книги из ГПНТБ / Детали из стеклопластика в судовом машиностроении

Таблица 22

Пределы прочности стеклотекстолита СТЭР-1 в функции угла а

Влияние регулярных искривлений на прочность при межслойном сдвиге исследовалось на укороченных образцах путем их попереч­ ного изгиба. Метод определения предела прочности при межслойном сдвиге основан на определении предельной нагрузки, при которой образец стеклопластика, лежащий на двух опорах и нагруженный силой посредине, расслаивается под действием касательных напря­ жений. Для испытаний образцов использовали разрывную машину ЦДМ-2,5; скорость нагружения составляла 10 мм/мин.

Предел прочности при межслойном сдвиге тв (в кгс/см2) для образ­ цов правильной структуры вычисляется по формуле

где Р — максимальная нагрузка, достигнутая в процессе испытания, кгс; b — ширина образца, см; h — высота образца, см.

С увеличением параметра искривлений / меняется характер раз­ рушения образцов: наряду с расслоениями от касательных напря­ жений наблюдается разрыв волокон от нормальных напряжений, что не имеет место при нормальной структуре образцов.

Искривления волокон, как показано в [8], оказывают существен­ ное влияние на прочность композитных материалов. Если волокна имеют достаточно высокую прочность, то разрушение композитного материала при растягивающих и сжимающих напряжениях проис­ ходит под влиянием сдвигового напряжения.

Сдвиговое напряжение для данного случая вычисляется по ана­

4 1 Е г &

Эхг і\

По формуле (89) подсчитывается k x для материалов, у которых ис­ кривления не являются строго эквидистантными.

Условие прочности при растяжении или сжатии в рассматривае­ мом случае с учетом сдвиговых деформаций может быть записано

в виде r™zax =s£ [Тв хг], где решающей обычно является прочность сцепления на границах раздела между волокнами и связующим.

После возникновения локальных разрушений по изгибу волокон наступает общее разрушение образца за счет расслоения.

Рассматривая подобным образом процесс разрушения, можно найти выражение для поперечного растяжения образца.

Из работы [8] имеем

130

При двухосном растяжении или сжатии стеклопластика проч­ ность будет выше, чем при одноосном напряженном состоянии.

Поперечное сжимающее напряжение в первом случае повышает силы трения на границах между волокнами, а также уменьшает по­ перечное растягивающее напряжение от искривления волокон.

Таким образом, наличие в деталях из стеклопластика дефектов в виде искривления волокон существенно изменяет их несущую способность (снижаются упругие и прочностные свойства), что есте­ ственно ограничивает области их возможного применения.

Влияние регулярных искривлений при ударном изгибе исследо­ валось путем определения ударной вязкости и удельной работы удар­ ного разрушения. Испытания проводились на маятниковом копре МК-30, в котором образец свободно лежал на двух опорах. Нагрузка осуществлялась при помощи маятника, производящего удар посре­ дине пролета. Скорость движения маятника в момент удара состав­ ляла (3,0—4,0) ± 0,1 м/с.

Ударную вязкость, т. е. величину работы, затраченной на разру­ шение образца, отнесенную к площади его поперечного сечения (в кгс-см/см2), определяли по формуле

где АА — работа, затраченная на разрушение образца, кгс-см; b — ширина образца, см; h — толщина образца, см.

Удельную работу ударного разрушения, т. е. величину работы, затраченной на разрушение образца, отнесенную к моменту сопро­ тивления его поперечного сечения (в кгс-см/см3), определяли по формуле

где bh2!6 — момент сопротивления поперечного сечения образца, см3. На рис. 72 показан характер разрушения образцов с нормальной и нарушенной структурой при ударном изгибе. Образцы с нормаль­

ной структурой расслаиваются с раскрытием слоев, образцы с искрив­ лениями разрушаются путем разрыва слоев.

Рассмотрим влияние расслоений на снижение нормальной и сдви­ говой прочности стеклопластиков. Влияние расслоений на проч­ ность при поперечном изгибе исследовалось на образцах, изготовлен­ ных из материалов СТЭР-1 и СТЭТ-1. Для этого были отпрессованы пластины с искусственно заложенными дефектами в виде расслое­ ний, которые создавались с помощью прослоек триацетатной пленки. Триацетатная пленка закладывалась в середину пакета при укладке пластин (рис. 73). Ширина полос триацетатной пленки варьировалась от 10 до 40 мм при постоянной толщине, равной 0,04 мм.

Отпрессованные пластины разрезались на стандартные образцы так, что дефект всегда находился в зоне опасного сечения и распола­ гался по нейтральной плоскости образца в середине его длины. Все

образцы вырезались вдоль основы. Испытания проводились на ма­ шине ЦДМ-2,5, скорость нагружения 20 мм/мин.

Предел прочности образца с нормальной структурой при попереч­ ном изгибе вычислялся по формуле (84) при ах = сгв.

В настоящее время вопросы дефектного состояния материала, условия распространения трещин и падение прочности до величины, реально достижимой, исследуются на основании теории Ирвина

(см. [27]).

В развитие этой теории получены решения, позволяющие оценить влияние отмеченных факторов. Вводится в рассмотрение новый кри­ терий прочности, такой, как коэффициент интенсивности напряже­ ний, с помощью которого представляется возможным оценить вели­ чину площади дефекта и ее влияние на прочностные характеристики конструкции. Вместе с тем в качестве первого приближения могут быть использованы эмпирические зависимости, предложенные в ра­ боте [27].

Предполагается, что площадь поперечного сечения образца свя­

Учитывая, что площадь поперечного сечения образца равна сумме площадей материала, не имеющего расслоений, и материала с рас­ слоениями F2, можно записать выражение для прочности материала-, имеющего дефекты в виде расслоений:

(94)

Р — растягивающая сила.

132

Прочность материала, Не имеющего дефектов;

(95)

Отношение прочности дефектного материала к прочности мате­ риала, не содержащего расслоений:

Рис. 73. Места расположения расслоений в пластинах.

Используя зависимость (93), можно записать

падает от 2 до 46%, причем значения пределов прочности, подсчи­ танные по формуле (84), отличаются от значений эксперимен­ тально полученных точек, подсчитанных по формуле (98).

На рис. 75 показан характер разрушения образцов, испытанных при поперечном изгибе. Образцы с нормальной структурой, изго­ товленные из стеклопластиков СТЭТ-1 и СТЭТ-2, разрушаются от нормальных напряжений.

Образцы, имеющие искусственные расслоения, разрушаются от касательных напряжений путем сдвига слоев. Поэтому следует

Рис. 74. Зависимость прочности образцов из пресс-материалов СТЭР-1 (/) и СТЭТ-1 (2) от объема дефекта при изгибе.

1, 2 — кривые, вычисленные по формуле (84); экспериментальные значения (крестики и треугольники) — по формуле (98).

Рис. 75. Влияние расслоений на характер разрушения при поперечном изгибе: а — контрольный образец (1 — из материала СТЭТ-1; 2 — из материала СТЭТ-2); б—г — образцы с расслое­ нием: б — I = 20 мм; в — I = 30 мм; г — / = 40 мм.

134

определять предел прочности при сдвиге дефектного материала по формуле

Влияние расслоений на прочность при межслойном сдвиге иссле­ довалось путем определения предела прочности при межслойном сдвиге по методике, изложенной выше. Расслоения закладывались в виде полос триацетатной пленки.

Предел прочности при межслойном сдвиге для образцов пра­ вильной структуры определялся по формуле (87).

6,0

X

V:

см

й

3,0

2,0

Рис. 76. Зависимость прочности образцов из пресс-материалов СТЭТ-1 (1) и СТЭР-1 (2) от объема дефекта при разрушении от межслойного сдвига.

1, 2 — кривые, вычисленные по формуле (87); экспериментальные значения (крестики и треугольники) — по формуле (99).

Как видно из рис. 76, снижение прочности при межслойном сдвиге зависит от объема дефекта и составляет для материала СТЭР-1 от 43 до 60%, для материала СТЭТ-1 от 24 до 47%. Из рис. 76 видно, что между значениями разрушающих напряжений и относительным объемом дефектной зоны существует степенная зависимость:

k — коэффициент однородности.

На рис. 76 не показан характер разрушения образцов с нор­ мальной структурой и имеющих искусственные расслоения. С уве­ личением длины расслоений раскрывается трещина по нейтраль­ ному слою.

Наиболее опасные технологические дефекты, обнаруженные в крупногабаритных деталях из стеклопластика, искривления и рас­ слоения, предложено снижать путем прессования отдельных сердеч­ ников и последующего прессования изделий с сердечниками. При этом в наружных несущих слоях искривления отсутствуют, а вну­ тренний объем заполнен гофрированным материалом с определен­

135

ными параметрами искривления. При одностадийном прессовании возможно явление косослоя, а также искривления наружных слоев, которые приводят к появлению объемного напряженного состояния с составляющими напряжениями, действующими по наклонным площадкам деталей. Определение напряжений производится с по­ мощью полиномиального критерия прочности, приведенного в гл. II, а поверхности прочности (см. гл. Ill) позволяют оценить, насколько опасно напряженное состояние в стеклопластиковой детали.

§ 13

Контроль качества

С совершенствованием технологии горячего прессования непре­ рывно увеличивается количество проверок — видов контроля ка­ чества готовых изделий.

Контроль качества изделий судового машиностроения из стекло­ пластика состоит из: наружного осмотра; определения веса; измере­ ния содержания компонентов стеклопластика в изделиях; дефекто­ скопии деталей с целью определения внутренних дефектов; испыта­ ния контрольного изделия на прочность до разрушения с исполь­ зованием тензометрии; определения упругих свойств изделий; оценки прочности изделий неразрушающими методами.

При наружном осмотре контролируют состояние изделия по наличию видимых дефектов — складок, наплывов, местного отжатия связующего, недопрессовки, закусывания металлической окантовки. Поверхности изделий должны быть гладкими, одноцветными, без вздутий, трещин, пузырей, отслоений. Основные виды встреча­ ющихся дефектов и причины их появления приведены в табл. 23.

Контроль каждого изделия по весу производится после снятия облоя взвешиванием на технических весах с погрешностью не более 0,5%. При подборе изделий в комплекте разность весов должна быть не более 3%.

Необходимость контроля содержания связующего в готовых изделиях из стеклопластиков горячего отверждения вызывается наличием связи указанного параметра с прочностными характери­ стиками стеклопластика и рядом других его свойств (электриче­ скими, тепловыми). Рассеяние этого параметра в готовых изделиях одной партии может быть большим в результате влияния неравно­ мерности содержания связующего в пропитанном пресс-материале, неточностей ручного раскроя стеклоткани на заготовки, неравно­ мерности распределения давления по оформляющей поверхности изделия в процессе прессования идр. Существующий метод контроля процентного весового содержания связующего в изделиях из стекло­ пластиков требует высверливания из готовых изделий проб ма­ териала. Этот метод является выборочным, разрушающим/требует больших затрат времени и не может быть рекомендован для серий­ ного производства. В связи с этим для измерения содержания ком­ понентов стеклопластика в изделиях используется измеритель

136

Таблица 23

Возможные дефекты в изделиях из стеклопластиков типа СТЭР и СТЭТ и способы их устранения

13 7

емкости датчика, являющегося накладным конденсатором, от ди­ электрической проницаемости е0 стеклопластика, которая функцио­ нально связана с процентным весовым содержанием в стеклопла­ стике его компонентов: стеклоармирующего материала (ех --- 9,2) и связующего (е3 ^ 4).

Описание и технические характеристики прибора типа ИКС приводятся в работе [49].

В настоящее время для неразрушающего контроля неметалличе­ ских изделий, т. е. выявления расслоений, трещин, воздушных полостей, наибольшее практическое применение получили методы дефектоскопии, основанные на использовании упругих колебаний. К таким методам можно отнести ультразвуковые методы. Из ультра­ звуковых методов широко используется теневой и резонансный методы, а также эхо-импульсный. Теневой метод сквозного прозвучивания применяется при двустороннем доступе к исследуемому изделию. Остальные методы позволяют контролировать изделия при одностороннем доступе. Для контроля лопастей и лопаток наиболее подходящим оказался теневой метод, при котором изделие (лопасть гребного винта или целый винт) помещается между двумя датчи­ ками (излучающим и принимающим), находящимися вместе с изде­ лием в воде. Сигнал подается в принимающий датчик только при отсутствии дефекта в контролируемом месте изделия. На основе этого метода ВНИИНК была разработана установка ДУК-17 для контроля качества гребных винтов и лопастей [18].

Ультразвуковая импульсная установка ДУК-17 является ста­ ционарной, рассчитанной на работу в лабораторных и в заводских условиях. Установка состоит из пульта управления и регистрации и ванны со сканирующим устройством. Пульт управления и регистра­ ции результатов контроля имеет съемные электронные блоки, ста­ билизатор, блок питания и записывающее устройство.

При включении установки синхронизатор запускает генератор ультразвуковых импульсов; эти импульсы попадают на датчикизлучатель, который преобразует их в упругие колебания, выходя­ щие узким пучком. На некотором расстоянии, достаточном для по­ мещения между датчиками изделия, расположен датчик-приемник, преобразующий дошедшие до него упругие колебания в электриче­ ские. Оба датчика являются пьезопреобразователями. Вода — хоро­ ший проводник упругих колебаний — обеспечивает «акустический контакт» для распространения упругого колебания от датчикаизлучателя до верхней поверхности лопасти и от нижней поверхности лопасти до датчика-приемника.

Таким образом, упругие колебания как бы «прошивают» деталь узким пучком. Известно, что такие ультразвуковые упругие колеба­ ния очень плохо распространяются в газах вследствие отсутствия связи между молекулами газа. Если в изделии имеется дефект в виде воздушной раковины, трещины, расслоения, то ультразвуковой луч,

13 8