнительно долгая процедура нагрева и охлаж­ дения объекта контроля, плохая выявляемость дефектов, кото­ рые глубоко залегают, и др.

Акустический НК. Методы акустического НК основаны на регистрации параметров упругих колебаний, возбуждаемых в исследуемом объекте. Колебания ультразвукового и звукового диапазона частот от 50 Гц до 50 МГц происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью.

Акустические методы НК подразделяют на две группы: основанные на излучении и приеме акустических волн (актив­ ные методы); основанные только на приеме волн (пассивные методы).

Акустический НК позволяет контролировать сплошность металлических и неметаллических материалов, качество свар­ ных, паяных и клееных соединений, а также измерять толщины при одностороннем доступе. Точность измерения составляет 3...8 % от эквивалентной или условной чувствительности, ко­ торая задается специальными эталонными отражателями, имеющими определенную форму, размеры, ориентацию и глу­ бину залегания. Применение акустического контроля эффек­ тивно для изделий простой формы. Малопригодными для кон­ троля являются мелкие детали сферической и конической формы, участки деталей с резьбовыми и замковыми соедине­ ниями, выступами, фланцами, проточками сверления и т.д.