книги из ГПНТБ / Детали из стеклопластика в судовом машиностроении

Определение характеристик механических свойств стеклопластика непосредственно в деталях неразрушающими методами наряду с де­ фектоскопией имеет своей целью повышение надежности всей си­ стемы технологического контроля и качества изделий. Сплошной контроль изделий неразрушающими методами позволяет не только сократить количество разрушающих испытаний, но и улучшить тех­ нологию производства.

Задача неразрушающего контроля стеклопластиков весьма сложна

всвязи со сложной структурой материала, изменчивостью его свойств

иполиморфизмом разрушения. Не существует универсальных и абсолютно точных методов неразрушающего контроля. Для металлов пригодны одни методы, для неметаллических композиционных мате­ риалов — другие. Каждый метод разрабатывается на основе физи­

ческих предпосылок и статистической обработки экспериментальных данных. При этом следует помнить, что те результаты разрушающих испытаний образцов материала, которые принимаются в качестве контрольных, не дают точной характеристики прочности материала в составе изделия, особенно для таких материалов, как стеклопла­ стики.

При выборе неразрушающего метода контроля прочности мате­ риала используется связь между различными физическими свой­ ствами, исследованная в физике твердого тела. При рассмотрении простейшей двухатомной модели, как показано, например, в 131 ], вычисление характеристик упругости и прочности идеализирован­ ного материала приводит к линейной связи между пределом проч­ ности ств и модулем упругости Е :

прочностью, отнесенной к плотности р (сгв/р), и удельным модулем {Elр) может служить для сравнительной оценки конструкционных материалов или армирующих компонентов для них [14].

На рис. 49 построены следующие прямые, характеризующие это соотношение. Прямые 1—7, взятые из работы 114], построены для пластиков, армированных различными волокнами: S-стекла (/), Д-стекла (2), графитовыми (3, 4) при 25 и 50% объема соответственно, боровыми {5, 6) и стальными (7). Точки отвечают экспериментальным данным для пластиков с различным соотношением между продоль­

значении В = 0, 1, прямые 11 и 10 построены для стеклопластиков тканевых и намоточных по литературным данным (см. рис. 50 и 51) {11 — при растяжении, 10 — при сжатии), 9 — для древесных слои­ стых материалов на основе лущеного шпона, 13 — для древесно­ стружечных плит с ориентированными частицами, 12 — для древе­ сины сосны, лиственницы и дуба [15 ]. Отдельные точки соответствуют изотропным материалам: титану {14), стали Ст. 3 {15), стали легиро­ ванной {16), магниевому сплаву (П), алюминиевому сплаву {18), сплаву бериллия с алюминием {19), чистому бериллию {20). Для

100

конструкционных сталей величина В колеблется в очень широких пределах (от 0,002 до 0,01), причем величина модуля Е остается прак­ тически постоянной. Поэтому связь между характеристиками проч­ ности и упругости не может быть использована для неразрушаю­ щего контроля прочности стали. Точки 15 и 16, отвечающие сталям разных марок, располагаются на одной вертикали. Совсем другую картину представляют материалы, армированные волокнами (пря­ мые 1—7). Точки, соответствующие композиционному материалу

fy/p-wfa'

Рис. 49. Удельная прочность сгв/р различных конструкционных материалов в зависимости от их удельного модуля упругости £Ѵр.

/ —1$ — дЛЯ анизотропных композитов; 14—20 — для изотропных металлов. Остальные обозначения см. в тексте.

с различным соотношением волокон, лежат на одной прямой, угол наклона которой к оси абсцисс зависит от вида армирующих волокон. Таким образом, величина В в формуле (69) остается постоянной при изменении соотношения волокон материала, армированного волок­ нами определенного вида.

Для анизотропных материалов характеристики упругости и

дящей характеристикой для неразрушающего контроля прочности армированных квазигомогенных материалов. Гипотезу о линейной связи между характеристиками прочности и упругости можно легко проверить, поставив ее в критические условия путем про­ стого расширения области варьирования переменных. Для. дре­ весины с этой целью объединяются различные породы, для бе­

101

тона — различные марки, а для анизотропных материалов меняется либо ориентация образцов, либо соотношение армирующих волокон. Для этой цели на рис. 49 при построении прямых 1—7 объединялись материалы с разным соотношением волокон, а прямые 9— 13 по­ строены каждая для одного материала, но при разных направлениях растягивающего усилия по отношению к структурной оси наиболь­ шей прочности.

Для построения графиков связи между модулем упругости Е и пределом прочности сгв для стеклопластиков различных схем арми­ рования и на разных связующих (рис. 50, 51) А. В. Лавров исполь­ зовал экспериментальные данные из отечественной и зарубежной литературы. На рис. 50 по вертикали отложены величины предела

прочности при растяжении сгв, причем объединены все направления по отношению к осям симметрии материала, для которых имелись опубликованные данные. На рис. 51 по вертикали нанесены вели­

чины предела прочности при сжатии ав; все стеклопластики пункти­ ром разделены по виду связующего на две области: на полиэфирных связующих холодного отверждения (/) и на связующих эпоксидной группы горячего прессования (2). Линии регрессии изображены сплошными прямыми; линии, между которыми должно лежать 68,3% результатов, — пунктиром; линии, между которыми должно лежать 95,4% результатов,— штрих-пунктиром. Здесь же даны корреля­ ционные уравнения линейной связи между ов и Е и величины коэф­ фициентов корреляции. Ориентировочная величина коэффициента В составляет, по этим данным, 0,01 для сжатия и 0,02 для растяжения. Линии регрессии не проходят через начало координат, но отклоне­ ние невелико и объясняется рассеянием данных. Коэффициенты кор­ реляции г (0,82 и 0,91) достаточно высоки; это дает основание счи­ тать, что для анизотропных стеклопластиков гипотеза о линейной связи между характеристиками прочности и упругих свойств не противоречит экспериментальным данным и может быть положена в основу неразрушающего контроля прочности готовых изделий.

Естественные анизотропные материалы — древесина и кость, —■ механические свойства которых приспособлены многовековой эволю­ цией для наилучшего сопротивления «эксплуатационным» нагрузкам, обнаруживают очень тесную связь между прочностью и упругой деформативностью [15, 56]. На этой связи основаны практические приемы автоматизированной сортировки досок по измерению их прогиба под небольшой нагрузкой.

Метод контроля прочности изделий из стеклопластиков по измере­ нию их упругих деформаций при предварительном нагружении, в сущ­ ности, также основан на соотношении (69). Предположение о связи между компонентами тензора упругости сікш и тензора проч­ ности aikim использовано в комплексном методе оценки прочности оболочек из стеклопластика 17]. Тесная линейная корреляционная связь между Е и <тй обнаруживается лишь при рассмотрении широкого диапазона варьирования переменных. Для каждой отдельно взятой группы точек корреляция выражена слабее. Следовательно, погреш-

102

Рис. 50. Предел прочности при растяжении cjP в зависимости от модуля

упругости Е для различных стеклопластиков.

103

о

4^

sf-W2, кгс/см2

Рис. 51. Предел прочности при сжатии о£ в зависимости от модуля упругости Е для различных стеклопластиков.

/ — на полиэфирных связующих; 2 — на эпоксидных связующих.

ности в методике определения исследуемых характеристик (особенно прочности) велики, а факторы (детерминированные и случайные) могут различно влиять на Е и на сгв. Связь между числом твердости по Бринелю и пределом прочности стали ав обнаруживается тоже лишь в широком диапазоне варьирования переменных 133], что не мешает широкому применению неразрушающего контроля, основан­ ного на этой связи. Методика составления таблиц перевода, разра­ ботанная в [33], может быть использована и для решения рассматри­ ваемой задачи. Дальнейшее улучшение результатов возможно путем дополнительного измерения характеристик затухания колебаний.

Неразрушающий способ контроля прочности по результатам из­ мерения характеристик упругости может быть уточнен исходя из следующих соображеций. Причину нарушения связи между Е и ств нужно искать в тех мелких дефектах структуры (порах, трещинах и т. п.), которые распределяются равномерно по всему объему мате­ риала, не обнаруживаются дефектоскопией и значительно сильнее могут повлиять на прочность материала, чем на его модуль упру­ гости.

Скорость распространения продольной упругой волны (а следо­

Прочность обладает большей структурной чувствительностью и силь­ нее зависит от некоторых параметров технологии, чем упругая деформативность. Для надежного неразрушающего контроля прочности анизотропного материала нужно ввести в рассмотрение дополни­ тельную физическую величину, определяемую, как прочность, тен­ зором четвертого ранга. Такой величиной может служить коэффи­ циент затухания колебаний а, зависящий от неупругих свойств ма­ териала, от его структуры и микродефектов.

Коэффициент затухания является тензорной величиной четного ранга [24]. Второй ранг тензора не соответствует эксперименталь­ ным данным. Рассмотрим ортогональноармированный стеклопластик при соотношении волокон 1 : 1. В направлении осей симметрии, ле­ жащих в плоскости армирования и совпадающих с направлением волокон, все свойства материала, в том числе и величины коэффи­ циента затухания, будут одинаковыми. Предположение о втором ранге тензора требует, чтобы и в направлении произвольно ориенти­ рованной оси, лежащей в той же плоскости, величина коэффициента затухания была бы такой же, как в направлении расположения во­ локон. Эксперименты показывают, что в диагональном направлении коэффициент затухания для стеклопластика всегда выше (см. табл. 16, где приведены значения логарифмического декремента затухания колебаний 6), чем в направлении волокон; таким образом, ранг тен­ зора должен быть выше второго. Предположение о четвертом ранге тензора аМт требует своего дальнейшего исследования и проверки, но не противоречит известным данным.

Компоненты тензора прочности могут быть связаны с компонен­ тами тензоров упругости и затухания, например, линейными соот-

]05

ношениями. Эта гипотеза требует дальнейшего статистического иссле­ дования путем сопоставления с экспериментальными данными.

Отсутствие свободного члена в формулах связи соответствует физическому смыслу входящих величин, но, как видно из рис. 50, 51, линейная связь, обнаруженная в конкретных диапазонах варьирова­ ния переменных, часто содержит свободные члены (прямые не про­ ходят через начало координат.) Дальнейшее накопление данных должно помочь уточнить линейность исследуемых связей и постоян-

различных гипотез с экспериментальными данными по усталостной прочности некоторых стеклопластиков. Предел выносливости при симметричном изгибе а_и динамический модуль упругости Е и логарифмический декремент затухания б определялись для направ­ лений, составляющих угол а = 0, 45 и 90° с направлением преиму­ щественного армирования трех эпоксидных стеклопластиков с раз­ личными схемами армирования. На рис. 52 линия регрессии по­ строена по экспериментальным данным.

По оси абсцисс отложена величина расчетного предела вынос­

106

Точки нанесены в соответствии с гипотезой, выражаемой форму­ лой (70), крестики — формулой (71), треугольники — формулой (72). Гипотеза, лежащая в основе формулы (72), обоснована в [18] исходя из феноменологических уравнений вязко-упругой среды.

Расчет параметров А, В и D в этих уравнениях произведен по экс­ периментальным данным методом наименьших квадратов, т. е. из условия минимизации квадратов расхождений между величинами R и а_1. Как видно из рис. 52, предложенные гипотезы не противоречат экспериментальным данным. Наименьший квадрат расхождения по­ лучен при расчете R по формуле (71), что указывает на несколько лучшее соответствие эксперименту в случае использования для не­ разрушающего контроля не только параметров упругих свойств, но и характеристик затухания.

Методы измерения упругих постоянных непосредственно на кон­ струкциях из стеклопластиков разработаны достаточно. хорошо и осуществляются при одностороннем доступе к изделию 118]. Нере­ шенным остается вопрос о методике измерения (с достаточной для практики точностью) коэффициентов затухания ультразвуковых ко­ лебаний на конструкциях из стеклопластика.

Во многих случаях простейшая гипотеза (69) или (70) оказы­ вается достаточно точной и определения характеристик затухания колебаний не требуется.

Простейший однопараметровый метод неразрушающего контроля прочности деталей из стеклопластика состоит в том, что после их дефектоскопии определяются модули упругости материала безде­ фектных (не содержащих расслоений) мест детали. Определение мо­ дуля упругости производится по результатам измерения скорости распространения ультразвукового импульса при одностороннем до­ ступе к изделию методом профилирования, изложенным в [18]. Прочность определяется по уравнению (70) или (69), в которых пред­ варительно определены эмпирические коэффициенты.

Ниже, в § 16 гл. IV, дается подробное описание методики кон­ троля качества деталей судового машиностроения однопараметровым неразрушающим методом. Там же приведен пример оценки прочности одной из деталей судового машиностроения комплексным методом, предложенным в [7] и состоящим в сочетании неразрушающих (по измерению скорости распространения ультразвукового импульса) и разрушающих (по результатам испытания образцов материала, выре­ заемых из припусков к изделию) методов.

На рис. 50 и 51 приведены корреляционные связи модуля упру­ гости Е с пределами прочности стр и g £, определяемыми по резуль­

татам испытания призматических образцов, вырезанных из стекло­

татам испытания готовых изделий.

Проблема неразрушающего контроля эксплуатационной проч­ ности деталей из стеклопластика требует дальнейшей разработки. Ниже рассматриваются примеры практического решения отдельных задач этой проблемы.

107

ГЛАВА IV

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

§ 12

Влияние технологических дефектов на прочность изделий из стеклопластиков

В деталях, изготовленных из стеклопластиков методом горячего прессования, обнаруживается существенное снижение прочности по сравнению с прочностью, определенной на малых образцах мате­ риала. Такое снижение прочности связано прежде всего с влиянием технологических дефектов.

Технологическими можно назвать все дефекты структуры мате­ риала, возникающие в процессе изготовления детали. При расчете и конструировании деталей предполагается обычно, что стеклопла­ стик является однородным материалом, в котором армирующие элементы (например, стеклоткань) ориентированы во всем объеме детали в соответствии с расчетной схемой ортогональной анизотро­ пии. Оптимальным является такое армирование детали, при котором направление наибольшей прочности материала совмещается с траек­ ториями действия главных напряжений. Для деталей, работающих, например, в условиях чистого изгиба в плоскости основы, считается, что прочность обеспечена, если максимальные действующие нормаль­ ные напряжения в k раз меньше расчетных сопротивлений материала, экспериментально определенных по испытанию образцов на растя­ жение или сжатие в направлении наибольшей прочности.

Развивая классификацию, предложенную X. Т. Кортеном [27], можно разделить технологические дефекты стеклопластиков на де­ фекты первого рода, связанные с нарушением расположения арми­ рующих элементов, и дефекты второго рода, обусловленные наруше­ нием сплошности полимерного связующего. Нарушение расчетной схемы анизотропии определяется только дефектами первого рода. При этом возможны два случая: а) смещение оси наибольшей проч­ ности материала х относительно траектории действия главных на­ пряжений, при котором плоскость ткани ху поворачивается вокруг оси г; б) искривление слоев ткани, при котором плоскость ху повора­ чивается вокруг оси у (направления утка ткани).

В работе американской Лаборатории лесных продуктов (Мэди­ сон) экспериментально исследовалось влияние дефектов, возникаю­ щих при горячем прессовании стеклопластиков, на прочность образ­ цов с искусственно созданными в них дефектами первого рода группы «б» в виде складок на поверхности образца [27]. В рабо­ тах [11, 55] теоретически исследовалось влияние начального искрив­ ления слоев на жесткость изделий из однонаправленных стеклопла­ стиков. В деталях сложной формы искривления слоев ткани при прес-

108