Способ определения прочности изделий

(21) 49 (22) 12, (46) 28, (71) ф Иоффе нение 0244/2802,9102.93. Бюл.зико-техн ии Научно-иМолния" М 8еский институт им,Аоизводственное обь Комнов, А.Г. КасаринМуборкашаев и Л,Гльство СССР29/14, 1985;и др. Акустическаяльство стандартов ЛЕНИ Ч НОСТИ еско в аку ия максии, по разцов ра- доГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(54) СПОСОБ ОПРЕДЕИЗДЕЛИЙ Изобретение относится к области анлиза свойств материалов физическими методами, в частности - к области оценкипрочностных свойств с помощью акустиче-,ской эмиссии(АЭ) и может быть использовано для определения прочности изделий изкомпозиционногоматериала,армированного тканью,Целью данного изобретения являетсяповышение точности и достоверности определения прочности композиционного материала, армированного тканью.Поставленная цель достигается тем, чтов известном способе определения прочности, заключающемся в том, что образцы изделий нагружают до разрушения ирегистрируют их прочность и акустическуюэмиссию, изделия также нагружают и регистрируют акустическую эмиссию, а о проч(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 й снятой для образцов зависимости логариф-ма максимума мощности АЭ от прочности, 2 ил. ости судят по параметрам акусти миссии, регистрируют для образц тической эмиссии от прочности, а на ние иэделия осуществляют до появлен имума мощности акустической эмис оторому с учетом полученной для об ависимости 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;ь от разрывной, наблюдается максимум мощности АЭ (фиг,1), логарифм величиныкоторого имеет прямую связ С прочностью материала.Выбор в качестве определяющего па метра мощности АЭ позволяет повыситьстоверность и точность по следующим при.чинам,Мощность АЭ определяется какиО/= 1)где А 1 и 4 - соответственно, средние значения амплитуды и длительности сигналов;п - число сигналов, зарегистрированных за временной интервал Л 1,Поскольку амплитуда и длительностьсигналов АЭ характеризуют размер образующихся дефектов, а и - их число, то в целомпараметр мощности АЭ достаточно полноотражает процесс образования повреждений в материале, что выражается в повышении достоверности по сравнению спрототипом, где в качестве определяющегоиспользуется параметр активнооти АЭ, характеризующий только число повреждений,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 кповышению точности способа.Другим признаком, повышающим достоверность и точность способа, являетсявозможность определять параметр АЭ -мощность по максимуму.Точность способа повышается за счеттого, что определение величины максимумамощности не зависит ни от точности нагружения, ни от скорости изменения мощностив процессе нагружения (момент определения параметра АЭ не сводится в точку нашкале нагружения, соответствующую резкому изменению параметра ЛЭ, а трансформируется в достаточно протяженный повремени и. нагрузке участок, которому соответствует постоянство величины параметраАЭ),Кроме того, нагружение до появлениямаксимума мощности позволяет выявить иоценить степень развития процесса микроразрушения на ранней стадии нагружения,прямо связанную с прочностью материала,что повышает достоверность метода.Существенным признаком способа является построение зависимости логарифмамаксимума мощности (дВЪх) от прочностио) (фиг,2) и определение по ней величиныпрочности изделия из композитного материала,Авторы экспериментально выявили этувзаимосвязь (дйЪ(б) при нагружении серии образцов изделий до разрушения, что ипозволило уже непосредственно в процессе тестирования определять прочность тестируемого изделия, зная максимум мощностиАЭ, регистрируемый при пробном его нагружен ии.5 Материал имеет сложную неоднородную структуру, определяемую извилистойформой укладки волокон, Прочность волокон в композите резкопадает с увеличениемугла 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"5 напряжений. Так как синусоидальная формаволокон определяет некоторую периодичность строения материала, то и процессыразрушения имеют экстремальный характер и проявляются в виде максимума мощ 20 ности АЭ (фиг,1). Действительно, привыжигании полимерной матрицы из образцов, подвергнутым нагружению до моментапоявления максимума мощности АЭ, былиобнаружены многочисленные разрывы пуч 25 ков волокон с образованием отрезков, длиной, соответствующей и кратной периодусинусоидальной формы укладки волокон.В результате многочисленных испытаний на разрыв образцов материала, армироЗ 0 ванного тканью, выявлена линейная связьмежду логарифмом максимума мощностиАЭ и величиной прочности материала, положенная в основу способа (фиг,2),Эта зависимость имеет следующий фиЗ 5 зический смысл.Если появление максимума мощностиАЭ объясняется извилистостью укладки во-.локон, то его высота определяется свойствами матрицы, ее адгезией к волокнам,40 характером ее заполнения и т.д. Чем сильнее связь между волокнами и матрицей, чембольше модуль упругости матрицы, тем бо-.лее монолитен композит, и тем более хрупкое поведение он обнаруживает при45 деформировании, Разрушение одиночныхволокон влечет за собой разрушение десятков окружающих волокон, Возникаеттак называемый коррелированный кооперативный характер разрушения несущих воло 50 кон с большим выделением мощности АЭ,способный вызвать катастрофическое разрушение композита. Именно такой тип разрушения наблюдается в непрочныхобразцах уже на ранней стадии нагружения55 (фиг,1, кр,1,2),В материале с оптимальной адгезиейпротекают процессы микрорасслоения, которые препятствуют передаче выделяющейся при разрывах волокон энергии ксоседним целым волокнам и, таким обра50 зом, способствуот 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 О от величины разрывной нагрузки прочных образцов, что значительно меньше величины традиционных опрессовок, широко используемых в технике.П р и м е р. 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 мпредставляющие 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 "РАС" (США). Установочные приборные данные: усиление - 40 дб, порог на входе усилителя - 700 мк. Столь высокий уровень порога позволял проводить дискриминацию сигналов, излучаемых "мал о шумя щи ми" объективами (нап ример, трещинами микрорасслоения, проскальзывающими волокнами и т,д.) и пропускать лишь крупные сигналы АЭ, испускаемые при групповых разрывах высокомодульных 5 10 15 20 25 30 35 40 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(/п = в 40 О ), 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 (19 Явах(7. 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 за- ВИСИМОСТИ 190/щах(О) ПРОВОДИЛОСЬ ТЕСТИРО- вание 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 О прочности качественных изделий (60 МПа). В процессе пробного нагружения измерялась величина максимума мощности АЭ и по гРадУИРовоч ной зависимости9 йпах(а ) определялась прочность изделия (фиг,2). Таким образом, на примере определения прочности изделий из углерод-углеродных композитов показано, что применение данного способа приводит к поставленной1798680 Ь/,.1 О 2 С Т,ии6 Составитель Б.Баски Техред М,Моргентал едактор Н,Коляда Корре аказ 768 ВНИИПИ Госуд Тираж Подписновенного комитета по изобретениям и откры113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 при ГКНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 цели: повышению точности и достоверностиопределения прочности изделий,Предлагаемый способ может быть использован, во-первых, как срадство изучения микропроцессов разрушения, 5происходящих в материале при его деформировании, т,к, имеется связь между параметром мощности АЗ и структурнымиперестройками в материале, и, во-вторых,как способ контроля композитных материалов, армированных тканью. и определенияпрочности изделий из этих материалов.Формула изобретенияСпособ определения прочности изделий, заключающийся в том, что образцы из 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. й 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.