Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы исследований процессов и материалов. Практикум
.pdf
Классификация композиционных материалов
Композиционные материалы можно классифицировать по
следующим признакам: материалу компонентов, типу
арматуры и её ориентации, способу получения композиции и
изделий из них, по назначению.
В зависимости от материала матрицы (материаловедческий принцип) все композиты можно разбить на три
группы: с металлической, полимерной и керамической
матрицей.
По ориентации и типу арматуры (конструкционный
принцип) все композиционные материалы разделяют на две
группы – изотропные и анизотропные.
Изотропными называются материалы, имеющие
одинаковые свойства во всех направлениях. К ним относят
дисперсно-упрочнённые и хаотично-армированные
материалы.
Анизотропными называются материалы, свойства которых
зависят от направления. К таким композитам относят
материалы, волокна которых ориентированы в определённых
направлениях – однонаправленные, слоистые и трёхмерно
армированные.
По способу получения (технологический принцип)
полимерные композиционные материалы можно разделить на
литейные, прессованные и намотанные. Композиты с
хаотичной структурой обычно получают литьём и
прессованием, а ориентированные – намоткой или
прессованием.
По назначению (эксплуатационный принцип)
композиционные материалы можно разбить на материалы
общеконструкционного назначения (для различного рода
несущих конструкций самолётов, ракет, судов, автомобилей,
двигателей, сосудов высокого давления, предметов широкого
потребления и др.); жаропрочные (для лопаток турбин, камер
сгорания и других изделий, работающих при повышенных
температурах); термостойкие (для изделий, эксплуатируемых
171
в условиях резких теплосмен, например, для облицовки
каналов МГД-генераторов); фрикционные и
антифрикционные (подшипники скольжения, шестерни и
т.д.); ударопрочные (броня самолётов, танков и т.п.);
теплозащитные и композиционные материалы со
специальными свойствами (электрическими, магнитными,
ядерными, оптическими и др.).
6.6.1. Цель работы
Целью лабораторной работы является ознакомление с
композиционными материалами, изделиями из них,
способами изготовления и применения, изучение макро- и
микроструктуры этих изделий, а также обнаружение
дефектов.
Приборы и оборудование для проведения работы
1. Образцы композиционных материалов и изделий из них.
2. Лупа.
6.6.2. Порядок выполнения работы
Меры безопасности
Запрещается приступать к работе, не изучив меры
безопасности.
Задание 1.
Изучить изделие из композиционного материала.
Выполнение опыта.
Сделайте эскиз изделия (детали) из композиционного
материала. Расскажите, каково назначение изделия, из чего и
как оно сделано, где и как его можно использовать.
Задание 2.
Изучить макроскопическое строение данного образца.
172
Выполнение опыта.
Определите торцовый и радиальный разрезы образца,
сделайте их эскизы, укажите элементы макроскопического
строения. Определите, к какому типу относится данный
образец по его макроскопическим признакам.
Задание 3.
При помощи лупы изучить микроструктуру образца в двух
плоскостях.
Выполнение опыта.
Изучите разрезы образца через лупу. Сделайте их эскизы и
укажите все элементы композита. Изучите и укажите
наиболее распространённые дефекты композиционных
материалов.
6.6.3. Оформление работы
Отчёт о лабораторной работе должен содержать:
– краткое описание оптического метода контроля;
– характеристику макро- и микроанализа;
– зарисовки макро- и микроструктур образца;
– метод изготовления изделия;
– дефекты образца;
– область применения детали.
Контрольные вопросы
1. Опишите оптический метод контроля.
2. Каковы преимущества и недостатки этого метода?
3. Что представляет собой композиционный материал?
4. По каким основным разрезам ведётся исследование
макроструктуры композиционных материалов?
5. Какие дефекты композиционных материалов можно
обнаружить оптическим методом контроля?
173
6.7. Изучение структуры материалов
рентгеновским методом
(радиационный метод контроля)
При радиационном контроле используют три вида
ионизирующих излучений: рентгеновское (по имени немецкого физика В. Рентгена, W. Rontgen, 1845 – 1923 г.г.),
гамма- и нейтронное.
Рентгеновские лучи – коротковолновое электромагнитное
излучение с длиной волны от 10
-12
до 10-7 м. Обычно
рентгеновское излучение получают бомбардировкой
быстрыми электронами (с энергией порядка 104 – 106 эВ)
положительного электрода рентгеновской трубки.
Источником рентгеновского излучения могут также служить
радиоактивные изотопы, синхротроны и накопители
электронов.
При прохождении рентгеновских лучей через вещество
энергия лучей уменьшается: часть энергии теряется с
рассеянными во всевозможных направлениях лучами, другая
часть энергии лучей поглощается, превращаясь в другие виды
энергии. Во многих неметаллах и в лёгких металлах,
например в дереве, воде, в магниевых и алюминиевых
сплавах, ослабление рентгеновских лучей в результате
рассеяния соизмеримо с ослаблением в результате
поглощения. В тяжёлых металлах и их сплавах (медь, свинец,
бронза) ослабление интенсивности рентгеновских лучей происходит в основном за счёт поглощения. Поверхностный
слой детали из тяжёлого сплава даёт в пространство меньше
рассеянных лучей, чем поверхность детали из лёгкого сплава
или дерева, так как рассеянные лучи, возникшие в
подповерхностных слоях тяжёлых сплавов, выйдут из сплава
очень ослабленными. В лёгких же сплавах такие лучи будут
менее ослабленными.
Рассеянные лучи ухудшают качество рентгенограмм. Для
ослабления вуали, возникающей на рентгенограммах под
действием рассеянных лучей, столы для укладки деталей под
174
рентгеновскую трубку покрывают слоем свинца. Кроме того,
принимают ряд других мер, сводящих влияние рассеянных
лучей к минимуму.
Доля поглощённой энергии рентгеновских лучей при
прохождении их через вещество зависит от толщины
просвечиваемого слоя, химического состава просвечиваемого материала и от длины волны рентгеновских лучей.
При исследовании материалов могут быть использованы
следующие три свойства рентгеновского излучения:
1. Поглощение – для исследования макроструктуры;
2. Собственное излучение – для спектрального анализа;
3. Отклонение в кристаллической решётке – в микро-
структурных исследованиях.
Задача исследования макроструктуры – выявление
внутренних дефектов металла и инородных включений.
Предметы, имеющие большую толщину, исследуют с
помощью лучей с малой длиной волны.
Характеристическое или собственное излучение атомов
используют для рентгеновского спектрального анализа,
позволяющего получить количественный и качественный
химический состав.
Исследование микроструктуры основано на способности
рентгеновских лучей отклоняться при прохождении через
кристаллическую решётку. Этот метод позволяет получить
представление о строении кристаллической решётки и
распределении кристаллов в веществе, т.е. о текстуре.
С помощью этого метода можно также изучать выделения
в виде частиц субмикроскопической величины и измерять
остаточные напряжения в металлах. Для этих целей
используют однородное рентгеновское излучение. Этот
способ в настоящее время распространяется не только на
кристаллические, но также и на аморфные, твёрдые и жидкие
вещества.
175
Выявление дефектов в металлах
Просвечивание материалов рентгеновскими лучами с
целью обнаружения в них скрытых пороков (дефектов)
называется рентгенодефектоскопией.
Под термином «дефект» в рентгенодефектоскопии
понимают всякого рода внутренние несплошности материала
и включения инородных тел, наличие которых в детали
нежелательно или недопустимо.
Внутренние дефекты материала выявляются благодаря
изменению интенсивности луча при прохождении через
неповреждённую и дефектную части объекта. Различие в
интенсивности излучения после прохождения через обе части
можно зафиксировать фотографированием, а также
наблюдать на просвечивающем экране или фиксировать с
помощью счётчика электронов.
Интенсивность излучения при прохождении через
пустоты, заполненные воздухом, газом или
неметаллическими включениями, меньше, чем в сплошном
материале. Менее ослабленное излучение, естественно,
вызывает более сильное почернение плёнки. Таким образом,
на светочувствительной пластинке или плёнке можно
определить форму внутреннего дефекта и приблизительно
его величину. Глубину залегания дефекта, однако, можно
найти только на основании двух снимков.
Схема рентгеновского анализа представлена на рис. 6.7.1.
176
0
I
1
I
2
I
0
I
1
I
2
I
x
eII
1
02
x
d
Рис. 6.7.1. Схема рентгеновского анализа
Представим дефект размером х внутри образца толщиной
d. Интенсивность излучения при выходе из рентгеновской
трубки
, после прохождения через неповреждённую часть
образца она становится равной
, а через дефектную часть –
. Обозначим коэффициент поглощения для предмета через
, и тогда запишем следующую зависимость:
. (6.7.2)
Чем больше отношение I2/I0 отличается от 1, тем лучше
распознаётся дефект.
В эту формулу не входит величина d. Это означает, что
при одинаковых условиях излучения, увеличивая время
экспозиции, одинаковой величины дефект (например, пора)
может быть выявлен как в толстом, так и в тонком предмете.
На практике, однако, проходя через металлический предмет,
рентгеновский луч ослабляется.
Для определения отношения интенсивностей излучения
применяют три метода:
– фотографирование;
– просвечивающий экран;
– счётчик электронов.
177
Дефекты литых деталей
Основными видами дефектов отливок из цветных и
чёрных сплавов являются газовые раковины, усадочные,
шлаковые или флюсовые раковины, пористость, рыхлость и
трещины.
Газовые раковины
Газовые раковины (рис. 6.7.2, 6.7.3) – наиболее часто
встречающийся дефект. Газовые раковины в отливках
образуются во время затвердевания сплава. В жидком
состоянии металл хорошо растворяет газы, а при понижении
температуры и в самый момент затвердевания растворимость
газов резко уменьшается и избыточный газ выделяется из
металла, собираясь в пузырьки. Если газовый пузырь не
успеет выйти (всплыть) из затвердевающего металла, то этот
пузырь так и остаётся внутри отливки.
Рис. 6.7.2. Газовые раковины и неспаи в магниевой
отливке, полученной под давлением
178
Рис. 6.7.3. Откипь (большая газовая раковина) в
алюминиевой отливке
На рентгенограммах газовые раковины имеют вид чёрных
округлых пятен или точек. Единичные раковины не очень
опасны, но их групповое скопление и особенно в участках
детали, подвергаемых большой нагрузке, опасно.
Газовые раковины выявляются рентгеновским
просвечиванием легче других дефектов. Однако раковины
малых размеров не обнаруживаются.
Усадочные раковины
Усадочные раковины (рис. 6.7.4) располагаются обычно в
утолщённых местах, в участках отливки, где металл
затвердевает в последнюю очередь и лишён питания жидким
металлом. Металл затвердевает вначале у стенок формы и в
первую очередь формируется поверхностный слой будущей
отливки. Внутри образовавшейся твёрдой оболочки
некоторое время находится жидкий металл, который
затвердевает в замкнутой оболочке и уменьшается в объёме.
В том месте, где затвердела последняя порция жидкого
металла, образуется полость тех или иных размеров. Эта
полость и называется усадочной раковиной. В одной отливке
179
их может быть несколько. Усадочная раковина имеет
неправильную форму. Стенки её неровные. Усадочные
раковины сильно ухудшают механические свойства детали.
Выявляемость усадочных раковин при просвечивании
рентгеновскими лучами так же высока, как и выявляемость
газовых раковин. На рентгенограмме дефект проявляется в
виде тёмного участка неправильной формы.
Рис. 6.7.4.Усадочные раковины в алюминиевой отливке
Раковины с корольками
Раковины с корольками образуются, если струя металла
поступает в форму раздробленной, с образованием брызг
металла. Отдельные капли окисляются, и, затвердевая,
образуют около себя некоторый газовый объём (раковину с
корольком). Этот дефект наиболее распространён в чугунных
отливках. На рентгенограмме имеет вид обычной газовой
раковины, но на изображении раковины видна как более
светлый участок округлой формы.
Пористость, рыхлость
При затвердевании жидкого металла происходит
зарождение и рост кристаллов, которые при своём росте
переплетаются и изолируют некоторую часть жидкого
180
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]