Прочность ПКМ. ПКМ обычно яв­ляются анизотропными материалами, уп­
ругие и прочностные свойства которых зависят от направления армирующих во­локон, поэтому здесь устанавливают кор­реляционные зависимости между прочно­стью материала в заданном направлении, с одной стороны, и двумя или несколькими измеряемыми параметрами - с другой.

Прочность ПКМ определяется физи­ко-механическими свойствами армирую­щих волокон и связующего, процентным содержанием армирующих волокон, сис­темой армирования (направлением воло­кон относительно приложенной нагрузки) и наличием в материале возможных де­фектов. Ориентировочные данные о влия­нии различных дефектов на прочность изделий из ПКМ приведены в табл. 7.1 из работы [359].

Связь прочности ПКМ с пористостью рассмотрена в [425, с. 319/018]. Исследо­вали корреляцию прочности материала с затуханием ультразвука. Эксперименты проводили на образцах в виде колец с внутренним диаметром 615 мм, толщиной

5,7 мм и высотой 86 мм. Материал арми­рован углеродными волокнами, ориенти­рованными в направлении окружности.

Рис. 7.22. Схема установки
преобразователей при оценке прочности
стеклопластика

Использовали метод прохождения с им­мерсионным контактом. Затухание оцени­вали по уровню сквозного сигнала, посы­лаемого в направлении, параллельном оси кольцевого образца. Образцы подбирали так, чтобы в каждом из них затухание ультразвука не имело большого разброса, а в разных образцах оно существенно от­личалось. Прозвучивание проводили уз­кополосными импульсами с центральны­ми частотами 1; 2,25 и 5 МГц.

Исследование шлифов показало, что поры ориентированы в направлении арми­рующих волокон, причем среднее отно­шение их размера в этом направлении к размеру в перпендикулярном направлении составляет около 11, поэтому поры моде­лировали эллиптическими цилиндрами, большие оси которых совпадают с на­правлением армирующих волокон. Теоре­тически показано, что наибольший рост рассеяния на круглых порах должен на­блюдаться на частоте 2,25 МГц.

Вырезанные из образцов темплеты испытывали на сдвиговую прочность в соответствии со стандартом ASTM-D 2344. При этих испытаниях происходили межслойные разрушения образцов. Кор­реляция сдвиговой прочности с амплиту­дой сквозного сигнала наблюдалась толь­ко на частоте 2,25 МГц, что подтвердило результаты расчета. На частотах 1 МГц и 5 МГц корреляция отсутствовала. Сдвиго­вая прочность зависит от размеров пор, поэтому ультразвуковой контроль должен дополняться исследованием пористости на темплетах.

Зависимость коэффициента затуха­ния продольных УЗ-волн от пористости в листах из углепластика с эпоксидной мат­рицей (реактопласт) и листах с полипро­пиленовой матрицей (термопласт), арми­рованных джутовыми волокнами, рас­смотрена в [425, с. 330/531]. В образцах из углепластика пористость в первом случае варьировали изменением давления в авто­клаве. Во втором случае образцы отбирали по результатам измерения пористости раз­рушающим методом.

Использовали УЗ-метод прохождения в иммерсионном варианте. Центральная частота импульсов 7 ... 7,5 МГц. Порис­тость измеряли двумя разрушающими способами - химическим растворением матрицы в кислоте и анализом микро­шлифов образцов. Для обоих материалов установлена линейная зависимость коэф­фициента затухания (в дБ/мм) от порис­тости (в процентах). Для углепластика она изучена для пористости от 0 до 15 %, для ПКМ, армированного джутовыми волок­нами, - от 2 до 25 %.

Для каждого материала необходимо построение индивидуальной зависимости пористости от затухания. Возможен также контроль методом прохождения с преоб­разователями с воздушной связью, однако в этом случае затруднительно использо­вать высокие частоты, поэтому значения коэффициентов затухания значительно меньше полученных иммерсионным спо­собом.

Прочность стеклопластиков, приме­няемых для изготовления корпусов судов, оценивают ультразвуковым импульсным методом прохождения [78]. Несущие час­тоты импульсов 100 ... 150 кГц. Излучаю­щий и приемный преобразователи уста­навливают на очищенную и смазанную маслом поверхность ОК (рис. 7.22) на рас­стоянии Lx друг от друга (обычно Д = 200 мм) и измеряют скорость С/ головной волны. Коэффициент затухания 5 находят,

сравнивая амплитуды сигналов при рас­стояниях между преобразователями Ьх и L2 = 1,5Ь]. Искомую прочность опреде­ляют по формуле

Модуль Юнга Е вычисляют по изме­ренной скорости с/ и найденной радиаци­онным плотномером плотности р. Коэф­фициенты А мВ находят с использованием образцов, изготовленных по той же техно­логии и с той же схемой армирования.

В ВИАМе М. П. Уральским разрабо­тана методика контроля прочности изго­товленных из углепластика полок лонже­ронов спортивных самолетов эхометодом. Толщина полок 10 мм. Используют стан­дартный дефектоскоп УД2-12 с прямым контактным совмещенным преобразовате­лем на частоту 2,5 МГц. Прочность оце­нивают по амплитуде донного сигнала (т. е. по затуханию). Дефектоскоп настраи­вают на двух стандартных образцах пред­приятия, один из которых (СОП-1) имеет нормальную прочность, другой (СОП-2) - предельно допустимую пониженную.

Экспериментальные связи предела прочности на сжатие ств и межслойный сдвиг тСд с амплитудой А донного сигнала приведены на рис. 7.23. На графиках обо­значены зоны допустимых, недопустимых и предельно допустимых значений затуха­ния, а также показаны корреляционные зависимости, построенные по формулам: для предела прочности при сжатии

ст„= 1227- 12,47^;

для предела прочности при межслои - ном сдвиге

Тед = 99,7- 1,03^.

Здесь А - ослабление донного сигна­ла, дБ. Коэффициенты корреляции:

г0 = -0,937; гт= -0,899.

Для оценки прочности ПКМ с раз­личной ориентацией армирующих воло­кон применяют также реверберационно­сквозной метод (см. разд. 2.1.4 и 2.3.8). При этом прочность на растяжение хоро­шо коррелирует со счетным количествен­ным критерием SWF. Прочность на сдвиг оценивают с помощью энергетического критерия, определяемого формулой (2.52).

Прогнозирование остаточного ре­сурса изделий из ПКМ является одной из важнейших проблем самолетостроения. Известно, что в результате усталости в материале накапливаются мелкие повреж­дения, не являющиеся макродефектами и обычно не выявляемые традиционными методами НК (например, повреждения от крипа). В ПКМ такие микроповрежде­ния - это разрывы армирующих волокон, трещины в полимерной матрице и зоны нарушения соединения волокон с матри­цей.

Микроповреждения инициируют раз­витие более крупных дефектов. Благодаря своей множественности микроповрежде­ния заметно снижают прочность и жест­кость материала, а значит, и остаточный

ресурс всей конструкции. Таким образом, необходимы методы и средства контроля микроповреждений. Эта проблема рас­смотрена в работах [391; 392], обобщаю­щих результаты исследований последних 15 ... 20 лет.

Показано, что изгибная жесткость образцов из ПКМ с одинаковой схемой армирования, но изготовленных при раз­ных давлениях и температурах полимери­зации, с увеличением числа циклов уста­лостного нагружения не одинаково сни­жается (рис. 7.24). Однако это не вызывает видимых разрушений. Появление микро­повреждений обнаруживается по увеличе­нию затухания ультразвука с частотой 4 МГц, начиная с 1000 циклов нагружения (рис. 7.25). Установлено также влияние ударных повреждений ПКМ на разрывную прочность и наличие корреляции между этими параметрами и затуханием уль­тразвука.

Снижение жесткости ПКМ от накоп­ления усталостных повреждений происхо­
дит в три этапа. На первой стадии, не за­висящей от ориентации армирующих во­локон, в полимерной матрице возникают мелкие трещины. Они вызывают быстрое снижение жесткости ПКМ и определяют примерно 10 % усталостного ресурса ма­териала.

На второй стадии трещины матрицы образуют расслоения, которые медленно растут вдоль свободных краев образца и по его ширине. Вторая стадия процесса определяет около 80 % ресурса. Скорость уменьшения жесткости на этой стадии меньше, чем на первой.

На третьей, заключительной, стадии скорость роста размеров расслоений уве­личивается, жесткость быстро уменьшает­ся и материал разрушается. На рис. 7.26 представлены экспериментальные графи­ки зависимости нормированных модулей упругости Е материалов четырех образ­цов углепластиков с эпоксидной матрицей и различными схемами армирования от числа циклов нагружения. Несмотря на различие схем их армирования, характер всех кривых одинаков.

Работа проводилась также на натур­ном объекте - горизонтальном стабилиза­торе самолета Harrier AV-8B. Стабилиза-

Ё

тор, выполненный из углепластика, кон­тролировали УЗ-эхометодом с использо­ванием традиционных пьезоэлектрических преобразователей и в бесконтактном вари­анте с лазерным возбуждением и приемом колебаний. Оптимальным оказался имен­но бесконтактный УЗ-способ. Использо­вали роботизированную сканирующую систему с разрешением около 4 точек на квадратный миллиметр. Установка позво­ляла представлять результаты контроля в виде А, В и С-разверток, а также наблю­дать изменения времени задержки приня­тых импульсов.

В работе рассмотрены также модели процесса разрушения материала и разви­тия макродефектов, приведены сведения о влиянии расслоений различных размеров на упругие свойства образцов с различны­ми схемами армирования. Зависимости потери прочности и потери жесткости от времени различны и должны рассматри­ваться раздельно. Приведены данные по выбору параметров конструкции, обеспе­чивающих безопасность ее эксплуатации. Полученные результаты полезны для оценки остаточного ресурса других изде­лий из ПКМ.

Контроль теплоизоляционных ма­териалов. Волокнистый теплоизоляцион­ный материал имеет трансверсально­изотропную структуру. Направление, па­раллельное основанию заготовки, харак­теризуется повышенной прочностью, а перпендикулярное ему - пониженной. Из­мерение скорости звука в различных на­правлениях удовлетворительно совпадало с изменением прочности на растяжение [329]. Коэффициент корреляции составил 0,89.

При растяжении теплоизоляционный материал разрушается хрупко, а при сжа­тии наблюдается область пластической деформации. При деформации порядка 6 ... 7 % и последующем снятии нагрузки образец приобретает первоначальные раз­меры, но при этом в нем появляются про­тяженные зоны разрушения. Одновремен­но наблюдалось уменьшение относитель-

ной скорости ультразвука, по которому можно судить о фактическом поврежде­нии материала.

Прочность и физико-механические свойства жестких пенопластов. Блоки из пенопласта типа ППУ-ЗФ контролируют на прочность на втором этапе, после вы­явления в них дефектных участков с не - сплошностями и крупными раковинами (см. разд. 4.6). Используют УЗ-метод про­хождения и описанную в разд. 4.6 ультра­звуковую установку. Контролируют бло­ки, в которых на первом этапе дефекты не обнаружены [197]. Цель такой проверки - выявление участков, не соответствующих требуемой ТУ 3198-77 прочности. В каче­стве информативного параметра исполь­зуют скорость звука, точность измерения которой существенно меньше зависит от качества акустического контакта, чем ам­плитуды сигнала. Для этого предвари­тельно проводят сопоставительные ульт­развуковые и механические испытания на одних и тех же образцах с плотностью 80 ... 250 кг/м3. После их статистической обработки устанавливают корреляцион­ные зависимости между средней скоро­стью звука сср и механическими характе­ристиками материала.

На рис. 7.27 показаны корреляцион­ные зависимости предела прочности Ою при испытаниях на сжатие и предела прочности тпр при сдвиге (испытания на кручение) от средней скорости продоль­ной волны сср. В связи с большим разбро­сом сср в пенопласте (ее среднеквадрати­ческое отклонение может достигать 25 %),

значение сср определяют путем усреднения не менее чем 30 ... 50 измерений. На том же графике представлена корреляционная зависимость плотности от средней скоро­сти продольной волны. Среднеквадрати­ческое отклонение плотности по площади пеноблоков составляет 2 ... 3 % от средне­го значения. Кроме указанных параметров, контролируют также модуль Юнга и мо­дуль сдвига пенопласта.

Для контроля физико-механических параметров используют 4 дополнительных канала установки. Значения этих парамет­ров в цифровом виде также распечатыва­ются на дефектограмме. Выход этих зна­чений за установленные в ТУ 3198-77 пределы автоматически отмечается на дефектограмме. Погрешность определения физико-механических характеристик со­ставляет ± (10 ... 15) % от средних значе­ний.