Справочник по композиционным материалам

Ультразвуковые методы диагностики

Один из распространенных МНК, использующих акустическую энергию на частотах выше 20 кГц, называется ультразвуковым. Чаще всего используются частоты от 100 кГц до 25 МГц. Более низкие частоты, относящиеся к области слышимого звука, имеют длину волны, сравнимую с размером дефекта, и звук как бы «об­текает» дефект. Надежные методы генерации и детектирования ультразвуковых волн особенно пригодны для обнаружения ма­лых дефектов [6].

Картины С-сканирования (в плоскости волны) для образцов стеклопластика, полученных намоткой, демонстрируют возмож­ность обнаружения несвязанных или неармированных участков, например пустот размером 6 мм или более [7]. Темные полосы на картине соответствуют дефектам.

Когда ультразвуковые волны достигают границы раздела или места обрыва волокна, часть их отражается. Суммарная отражен­ная энергия зависит от удельного акустического сопротивле­ния Z, характерного для данного материала, в котором распро­страняется ультразвуковая волна со скоростью о, и от плотности материала р. Энергия акустического сигнала, проходящего через образец, уменьшается в результате поглощения в самом материале и отражения на дефектах. Детектирование (локация) дефектов проводится путем оценки различия в пути, а следовательно, и в потере энергии отраженных и (или) прошедших ультразвуко­вых волн.

На практике импульс от генератора сигналов передается по коаксиальному кабелю на пьезоэлектрический преобразова­тель, который трансформирует электрический сигнал в механиче­ский.

Передача механической энергии от источника к образцу осуществляется через среду, улучшающую акустический контакт: воду, глицерин, масло, водные эмульсии. Кроме того, иногда используются резиновые прокладки или локальные источники воды; используются и увлажненные резиновые прокладки. Зву­ковой сигнал, прошедший образец и отраженный в нем, детекти­руется приемником, вновь преобразующим энергию механиче­ских колебаний в электрический сигнал. Этот сигнал анализи­руется и выводится на визуализирующее устройство, например на экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или на анализатор сканирующего типа.

Ультразвуковой эхо-импульсный метод неразрушающего кон­троля построен на принципе обнаружения сигналов, отраженных от нарушений сплошности для локации места дефекта. Для этого метода достаточен доступ только с одной стороны образца. Де­фект определяется, если сигнал отразился ранее, чем достигнута задняя по отношению к датчику поверхность образца. Дефект наблюдается в виде дополнительного импульса, расположенного между импульсом исходным и отраженным от задней поверхности. Зная скорость распространения звука в материале образца, по положению промежуточного импульса относительно исходного можно провести локацию дефекта в образце.

При сквозном прозвучивании материала измерения произво­дят после прохождения ультразвука через образец. Необходим двусторонний доступ, т. е. ультразвуковые преобразователи рас­положены по обе стороны от образца. Уменьшение энергии в ре­зультате наличия дефекта определяется по уменьшению ампли­туды импульса на экране ЭЛТ. Методом сквозного прозвучива - ния проверяются в основном более толстые материалы, чем при эхо-импульсном способе.

Оба вышеизложенных метода позволяют определять наличие в изделиях несплошностей больших размеров и проводить их локацию только в направлении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука. Однако не менее важно опреде­лять малые дефекты армирующего компонента, пузыри, места с недостатком связующего, пористость. Обнаружить такие де­фекты можно по затуханию ультразвука при сквозном прозву­чивании образца. Для этих целей может использоваться также ультразвуковой эхо-импульсный метод, однако образцы не должны быть слишком тонкими, так как исходный и отраженный от зад­ней поверхности импульсы могут интерферировать. Но образец не должен быть и очень толстым, поскольку на результате сильно сказывается затухание отраженного импульса даже для свобод­ных от дефектов образцов.

Техника ультразвуковых сдвиговых колебаний используется для контроля изделий сложной формы там, где неэффективны сквозное и эхо-импульсное прозвучивания. В этом случае сигнал посылается под углом 17,5 ... 30 к нормали. Если дефекты от­сутствуют, волны, отражаясь от поверхностей образца, затухают, т. е. к источнику сигнал не возвращается. При наличии дефекта появляется отраженный сигнал, который будет зарегистрирован преобразователем [8].

Кроме локации (обнаружения) дефектов с помощью ультра­звуковых методов можно определять толщину материалов. Сквоз­ное прозвучивание и эхо-импульсный метод позволяют опреде­лять толщину стеклопластиков с ошибкой не более 2 % при тол­щине 3,2 ... 1,3 мм [9]. Для меньших толщин эхо-импульсный метод непригоден из-за возможной интерференции, а метод сквоз­ного прозвучивания используют и на более толстых образцах.

Резонансный метод ультразвукового контроля основан на де­тектировании изменения резонансной частоты или уменьшения энергии на резонансной частоте вследствие наличия дефектов в ар­мированных пластиках. Исходно определяемая резонансная ча­стота зависит от состава материала и толщины образца. Изменения в составе и (или) толщине образца сказываются на чувствитель­ности метода и на локационном разрешении дефекта. С помощью этого метода можно определять также и толщину образца:

, п%

1~~Г>

Где Я, — резонансная длина волны; п — число, соответствующее гармонике данных колебаний (основной гармонике — резонансу — соответствует п = 1).

Изменение скорости прохождения ультразвука при извест­ной толщине образца может служить для определения изменения плотности и модуля упругости [10], исходя из соотношения

Где VL — скорость распространения продольных волн; Е — объемный модуль упругости; р — плотность материала; v — коэф­фициент Пуассона. Для стеклопластиков на основе £-стеклотка - ней типа 181 с эпоксидными, фенольными, полиэфирными, сили­коновыми, а также полибензамидазольными (ПБИ) связующими в отчете AVCO рекомендуется соотношение

VlP = 0,0124£,

Где Vl — продольная скорость распространения волны, изме­ряемая в плоскости слоя.

Измерения продольной скорости распространения ультразву­ковых колебаний VL при сквозном прозвучивании образца дают достаточно хорошую корреляцию с пределом прочности при ра­стяжении для стеклопластикового цилиндра, армированного ко­роткими волокнами 111). Аналогично измерение продольной ско­рости распространения волны в направлении армирования для однонаправленных борэпоксидных композитов (ЭБП) коррели­рует с переделом прочности этих материалов при сдвиге [12]. В обоих случаях высокой продольной скорости распространения волн соответствует высокая прочность материалов, в то время как для модуля упругости этот параметр зависит еще и от плот­ности.

Широкие исследования ультразвуковых МНК для намоточных композитов были проведены фирмой «Дуглас» по заказу ВВС США [13]. Техника сквозного прозвучивания была приспособлена для образцов толщиной 508 мм с использованием воды в качестве им­мерсионной жидкости для акустического контакта. Определялись дефекты, связанные с нарушением армирующего компонента, пористостью и изменением состава связующего. Надежно уда­валось фиксировать обрывы нитей при намотке сосудов высокого давления.

Определение глубины проникновения трещин в материал и классификация типов трещин проведены Бар-Коэном [14] с по­мощью варианта эхо-импульсного метода с очень коротким «удар­ным» импульсом [15]. На ЭЛТ выводится сигнал образца, в котором отсутствуют дефекты. При дальнейших измерениях участки с де­фектами вносят изменения в картину на экране ЭЛТ. Могут на­блюдаться следующие изменения: дополнительные отражения сиг­нала, изменение скорости его прохождения, вариации затухания или смещение фазы отраженного сигнала. Этот метод приме­нялся для оценки сандвичевых конструкций, состоящих из угле - пластиковых слоистых обшивок и сотового алюминиевого запол­нителя. Исследовалась возможность определения дефектов раз­личного типа, включая нарушение сплошности в слоистом пла­стике, несвязанные (непроклеенные) участки между обшивкой и заполнителем и расхождение между концами волокон в слои­стой обшивке.

Следующие стандарты Американского общества (ASTM) по испытаниям материалов излагают ультразвуковые неразрушающие методы контроля:

ASTM Е113-67. Ультразвуковой контроль резонансным методом; ASTM Е114-75. Ультразвуковой коротко лучевой эхо-импульс­ный контактный метод контроля;

ASTM Е214-68. Иммерсионный ультразвуковой метод кон­троля, использующий отражение импульса продольной волны; ASTM Е317-68. Оценка технологических характеристик с по­мощью ультразвукового эхо-импульсного метода;

ASTM E494-75. Измерение скорости прохождения ультразвука в материалах.

В военно-морской лаборатории прикладных исследований США был опубликован ряд сообщений о возможностях использо­вания ультразвуковой техники для неразрушающего контроля армированных пластиков различных типов [15]. Центр по иссле­дованию материалов армии США (шт. Массачусетс, г. Уотер­таун) издал обзор по методам ультразвуковых испытаний (A re­port guide to ultrasonic testing literature, v. I, March 1966).

Прибор «Фоккербондтестер», созданный голландской фирмой «Фоккер», использует ультразвуковой резонансный метод, вклю­чая пьезоэлектрические преобразователи колебаний в широком интервале частот. Были предложены другие разработки в виде приборов «Коиндаскоп», «Стабметер» и «Сонизон». При контроле образцов весьма существенное влияние оказывает контакт пре­образователя колебаний с образцом. Обычно используемая схема включает вольтметр (Б-шкала), фиксирующий общее затухание преобразователя. Визуализация на экране ЭЛТ позволяет выде­лить резонансную частоту.

Прибор «Фоккербондтестер» широко используется для нераз­рушающего контроля адгезионно связанных конструкций. Наи­более эффективно он используется для определения качества ад­гезионных соединений металлов с металлами. Успехи достигнуты и при определении качества сотовых сандвичевых структур, для выявления несвязанных участков [16].

При определении качества продукции такие приборы градуи­руются по образцам, в которых дефекты отсутствуют. Для санд­вичевых конструкций качество адгезионных связей металла с ме­таллом в плоскости растяжений определяет сдвиговые характе­ристики материала. Качество таких связей определяется по ам­плитуде колебаний на резонансной частоте (Л-шкала) и по зату­ханию максимальной амплитуды (Б-шкала).

Справочник по композиционным материалам

Пластики, полученные методом намотки

Быстрое развитие исследований и применение материалов, полученных намоткой, привело к созданию большого числа специ­фикаций и стандартов на методы их испытаний. Следующие стан­дарты ASTM представляют собой интерес: ASTM D2290-76. Определение предела …

Другие виды испытаний

Ряд испытаний должен проводиться при повышенных темпера­турах. Зависит это от типа композиционного материала и области его применения. Обычные композиты не должны терять проч­ность и модуль после получасовой экспозиции при темпера­туре …

Влияние длительной выдержки в окем*М;-г! иа глубине 1737 м на свойства СВКМ

Показатель Исходные значения После выдерж­ки на глубине 1737 м в тече­ние 1045 сут Показатель Исходные значення После выдерж­ки на глубине 1737 м в тече­ние 1045 сут А0Ж( МПа £сш, ГПа …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.