УДК 620.179.1:629.7.015.4.02:681.3
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦОВ
ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И ТЕНЗОМЕТРИИ
Л.Н. Степанова, ЕЮ. Лебедев, С.И. Кабанов, В.Н. Чаплыгин, СЛ. Катарушкин, И.С. Рамазанов, К.В. Канифадин
Приведены результаты исследования на трещиностойкость образцов, выполненных из композиционного материала (КМ) на основе стеклопластика. Все образцы имели приблизительно одинаковые геометрические размеры. В середине образцов с обеих сторон выполняли надпил длиной 25 мм. К образцам прикладывали статическую либо циклическую нагрузку частотой / = 5 Гц. Испытания проводили с использованием методов акустической эмиссии (АЭ) и тензометрии. Метод АЭ позволил проводить устойчивую локализацию дефекта на ранней стадии развития и осуществлять автоматизацию процесса измерения. Тензометрической системой определяли деформации в зонах локализации сигналов АЭ.
Несовершенство современной технологии производства разнообразных композиционных материалов (КМ) и изделий на их основе приводит к возникновению многочисленных дефектов в конструкции (непроклеев, расслоений, инородных включений, разрушений волокон и матрицы и т. д.). Специфичность наружных и внутренних дефектов в КМ создает определенные трудности в выборе средств и разработке методов неразру-шающего контроля (НК). Это приводит к необходимости проведения исследований образцов из КМ на трещиностойкость и сопротивляемость материала при воздействии статических, циклических и динамических нагрузок.
При контроле изделий из КМ получил распространение метод акустической эмиссии (АЭ), так как он позволяет проводить локализацию дефекта на ранней стадии развития и выявляет зарождающиеся трещины, которые регистрируются по акустическим шумам. Сигналы АЭ несут информацию о размере трещин, скорости их роста, напряжениях в местах зарождения и упругих свойствах материала. Задача раннего обнаружения разрушения КМ является актуальной и позволяет решать широкий круг научных и практических задач [1—3].
Цель работы — исследование возможностей раннего обнаружения развития дефектов с использованием методов АЭ и тензометрии в образцах из стеклопластика при их статическом и циклическом нагружениях.
Оценка несущей способности КМ образцов проводилась при их испытаниях без искусственных концентраторов напряжений. Для установления критических нагрузок, необходимых для разрушения образцов, на них подавалась линейно возрастающая статическая нагрузка. К десяти исследованным образцам прикладывалась статическая нагрузка, к восьми — циклическая.
Людмила Николаевна Степанова, доктор техн. наук, профессор, начальник сектора по разработке акустико-эмиссионной и тензометрической аппаратуры ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина". Тел. (8-383) 227-88-69.
Евгений Юрьевич Лебедев, ведущий инженер ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина".
Сергей Иванович Кабанов, канд. техн. наук, ведущий инженер ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина".
Владимир Никифорович Чаплыгин, начальник отдела ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина".
Сергей Александрович Катарушкин, начальник стенда ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина".
Илья Сергеевич Рамазанов, инженер ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина".
Кирилл Владимирович Канифадин, аспирант СГУПС.
Акустические шумы, возникающие в процессе нагружения образца, поступали на преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ), которые осуществляли преобразование акустического сигнала в электрический. Информацию с ПАЭ регистрировали АЭ-системой СЦАД-16.03 (сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии Ии.С.28. 007 № 19913/2, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений под № 18892-05) [3].
Деформации с тензодатчиков измеряли микропроцессорной многоканальной тензометрической системой ММТС-64.01 (сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии ИИ. С.28.007 А № 10749, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений под № 21760-01) [3]. Информацию из тензометрической системы ММТС-64.01 по сетевому протоколу передавали в систему СЦАД-16.03 и в процессе регистрации сигналов АЭ фиксировали нагрузки, при которых они возникали.
Образцы изготавливали на основе стеклопластика с одинаковыми геометрическими размерами 200x600x20 мм. Для имитации дефекта в середине образцов с обоих краев выполняли искусственные концентраторы — надпилы длиной 25 мм. Образцы № 4 и № 7 нагружали статической нагрузкой.
10
8
7
Т 6
0
X 5 -
ции 4
ац
ма р 3
о
ф е 2
И
6 7
Нагрузка 8
Тензодатчик 1
-^г
Тензодатчик 8
т~
10 9 8
7 6
^ к.
4 3 2
--1-г-
12 18 24
Время, мин
Тензодатчик 2
Г
30
36
ПАЭ1
Тензодатчики 1—4
ПАЭ2
Рис. 1. Результаты изменения деформаций от времени в образце < 4 — (а); локализация сигналов АЭ при нагружении образца № 4 — (б).
На рис. 1а показаны результаты, полученные при тензометрирова-нии образца № 4. Из графиков видно, что первые пластические деформации наблюдались при постоянной нагрузке Р = 5 тс, когда деформации
а
9
6
на тензодатчике 8 были равны е = 4 • 103. При нагрузке Р = 7 тс произошел обрыв тензодатчика 8, а при нагрузке Р = 10 тс образец № 4 простоял Дг = 14 мин, после чего разрушился. На рис. 16 показаны локализация сигналов АЭ и места установки ПАЭ 0 — ПАЭ 3 и тензодатчиков 1—4. Тензодатчики 5—8 расположены на противоположной стороне образца симметрично тензодатчикам 1—4. Регистрация сигналов АЭ начиналась на ранних стадиях процесса нагружения при нагрузках Р = (1—1,25) тс и продолжалась до разрушения образца. Основное число локализованных сигналов АЭ регистрировалось из мест искусственных пропилов в образцах. Для образца № 4 сглаженная зависимость изменения суммарного счета сигналов АЭ от нагрузки приведена на рис. 2.
25 000
Й 20 000
м
3 га 15 000 § к 10 000
и
ус
5000
Нагрузка
10
5 6
12 16 Время, мин
20
10
24
12
10
8 с
т
Л
6 к з
у
р
4 агр
На
2
0
28
0
4
8
Рис. 2. Зависимость изменения суммарного счета сигналов АЭ и нагрузки от времени для образца № 4.
Первые пластические деформации при испытаниях образца № 7 появились при статической нагрузке Р = 10 тс, а при нагрузке Р = 11 тс произошло его лавинообразное разрушение. Появление пластических деформаций в образце № 7 привело к повышению суммарного счета АЭ-сигналов. Деформации, регистрируемые в месте наклейки тензодатчика 1, составили порядка е = 3 • 10-3. Увеличение статической нагрузки, прикладываемой к образцу № 7, вызвало рост суммарного счета сигналов АЭ с большими амплитудами (см. рис. 3).
18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 сче 8000
6000 арн 4000
ум 2000 0
4
3,5 3
2,52 х _
2 ии
ац
1,5 I
р
о
1
1е
И
0,5 0
Суммарный счет сигналов АЭ Деформация на тензодатчике 1
2 3 4 5 6 7 Нагрузка, тс
8 9 10
1
Рис. 3. Зависимость суммарного счета сигналов АЭ и деформации от нагрузки для
образца № 7.
К образцу № 9 прикладывалась циклическая нагрузка частотой / = 5 Гц, образец нагружался до Р = (6—7) тс, при этом в зоне наклейки тензодат-
чиков регистрировали деформации порядка е = (2—3) • 10-3. Он выдержал N = 147,75 • 103 циклов нагружения, после чего разрушился в месте искусственного пропила. Из зоны разрушения этого образца непрерывно регистрировались сигналы АЭ, суммарное число которых составило порядка 140-103.
12
24 36
Время, мин
Г
48
60
Рис. 4. Локализация сигналов АЭ в образце № 9 за 3000 циклов до разрушения — (а); показания тензодатчиков на пиках нагрузки — (•).
Локализация сигналов АЭ, полученная при циклических испытаниях образца за 3000 циклов до разрушения, показана на рис. 4а. Сигналы АЭ в основном поступали из зоны верхнего пропила образца, где в дальнейшем и произошло его разрушение. Данные тензометрии (рис. 46) также подтверждают результаты, полученные акустической системой СЦАД-16.03. Наибольшие деформации были зарегистрированы на тен-зодатчиках 1 и 8, которые располагались в зоне верхнего пропила.
Для уточнения картины локализации зоны разрушения проводили построение трехмерных распределений суммарного счета сигналов АЭ и выделяющейся по плоскости образца суммарной энергии. Процесс построения таких распределений подобен построению гистограммы на плоскости. Зона локализации разбивается прямоугольной сеткой Б на множество ячеек малой площади. Для каждого акта АЭ вычисляется область локализации Ь с учетом погрешности определения разности времени прихода (РВП) сигналов АЭ на датчики пьезоантенны АГ1, ДГ2 и погрешности измерения скорости звука АС. Погрешность локализации источника сигналов АЭ представляли в виде суммы вкладов погрешностей АС и АГ1, ДГ2.
Для построения распределения числа локализованных сигналов к весу каждой ячейки сетки Б, пересечение которой с областью Ь не пусто,
добавлялась величина 1/NL, где NL — количество таких ячеек. Для оценки распределения энергии дополнительно вычисляли величину
i = K
Е
= 1
и" I
где К — фиксированное количество отсчетов для оценки энергии (принималось соответствующим интервалу 50 мкс); и — отсчеты сигнала АЭ. Вес соответствующих сигналу АЭ ячеек S увеличился на Е^ь.
200
еВ н
о < е
200
Э А
ело
дл еа рн
си а с
Р
Рис. 5. Локализация сигналов АЭ с учетом погрешностей определения времени прихода на датчики пьезоантенны и скорости звука для образца № 9:
а, в, д — распределение суммарного счета сигналов АЭ; б, „, е — оценка распределения энергии сигналов АЭ.
На рис. 5 приведены построенные для центральной части образца № 9 распределения суммарного счета и энергии сигналов АЭ. Начало си-
е
стемы координат совмещено с ПАЭ 0. Начальная стадия испытаний соответствует рис. 5а, б. Во время первых циклов нагружения сигналы АЭ поступали в основном из зоны конца нижнего пропила образца. Далее зона активности сигналов АЭ сместилась к области верхнего пропила.
На рис. 5в, „ приведены распределения суммарного счета сигналов АЭ и их энергии, соответствующие циклам нагружения, во время которых происходит перемещение зоны их активности. Видно, что распределение энергии имеет отчетливый максимум в области, в которой в дальнейшем будут регистрироваться в основном сигналы АЭ. Это означ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.