Kitobni o'qish: «Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций»

Введение

Среди наиболее важных требований, предъявляемых к конструкциям современных летательных аппаратов (ЛА) и ракетно-космической техники, можно назвать минимальную массу, максимальную жесткость и прочность, максимальный ресурс работы конструкций в условиях эксплуатации, высокую надежность. В значительной мере перечисленные требования обеспечиваются выбором материала и совершенством технологии изготовления конструкции из данного материала.

Комплексу перечисленных требований больше всего удовлетворяют композиционные материалы (композиты) на основе современных углеродных, борных, органических и стеклянных волокон в сочетании с полимерными, металлическими, углеродными, керамическими и другими видами матриц.

При изготовлении конструкций из композиционного материала (КМ) совершенство технологии определяется выбором оптимальных параметров технологического процесса, техническим уровнем используемого оборудования и оснастки, наличием надежных методов неразрушающего контроля как самой конструкции, так и полуфабрикатов для их производства. В настоящее время технология производства элементов ЛА из КМ развивается опережающими темпами практически во всех промышленно развитых странах. Надежность любой конструкции определяется правильным выбором проектных данных и стабильностью технологических параметров в процессе изготовления, достаточностью контрольных операций и возможностью ремонта в процессе контроля изделий. Конструкции из КМ, нашедшие широкое применение в аэрокосмической технике и машиностроении (рисунок 1, 2), поставили перед разработчиками современных технологий многочисленные проблемы, связанные с сокращением производственно-экономических потерь в процессе их изготовления и эксплуатации.

Несовершенство технологического оборудования, используемого для получения исходных компонентов КМ (нитей, лент, тканей, особенно углеродных), а также для переработки их в изделие, низкий уровень автоматизации этого оборудования, разброс параметров технологического процесса получения композиционных материалов, недостаточный контроль параметров технологического процесса при получении препрегов, формировании пакета КМ, термообработке, механической обработке, приводят к возникновению различного рода производственных дефектов, снижающих несущую способность и работоспособность разрабатываемых конструкций. Особенность композитов, как известно, в том, что они не являются материалом в классическом смысле этого слова, таким как, например, металлы, фактически это – конструкция, создаваемая в процессе изготовления изделия. При этом композиты, выполненные из одного и того же наполнителя (волокна) и связующего по одинаковой технологии, могут иметь различные физико-механические характеристики, которые способны изменяться в широком диапазоне за счет выбора числа направлений армирования и объемных долей волокна в каждом направлении армирования.

Рисунок В.1 – Применение композитов в ракетной и аэрокосмической технике:

РДТТ – ракетный двигатель твердого топлива; ЖРД – жидкое ракетное топливо

Рисунок В.2 – Применение углерод-углеродных композиционных материалов в различных областях народного хозяйства [5]

Важнейшее достоинство композитов – возможность создавать из них элементы конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, различных схем армирования, используемых при создании композитов, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, соотношения компонентов и макроструктуры компонента.

При изготовлении композиционных материалов и конструкций из них важнейшее место занимают процессы формирования силовой основы – каркаса композита, структура которого определяется направлением действия главных напряжений для каждой конкретной конструкции и типом применяемого материала.

В современных конструкциях используются каркасы, образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами, с хаотическим и пространственным армированием. Широко используются композиты, где структура каркаса образована пространственным плетением нитей и жгутов, и композиты со стержневым армированием (свойства их определяются свойствами стержней, изготовленных из прямолинейных нитей и жгутов). На рисунке В.3 представлены различные виды армирования каркасов в композиционных материалах. Например, волокнистое армирование позволяет использовать принципиально новые методы проектирования и изготовления изделий, основанные на том, что материал и изделие создаются одновременно в рамках одного и того же технологического процесса.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется новый комплекс свойств композита, в том числе и свойства, которыми изолированные компоненты не обладают.

Появление ряда новых свойств связано с гетерогенной структурой, обусловливающей наличие границы раздела между волокнами и матрицей, в частности армирующими элементами и матрицей, существенно повышает трещиностойкость композита. Высокое сопротивление развитию разрушающих трещин в волокнистых материалах обусловлено их работоспособностью при значительных накопленных повреждениях.

Нестабильность технологических процессов изготовления конструкций из композиционных материалов, связанная с новизной и сложностью их реализации, ставит на первый план проблемы качества выпускаемой продукции. Обеспечение контроля качества всего объема выпускаемой продукции возможно только при условии применения методов и средств неразрушающего контроля (НК), который относится к числу наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса.

Рисунок В.3 – Классификация композитов по конструктивному признаку:

а – хаотически армированные: 1 – короткие волокна, 2 – непрерывные волокна; б – одномерно-армированные: 1 – однонаправленные непрерывные, 2 – однонаправленные короткие; в – двумерно-армированные: 1 – непрерывные нити, 2 – ткани; г – пространственно-армированные: 1 – три семейства нитей; 2 – n семейств нитей

Существует четыре наиболее важных направления развития неразрушающего контроля и диагностики: интеллектуализация методов и средств контроля и диагностики, разработка единой системы контроля качества технических объектов и окружающей среды, совершенствование диагностических технологий, организационное обеспечение неразрушающего контроля и диагностики на международном уровне [18].

В комплексе действий, направленных на обеспечение надежности и долговечности разрабатываемых конструкций из композиционных материалов, использование высокоэффективных методов неразрушающего контроля имеет решающее значение, поскольку малейшая ошибка в определении характера дефекта или его пропуск могут привести к труднопредсказуемым последствиям. Несмотря на существующие разнообразные методы и средства НК, до сих пор они не могут удовлетворять в отдельности потребности современного производства.

Анализ катастроф и их связи с конструкционными аспектами требует целенаправленной работы по изучению обстоятельств разрушений, их причин и сопутствующих факторов, выявлению определяющих процессов, оценке параметров и диапазонов их безопасных изменений. Исследования такого плана осуществляются с различных теоретических и концептуальных позиций с использованием различных информационных технологий. Изучается влияние особенностей конструктивного исполнения, технологии изготовления, характера нагрузок и воздействий. Большое внимание уделяется оценке эффективности применения высокопрочных материалов, методов неразрушающего контроля, различных ограничителей нагрузок, живучести конструкций в условиях аварий, проектируемых и запроектных, применяемых методов расчета прочности и ресурса. Обычно исследования этого направления базируются на традиционных методах строительной механики и теориях конструкционной прочности [15].

Особо рассматриваются вопросы механики, физики и химии деградационных процессов, приводящих в связи с необратимыми изменениями и повреждениями в структуре материалов к снижению прочностных характеристик, образованию и росту трещин, а также к катастрофическим отказам конструкций. Характер деградационных процессов и их роль в формировании разрушений существенно зависят от типа технической системы. Например, для баллонов давления и сосудов высокого давления основными причинами считаются механическая усталость, дефектность изготовления и коррозионные процессы в металлических фрагментах конструкции. Следовательно, дефектность конструкции и наличие трещин и расслоений остаются определяющими источниками разрушений.

Другой важной стороной обеспечения качества продукции является разработка и обоснование допустимости специализированных технологий ремонта создаваемых конструкций с учетом специфики структурных и технологических дефектов. Реализация этой проблемы обеспечивает значительное повышение выхода годной продукции в условиях дефицита исходных материалов и высокой стоимости конечной продукции.

В учебном пособии исследуются и разрабатываются вопросы, связанные с технологическими процессами контроля качества, изготовления и ремонта конструкций из композиционных материалов. Широкое применение конструкций из композитов потребовало разработки новых методов и аппаратуры неразрушающего контроля для осуществления непрерывного контроля непосредственно в процессе формирования композиционных материалов и изделий из них. Анализ существующих структурных дефектов в композиционных материалах и технологических дефектов в конструкциях позволяет разработать научно обоснованные технологии ремонта, обеспечивающие требуемую надежность создаваемых изделий.

Глава 1
Неразрушающий контроль параметров процесса изготовления конструкций из композиционных материалов

1.1 Требования, предъявляемые к методам контроля

Обеспечение высокого качества и надежности изделий из КМ невозможно без применения эффективных современных методов контроля на всех стадиях производственного цикла: проектирования (разработка), изготовления, эксплуатации. При этом каждой стадии соответствуют свои методы контроля. Наиболее эффективны неразрушающие физические методы контроля (НФМК) качества, применяемые на стадии как изготовления (обработки, исследования), так и эксплуатации изделий. Следует отметить, что наибольший эффект от НФМК достигается при применении его в мелко- и среднесерийном производстве крупногабаритных изделий, когда возможен сплошной контроль качества. В крупносерийном производстве более эффективны статистические методы выборочного контроля, при этом методы контроля качества подразделяются по количественным, качественным или альтернативным признакам.

К количественным методам контроля относят такие, которые позволяют регистрировать точные численные значения параметров, определяющих качество изделия. Качественные методы позволяют отметить лишь категории, классы (сортность, хорошее, плохое и т. д.), к которым принадлежит контролируемое изделие. В том случае, когда изделия подразделяются на годные или дефектные, осуществляют контроль по альтернативному признаку, что является частным случаем контроля по качественному признаку.

Определение соответствия изделия данным условиям (по размерам, физико-механическим свойствам, структуре материала, состоянию поверхности – шероховатости, наличию тех или иных дефектов и др.) осуществляется путем проведения соответствующих измерений или контроля, поэтому методике контроля отводится исключительная роль.

Основные требования, предъявляемые к контролю, заключаются в следующем.

1. Вероятность того, что доброкачественное изделие будет забраковано, должна иметь некоторое определенное значение, которое будет определяться чувствительностью и точностью применяемых методов и аппаратуры.

2. Вероятность принятия изделия низкого качества (дефектного) должна иметь некоторое определенное значение, зависящее от квалификации контролеров, эффективности применяемых методов и аппаратуры.

3. Применяемый метод или аппаратура должны обеспечить непрерывность проведения контроля технологических процессов.

4. Метод и аппаратура должны обеспечить сплошной контроль всех выпускаемых изделий.

Контроль по своим признакам может быть разрушающий, неразрушающий (неповреждающий), аналитический, метрологический (поверочный). В настоящее время наиболее широкое распространение получили разрушающие и аналитические методы. Основное их достоинство заключается в том, что они дают возможность определить объективные абсолютные параметры материалов и изделий. Такой важный параметр изделия, как прочность, наиболее объективно определяется путем его разрушения с соблюдением режимов нагружения, вида нагрузки и обеспечения условий окружающей среды (температура, влажность).

Аналитические методы в большинстве случаев являются также разрушающими, так как связаны с взятием проб или изготовлением специальных образцов. Они отличаются высокой точностью измерения. Основные недостатки разрушающих и аналитических методов контроля заключаются в следующем:

– не выполняют всех требований, предъявляемых к контролю (требование 4), так как для их выполнения пришлось бы разрушить все изделия;

– не позволяют выявить изменение свойств конкретного изделия при воздействии на него внешних факторов (температуры, нагрузок, влаги и т. д.) в процессе эксплуатации;

– не обеспечивают непрерывности измерений при контроле кинетики или динамики технологических процессов изготовления изделий;

– не дают возможности определить реальную изменчивость свойств материала непосредственно в изделии на различных его участках без вырезки образцов;

– не позволяют выявить внутренние дефекты в материале изделия без его разрезки.

Метрологический контроль служит в основном для контроля (поверки) методов контроля и направлен на определение точности и чувствительности применяемых методов и аппаратуры.

Неразрушающие физические методы контроля (НФМК) в последнее время все более активно начинают применяться в производстве изделий из КМ. Они вполне удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к контролю, и не имеют недостатков, присущих разрушающим и аналитическим методам. В соответствии с ГОСТ 18353-73, принято 10 видов неразрушающего контроля: акустический, капиллярный, магнитный, оптический, радиационный, радиоволновой, тепловой, течеисканием, электрический, электромагнитный (вихревых токов) [18]. Каждый из указанных видов подразделяется на большое количество методов.

Однако неразрушающие методы контроля являются косвенными, т. е. не позволяют проводить прямой численный отсчет таких параметров, как прочность и структура. Для определения этих параметров неразрушающими методами необходима их трактовка при помощи разрушающих или аналитических методов. Даже при дефектоскопии для проверки правильности контроля производят вскрытие (трепанацию) отдельных изделий. Тарировка методов дефектоскопии проводится по специальным эталонам с заранее заложенными дефектами.

Точность и чувствительность неразрушающих методов контроля зависят от точности и чувствительности методов, при помощи которых проводится их тарировка, и оптимальности выбранного сравнительного эталона. Отсюда важнейшими задачами неразрушающего контроля являются анализ физических основ взаимодействия используемых излучений (ультразвука, радиоволн, радиации, магнитных и электрических полей и др.) с контролируемой средой и разработка методики контроля конкретных параметров технологических процессов и готовых изделий при их изготовлении и эксплуатации.

К НК предъявляются следующие основные общие требования:

– возможность осуществления эффективного контроля на различных стадиях изготовления, в эксплуатации и при ремонте изделий;

– возможность контроля качества продукции по большинству заданных параметров;

– согласованность времени, затрачиваемого на контроль, со временем работы другого технологического оборудования;

– высокая достоверность результатов контроля;

– возможность механизации и автоматизации контроля технологических процессов, а также управления ими с использованием сигналов, выдаваемых средствами НК;

– высокая надежность дефектоскопической аппаратуры и возможность использования ее в различных условиях;

– простота методики контроля, техническая доступность средств контроля в условиях производства, ремонта и эксплуатации.

1.2 Анализ эффективности методов контроля качества

Выбор того или иного метода контроля качества определяется следующими факторами [27]:

– агрегатным состоянием контролируемой среды (газообразное, жидкое, твердое);

– физическим состоянием контролируемой среды (диэлектрик, полупроводник, магнетик, парамагнетик и пр.);

– видом структуры контролируемой среды (аморфная, монокристаллическая, поликристаллическая, крупноструктурная неоднородная, изотропная или анизотропная и т. д.);

– способностью взаимодействовать с проходящим излучением (слабое или сильное поглощение, слабое или сильное рассеяние и т. д.);

– методологией контроля (в вакууме, в жидкости, при высокой температуре, под большим давлением и т. д.);

– размером, конфигурацией и конструктивными особенностями объекта контроля (мало-, средне-, крупногабаритный, простой или сложной формы, одно- или многослойная и т. д.);

– видом решаемой задачи (дефектоскопия, толщинометрия, диагностика прочности, контроль кинетики отвержения, контроль напряженно-деформированного состояния, контроль содержания компонентов и др.).

Композиционные материалы – весьма сложный объект контроля, так как характеризуются существенной неоднородностью структуры, анизотропией свойств, большим разнообразием типов армирования (однонаправленный, продольно-поперечный, комбинированный и др.), специфическими физическими свойствами: высокими электроизоляционными качествами, низкой теплопроводностью, звукоизоляцией, большим разбросом физико-механических характеристик, малыми значениями плотности (0,02-2,0 г/см³). Большинство видов композиционных материалов в зависимости от используемого вида наполнителя относятся к диэлектрикам или плохим проводникам. Практически все композиты являются немагнитными материалами, поэтому методы контроля, используемые при дефектоскопии изделий из металла, например магнитные и токовихревые, в большинстве случаев не подходят для дефектоскопии изделий из композиционных материалов. Однако эти методы могут быть применены для толщинометрии таких изделий. Не эффективны для контроля композитов также высокочастотные ультразвуковые методы, так как ультразвуковые волны с частотой выше 1 МГц либо невозможно ввести в контролируемую среду из-за их сильного поглощения и рассеяния и существенной шероховатости поверхности, либо они значительно ограничивают диапазон контролируемых значений толщины.

Радиационные методы более эффективны для контроля плотности или толщины композитов, чем для дефектоскопии, так как чувствительность их дефектоскопии данными методами при равнозначной энергии излучения в 3–4 раза ниже чувствительности дефектоскопии стали. Следует также отметить, что для этого метода контроля композиты могут находиться как в твердом, так и в пастообразном (полуфабрикат), жидком или гелеобразном (связующее) состояниях [22].

В результате анализа и оценки эффективности существующих методов нарушающего контроля установлено, что наиболее эффективными при неразрушающем контроле композитов являются следующие:

– низкочастотный ультразвуковой импульсный;

– радиационный;

– инфракрасный оптический;

– теплометрический;

– электрический.

Основные критерии, обусловливающие выбор данных методов контроля:

– безопасность для обслуживающего персонала, чувствительность контроля;

– точность и воспроизводимость результатов контроля;

– возможность механизации и автоматизации контроля;

– обеспечение высокой производительности контроля;

– сравнительная простота методики контроля;

– информационная способность и универсальность контроля;

– наличие и возможность использования серийной аппаратуры;

– сравнительно невысокая стоимость контроля;

– возможность использования обслуживающего персонала невысокой квалификации.

Указанные методы контроля можно использовать как индивидуально, так и в комплексе. Следует учитывать, что увеличение количества используемых методов наряду с повышением чувствительности и информативности контроля приводит также к повышению стоимости и снижению производительности контроля. Наиболее эффективным комплексом может быть совокупность низкочастотного ультразвукового и радиоволнового методов или низкочастотного ультразвукового и электрического методов. С повышением требований к контролю число методов в комплексе может возрастать.

В этом случае оптимальным будет сочетание низкочастотного ультразвукового, радиоволнового и теплометрического методов [4].

Выбранные методы позволяют определять непосредственно в изделии большое количество различных физических характеристик:

– скорость и затухание упругих волн (продольных, сдвиговых, изгибных, поверхностных);

– коэффициенты прохождения, отражения и преломления данных упругих волн;

– угол поворота плоскости поляризации сдвиговых волн;

– электропроводность;

– диэлектрическую проницаемость и тангенс угла электрических потерь; коэффициенты затухания, прохождения, отражения и преломления электромагнитных волн инфракрасного (ИК) диапазона;

– коэффициенты тепло- и температуропроводности и др.

Данные характеристики, определяемые непосредственно в изделии, могут быть использованы для прямой и косвенной оценки таких параметров, как прочность и жесткость изделий, прочность и упругие свойства материала, плотность, структура, состав компонент, вязкость, степень отверждения, геометрические размеры, влажность, напряженно-деформированное состояние и др.

Таким образом, при комплексном контроле решается ряд задач.

1. Определяется оптимальный комплекс физических параметров, по которому оцениваются прочность и другие физико-механические характеристики композита и изделий на их основе.

2. Разрабатывается и осуществляется оптимальный комплекс методов и средств контроля дефектов структуры.

3. Дается интегральная оценка работоспособности изделия по комплексу параметров, определенных неразрушающими методами.

Определение указанных характеристик в процессе переработки композитов в изделия позволяет устранить причины, вызывающие нарушения структуры, образование дефектов и изменчивость свойств материала в изделии.

1.3 Выбор методов неразрушающего контроля

Обеспечение своевременного выявления структурных дефектов, снижающих требуемые физико-механические характеристики, является одной из наиболее актуальных проблем достижения высокого качества изготовляемых конструкций. Решение этой проблемы возможно лишь при условии оптимального выбора и применения наиболее эффективных методов и средств контроля качества.

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

Учитывая, что изготовление конструкций происходит в несколько этапов, на каждом из которых возможно образование дефектов, характерных для данной технологической стадии, необходимо проведение контроля качества на всех этапах с целью своевременного устранения, если это возможно, обнаруженных дефектов, либо исключение дальнейшего применения в технологической цепочке дефектного материала. Так, если при изготовлении силового каркаса необходимо контролировать нарушения заданной схемы армирования, то при заполнении каркаса матрицей требуется исследовать распределение плотности материала в объеме заготовки. После механической обработки полученной заготовки может возникнуть необходимость определять отклонения от заданных геометрических размеров конструкций, в особенности, если она сложной конфигурации и изготовлена из материала с заданной неоднородностью плотности. Следует особо подчеркнуть, что образованные на ранних стадиях технологического процесса дефекты, например, пропуски армирующих элементов, обнаружить в готовом изделии иногда практически невозможно. При выборе методов и средств контроля качества необходимо учитывать предъявляемые к ним требования [13].

При серийном производстве требуются методы, обладающие достаточной чувствительностью для выявления только недопустимых дефектов (в соответствии с техническими требованиями на материал), ранее выявленных и классифицированных. Они должны быть доступны, просты и высокопроизводительны.

В процессе отработки технологии требуются методы контроля (а в некоторых случаях – даже комплексы методов), позволяющие получить полную информацию о состоянии внутренней структуры материала и любых ее отклонениях от расчетных параметров, определить причины их возникновения, а также степень влияния на физико-механические и теплофизические свойства. Для этого применяют передовые методы различной сложности. В особых случаях необходимо разрабатывать новые методы, позволяющие решить поставленные задачи.

Важнейшими характеристиками технических возможностей методов контроля являются чувствительность и разрешающая способность, достоверность результатов контроля, надежность аппаратуры, требования по технике безопасности и к квалификации специалистов по проведению контроля.

Чувствительность метода определяется наименьшими размерами выявляемых дефектов:

– у поверхностных дефектов – шириной раскрытия у выхода на поверхность, протяженностью в глубь материала и по поверхности детали;

– у глубинных дефектов – размерами дефекта с указанием глубины залегания.

Сравнительные данные по чувствительности некоторых методов НК приведены в табл. 1.1 [21].

Разрешающая способность дефектоскопа определяется наименьшим расстоянием между двумя соседними минимальными дефектами, для которых возможна их раздельная регистрация. Измеряется она в единицах длины или числом линий на 1 мм. Предусматривается в технических требованиях на оптические приборы и радиационные дефектоскопы. Для ультразвуковых и токовихревых дефектоскопов может оговариваться лишь при необходимости, для магнитных методов – не указывается.

Достоверность результатов контроля определяется вероятностью пропуска деталей с явными дефектами или необоснованной браковкой годных деталей.

Требования по технике безопасности при применении различных методов значительно различаются. Например, магнитный, ультразвуковой и токовихревой контроль не требуют специальных мер защиты. При капиллярном контроле необходима защита от жидкостей, паров и органических растворителей, а также ультрафиолетового облучения, а при радиационном – от воздействия ионизирующих излучений и образующихся в воздухе вредных для организма человека газов – озона и оксидов азота.

Таблица 1.1

Чувствительность методов неразрушающего контроля

1.4 Основные факторы, влияющие на выбор метода неразрушающего контроля

При выборе метода контроля конкретных деталей или изделий необходимо учитывать (кроме специфических особенностей и технических возможностей каждого метода) следующие основные факторы [28]:

– характер (вид) дефекта и его расположение;

– условия работы деталей и технические требования на отбраковку;

– материал детали;

– состояние и шероховатость поверхности;

– форму и размер детали, зоны контроля;

– доступность детали и зоны контроля;

– условия контроля.

Характер дефекта, например, поверхностные трещины с малой шириной раскрытия (0,5–5 мкм), могут быть обнаружены капиллярным методом, а внутренние скрытые дефекты – радиационным или ультразвуковым.

Учет условий работы деталей (знакопеременные нагрузки, работа в агрессивной среде, при высоких температурах, эрозионно-коррозионное воздействие) позволяет определить критические места конструкции и обратить на эти места особое внимание при выборе метода и проведении контроля.

Технические требования на отбраковку определяют количественные критерии и играют важную роль при выборе методов, обеспечивающих выявление только опасных дефектов.

Физические свойства материала деталей – постоянно действующий фактор, определяющий в значительной степени выбор метода неразрушающего контроля. Так, для капиллярных методов материал должен быть непористым, стойким к воздействию органических растворителей [1]. Для ультразвукового контроля на трещины материал должен быть однородным, обладать упругими свойствами и малым коэффициентом затухания ультразвуковых колебаний. Детали простой формы можно проверять всеми методами, а детали сложной формы и крупногабаритные изделия контролируют, как правило, по частям.

Определение зон контроля является важным фактором в выборе метода, так как знание их облегчает разработку методики и обнаружение дефектов. При этом следует иметь в виду, что ультразвуковой контроль поверхностными волнами не применим, если в проверяемой зоне имеются резкие переходы от одного сечения к другому (радиус галтели в месте перехода должен быть не менее λ_пов, где λ_пов – длина поверхностной волны). Кроме того, в зоне, подлежащей ультразвуковому контролю, как правило, не должно быть отверстий, заклепок, болтов и других отражателей ультразвуковой энергии.

Для токовихревого контроля радиусы галтельных переходов должны быть не менее 2 мм, а для капиллярного и магнитопорошкового методов в зоне контроля не должно быть уступов с углом менее 90°, подрезов и наплывов металла. Ширина проточек, радиусы галтелей и отверстий в зоне капиллярного контроля должны быть не менее 3 мм.

Чувствительность методов, особенно магнитопорошковых и капиллярных, зависит от шероховатости контролируемой поверхности и наличия на ней защитных покрытий. Для ультразвукового и капиллярного методов шероховатость должна соответствовать 5-му классу, а для магнитного и токовихревого должно быть не ниже 3-го класса. Для обнаружения трещин при капиллярном контроле необходимо обязательно удалять лакокрасочное покрытие.

Большинство методов (магнитный, капиллярный, токовихревой, ультразвуковой) могут быть применены для контроля при доступе с одной стороны. Методы просвечивания ионизирующими излучениями требуют доступа с обеих сторон детали. При этом с одной стороны находится источник излучения, а с другой – детектор [28].

Неразрушающий контроль качества позволяет не только контролировать, но и управлять качеством продукции, предсказывая ее свойства, параметры, причины отказа изделий. Методы неразрушающего контроля не являются универсальными, каждый из них имеет свою область наиболее эффективного применения. Большинство методов решают довольно узкий круг дефектоскопических задач: обеспечивают контроль изделий из определенного материала, рассчитаны на поиск дефектов определенного вида, предназначены для конструкций определенного размера и формы, поэтому достижение высокого качества возможно только в случае применения наиболее эффективных для каждой стадии изготовления методов и средств неразрушающего контроля.

Для выбора метода или комплекса методов контроля должны быть определены вид дефектов, подлежащих выявлению, объекты (зоны) контроля, а также должны быть заданы критерии на отбраковку. По этим данным определяют возможные методы, позволяющие решить поставленную задачу. Затем, принимая во внимание критерии на отбраковку, чувствительность и специфику методов, выбирают методы и средства неразрушающего контроля для применения. При равной чувствительности предпочтение отдается тому методу, который проще и доступнее в конкретных условиях, у которого выше достоверность результатов контроля и производительность [20].

Выбранные методы контроля полуфабрикатов и деталей должны фиксироваться в нормативной технологической документации.

Глава 2
Дефекты, возникающие в конструкциях при их изготовлении

2.1 Классификация дефектов в слоистых композитах

Использование при изготовлении изделий из композиционных материалов несовершенного оборудования, система управления которым не обеспечивает заданную точность поддержания параметров технологического процесса, приводит к возникновению в структуре материала конструкции различного рода дефектов, вызывающих снижение физико-механических характеристик или увеличение их разброса, снижение несущей способности конструкции и другие отрицательные эффекты. Появление дефектов в конструкциях из композитов, армированными непрерывными волокнами или ткаными материалами, может быть связано не только с отсутствием достаточно совершенного оборудования, но и с рядом других причин, связанных с субъективными факторами (нарушением технологического процесса, загрязненностью участка формирования структуры материала и др.) [3].

Изготовление конструкций из пространственно-армированных углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) является сложным, длительным, многоступенчатым процессом и зависит от десятков технологических параметров, изменение любого из которых может привести к необратимым нарушениям заданной структуры. Наличие структурных дефектов часто становится решающим фактором, определяющим работоспособность конструкций, особенно в экстремальных условиях высокоскоростного температурного нагружения и жестких требований к абляционной стойкости материалов [6].

В табл. 2.1. представлены технологические методы переработки полимерных композиционных материалов и наиболее характерные дефекты, присущие тому или иному методу.

Для проведения анализа дефектов, встречающихся в конструкциях из полимерных композитов, удобно представить их в виде блок-схемы, разделив на различные группы по относительным размерам и другим параметрам (рисунок 2.1). При этом подходе дефекты разделены на два больших класса: производственные дефекты, которые появляются в конструкциях либо в процессе их изготовления, либо в процессе изготовления составляющих материал компонент, и эксплуатационные повреждения, возникающие в конструкции в процессе ее эксплуатации. Кроме этого производственные дефекты могут быть разделены на три группы: микро-, мини- и макродефекты.

Рисунок 2.1 – Классификационная схема производственных дефектов и эксплуатационных повреждений в конструкциях из КМ

Таблица 2.1

Характерные дефекты типовых методов формирования изделий из полимерных композиционных материалов

Метод контактного формирования (без прикатки, с прикаткой, с уплотнением)

Характеристика изделий: Крупногабаритные изделия сложной формы, оболочки, листы больших размеров

Дефекты формирования: Пористость, расслоения, разнотолщинность, неравномерное распределение связующего, участки неполного отверждения, увеличение разброса физико-механических характеристик, складки, разориентация волокон, участки с низким содержанием связующего, коробление изделия, риски на поверхности

Метод формирования эластичной диафрагмой

Характеристика изделий: Крупно- и среднегабаритные изделия сложной формы

Дефекты формирования: Неравномерное распределение связующего, разориентация волокон, расслоения, складки, участки неполного отверждения связующего, локальная пористость

Метод авто- и гидроклавного формования

Характеристика изделий: Крупно- и среднегабаритные изделия простой и сложной формы

Дефекты формирования: Расслоения, пористость, складки, разориентация армирующего материала

Метод вакуумного формования

Характеристика изделий: Среднегабаритные изделия простой и сложной формы

Дефекты формирования: Пористость, складки армирующих слоев, неравномерное распределение связующего, разориентация слоев

Метод сухой и мокрой намотки (однонаправленная)

Характеристика изделий: Крупно- и среднегабаритные изделия типа тел вращения (цилиндрические, сферические, конические, овалоидные, тороидальные оболочки), длинномерные конструкции в виде замкнутого профиля прямоугольной или другой формы

Дефекты формирования: Расслоения, пористость, неравномерное распределение связующего, утолщения в зоне нахлестов витков, участки неармированного связующего в зазорах между соседними витками, инородные включения, обрывы волокон, искривление волокон

Метод прессования тканей, пропитанных связующим, и однонаправленных препрегов

Характеристика изделий: Средне- и малогабаритные изделия простой и сложной формы

Дефекты формирования: Трещины, локальная пористость, расслоения, неравномерное распределение связующего, риски на поверхности

Микродефекты – это дефекты, размеры которых сравним с размерами армирующих элементов (элементарными волокнами) или с толщиной связующего между этими элементами. К микродефектам можно отнести дефекты, возникающие в элементарных армирующих волокнах, в прослойках, связующего между этими волокнами, а также на границе раздела волокно – матрица.

Наиболее характерными дефектами этой группы можно назвать микропоры, микротрещины, включения инородных кристаллов в структуру элементарных волокон, искривление фибрилл, разориентацию микрофибрилл и др. Микроскопические исследования дефектов армирующих элементарных волокон показали, что на поверхности стеклянных волокон имеются трещины глубиной 10^-7 м, шириной 2 ∙ 10^-7 м и длиной до 5 ∙ 10^-5 м. Для борных волокон диаметром 10^-4 м характерны поры и трещины размером до 8 ∙ 10^-6 м, а также включение крупных кристаллов металлического бора в борную оболочку волокна. Трещины, встречающиеся на поверхности углеродных волокон, составляют в длину 2 ∙ 10^-7 – 1 ∙ 10^-6 м, а в ширину 1 ∙ 10^-8 – 2 ∙ 10^-7 м. Разориентация отдельных углеродных слоев (микрофибрилл) в волокнах достигается 17–23%.

В армирующих волокнах из армидных материалов размеры трещин достигают 8 ∙ 10^-7 м.

Наличие дефектов на поверхности и в структуре элементарных армирующих волокон приводит к снижению их физико-механических характеристик и к увеличению разброса последних.

Минидефекты – это дефекты, размеры которых сравнимы с размерами толщины элементарного слоя композиционного материала. Они встречаются в виде структурных несовершенств и нарушений сплошности в элементарных слоях материала. К ним можно отнести:

– риски и царапины, соизмеримые с толщиной элементарного слоя;

– нарушение адгезионных связей на границе раздела волокно – матрица;

– волнистость и крутку армирующих волокон, разориентацию и их искривление;

– неравномерное распределение связующего в элементарном слое композита; разную степень натяжения армирующих волокон или нитей;

– обрывы отдельных элементарных волокон или нитей и другие дефекты.

Минидефекты связаны либо со структурным строением армирующего наполнителя, либо возникают в процессе технологической переработки составляющих компонент композиционного материала в изделие. К наиболее характерным структурным минидефектам можно отнести крутку элементарных волокон в нитях, регулярные и случайные искривления нитей, разориентацию армирующих волокон. Наличие этих дефектов в структуре материала является одной из причин того, что его физико-механические характеристики в изделиях значительно отличаются от подобных характеристик самих элементарных волокон. Крутка элементарных волокон, как известно, используется для повышения технологичности переработки нитей и жгутов в изделия. При этом устраняется пушение элементарных волокон и уменьшается их обрывность. Однако, наряду с этим, она приводит к снижению степени реализации упругих и прочностных показателей волокон в композиционном материале, которое сказывается при кручении высокомодульных волокон (борных и углеродных).

Разориентация армирующих волокон связана с их отклонением от заданного направления в процессе технологической переработки при изготовлении конструкций и обычно связана с несовершенством технологического оборудования или оснастки.

Регулярные искривления армирующих волокон свойственны в основном тканым наполнителям и определяются параметрами их переплетения. В отличие от регулярных искривлений случайные искривления являются в основном следствием несовершенства технологического процесса и наиболее часто возникают при изготовлении конструкций методом послойной намотки с последующей опрессовкой при термообработке, а также в процессе прессования изделий в замкнутой форме из-за неточности размеров заготовок, закладываемых в нее. Случайные искривления вызывают местное снижение жесткости материала и наиболее опасны в конструкциях, работающих на устойчивость.

Наиболее характерные минидефекты, связанные с нарушением сплошности структуры композиционных материалов, – поры и минитрещины в матрице. Появление пор связано с наличием в связующие большие количества растворителя или влаги, с неправильным выбором режимов термообработки (большая скорость нагрева, низкое давление). Кроме этого, на этапе пропитки материала при мокром методе формирования его структуры, могут образоваться воздушные пузырьки, запирающие каналы между волокнами и препятствующие капиллярному движению по ним связующего. Особенно большое количество мелких пузырьков, пор и раковин возникает при ручной выкладке конструкций из ткани, пропитанной полиэфирным связующим.

Анализ композиционных материалов с различной пористостью показывает, что с ростом длины пор и их содержания степень реализации прочностных и упругих параметров армирующих волокон в композитах уменьшается. Причем, наиболее опасны вытянутые поры, длина которых превышает критическую длину элементарного волокна в композиционном материале. Особенно пористость сказывается на сопротивлении слоистых материалов сдвиговым нагрузкам и в меньшей степени – изгибающим и растягивающим [14].

Наряду с этим, поры являются концентраторами напряжений в матрице и при внешнем воздействии на конструкцию или возникновении внутренних остаточных напряжений в материале могут быть источниками образования микро и минитрещин как в самой матрице, так и вдоль границы раздела волокно – матрица.

Минидефекты и большинство микродефектов статистическим образом распределены по объему композита и охватываются нижним пределом механических свойств композиционного материала.

2.2 Дефекты типа отслоений и их влияние на несущую способность конструкций

Конструкции из композитов очень чувствительны к технологическим дефектам, например, к расслоениям, непроклеям и трещинам, а также ко вновь образовавшимся дефектам (например, к надрезам поверхностных слоев). Дефекты типа расслоений могут появляться также на стадиях транспортировки, хранения и эксплуатации.

Они могут вызываться температурными напряжениями, локальными нагрузками, например, ударами по поверхности конструкции. Для поверхностного отслоения характерно выпучивание тонкого отслоившегося участка, которое может происходить при сжатии, поверхностном нагреве или растяжении из-за эффекта Пуассона, поэтому механика поверхностных отслоений обязательно должна учитывать геометрическую нелинейность хотя бы для отслоившейся области.

Типичные примеры отслоений приведены на рисунке 2.2. Процесс отслоения требует энергетических затрат, при этом потенциальная энергия изгиба накапливается только в отслоении, а работа разрушения складывается из работы, затрачиваемой на разрушение матричной прослойки и идущей на продвижение трещины в отслоении.

Каждому типу отслоений, представленных на рисунке 2.2, соответствуют свои критерии и границы устойчивости, определяемые по Гриффитсу или Эйлеру [14].

Рост отслоений в слоистых композитах при длительно действующих или циклических нагрузках происходит устойчиво, если параметры отслоения принадлежат области устойчивости по Гриффитсу.

Однако при длительном нагружении в матрице и армирующих элементах возникают рассеянные повреждения, которые снижают сопротивление отслоений.

Для расчета роста отслоений в сжатых элементах нужно учитывать энергию изгиба, высвобождающуюся при росте выпученного отслоения. Некоторые качественные особенности роста отслоения, изображенного на рисунке 2.2, в, приведены на рисунке 2.3. Кривые 1–3 соответствуют начальным состояниям. Кривая 1 относится к случаю, когда начальный размер отслоения достаточно велик, но начальное состояние субравновесно. После окончания инкубационной стадии продолжительностью t* размер l начинает расти. Картина роста отслоения качественно сходна с той, которая наблюдается в случае растяжения.

Рисунок 2.2 – Примеры отслоений в композитах:

а – открытое отслоение при растяжении, б – эллипсоидальное при растяжении, в – сжатое в условиях цилиндрического изгиба, г – эллипсоидальное при сжатии, д – кромочное, е – кромочное с вторичной трещиной

Кривая 2 соответствует случаю, когда начальное состояние также субравновесно, поэтому существует некоторая относительно непродолжительная инкубационная стадия. После подрастания отслоения до неустойчивого состояния происходит скачок до нового субравновесного состояния. Новый размер отслоения может быть оценен, исходя из соотношения энергетического баланса. При скачкообразном подрастании отслоения мера повреждения падает практически до нуля, поскольку фронт отслоения переходит в малоповрежденную область матричной прослойки (см. рисунок 2.3, б, кривая 3). Далее следует вторая инкубационная стадия. После того как будет накоплено достаточное повреждение, фронт отслоения снова стягивается. Дальнейший рост происходит устойчиво.

Рисунок 2.3 – Диаграмма отслоений в композите при сжатии:

а – рост отслоений; б – накопление микроповреждений на фронте

Кривая 3 соответствует значениям отслоения, при которых начальная точка находится в весьма узкой полосе, заключенной между областью, где выпучивания нет, и областью, в которой отрезок устойчивого роста отслоения завершается полным отщеплением наружного слоя.

Значения критической деформации для конструкционных композитов достаточно высоки (порядка 10^-3), поэтому типичное поведение сжатых отслоений описывается кривыми 1 на рисунке 2.3, а, б.

Обычно уже в ненагруженном элементе отслоение имеет начальный прогиб, полученный, например, в процессе изготовления.

Расслоения могут происходить в слоистых композиционных материалах при механической обработке конструкции или детали, определенной технологическим процессом изготовления. Механическая обработка композиционных материалов имеет ряд особенностей, отличающих их от аналогичной обработки металлов. Наличие слоистой структуры композита способствует тому, что при износе режущих инструментов происходит расслоение материала. Кроме того, при перерезании армирующих волокон, особенно при перекрестном армировании, наблюдается разлохмачивание перерезанных волокон, что приводит к ухудшению качества поверхностного слоя, способствующему возрастанию влагопоглощения и снижению несущей способности конструкции.

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.