УДК53.08:004, УДК53.087/.088
ПРИМЕНЕНИЕ ДАТЧИКОВ ДЕФОРМАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНОГО
ТИПА ДЛЯ ОЦЕНКИ УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ
С.В. Панин, М.В. Бурков, П.С. Любутин, Ю.А. Алтухов, С.А. Хижняк
В ходе циклических испытаний образцов композиционного материала на основе углеродных волокон проведена оценка их наработки с помощью датчика деформации интегрального типа (ДДИТ). В состав датчика входит полированная алюминиевая фольга (чувствительный элемент), наклеенная на поверхность образца и деформирующаяся совместно с ним. Ее изображения регистрировали с помощью микроскопа МБС-9, дооснащенного цифровой фотокамерой. Для анализа деформационного рельефа ДДИТ рассчитывали комплекс информативных параметров, обсуждали и трактовали характер и типичные стадии их изменения. Полученные данные предложено использовать при создании встроенных датчиков контроля состояния деталей техники ответственного назначения.
Ключевые слова: датчик деформации интегрального типа, усталость, углеволоконный композиционный материал, контроль состояния.
1. ВВЕДЕНИЕ
Композиционные материалы (КМ) на основе углеродных волокон благодаря высоким прочностным характеристикам, а также возможности варьировать количество армирующего на этапе проектирования (исходя из заданных условий нагружения) позволяют создавать конструкции, значительно превосходящие по прочностным, эксплуатационным и технологическим свойствам аналогичные из металлических сплавов. Однако в силу сложной структуры (наличие нескольких направлений армирования, разные свойства матрицы и волокна, большое количество границ раздела волокон и связующего) в изделиях из композитов может возникать множество типов дефектов (потеря адгезии на границе волокно — связующее, растрескивание матрицы, расслоения, отрывы волокна от матрицы, разрывы волокон и др.).
На практике наиболее широко распространенные условия эксплуатации конструкций связаны с действием циклических нагрузок, что может приводить к усталостному разрушению. При этом усталость композитов, обладающих достаточно высокими упругими свойствами, связана с постепенным (вследствие циклических деформаций) накоплением в структуре КМ микродефектов (расслоения, потеря адгезии, образование микротрещин), снижающих интегральные прочностные свойства композита. Таким образом, в некоторый момент расчетная эксплуатационная нагрузка может превысить постепенно снижающийся предел прочности материала конструкции и произойдет ее разрушение.
Значительный интерес для исследователей, занимающихся проблемами неразрушающего контроля, представляют системы встроенного контроля механического состояния — Structural Health Monitoring (SHM), являющиеся источниками информации о наличии/возникновении повреждений, что
Сергей Викторович Панин, доктор техн. наук, профессор, зав. лабораторией полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН, г Томск. Тел. 8 (3822) 286904. E-mail: svp@ispms.tsc.ru
Михаил Владимирович Бурков, младший научный сотрудник Института физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск. Тел. 8 (3822) 286904. E-mail: burkovispms@mail.ru Павел Степанович Любутин, младший научный сотрудник Института физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск. Тел. 8 (3822) 286889. E-mail: ps_box@mail.ru
Юрий Александрович Алтухов, аспирант Института физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск. Тел. 8 (3822) 286922. E-mail: sokol88@sibmail.com
Степан Алексеевич Хижняк, начальник отдела НК Филиала ОАО "Компания "Сухой" "ОКБ Сухого", Москва. Тел. 8 (495) 941-78-41. E-mail: elk@okb.sukhoi.org
позволяет существенно повысить безопасность эксплуатации, а также расширить временные интервалы между точками плановой полномасштабной диагностики. Одним из подходов к встроенному контролю деталей является оценка состояния материала с помощью ДДИТ [1]. Суть методики, основанной на использовании ДДИТ, заключается в оптическом наблюдении за поверхностью тонкой алюминиевой фольги-датчика, наклеенной на исследуемый материал. В процессе циклического деформирования на поверхности фольги формируется деформационный рельеф, регистрируемый видеодатчиком. Количественная оценка первого позволяет анализировать наработку материала и его текущее состояние.
Данный метод получил развитие в коллективе под руководством проф. В.Н. Сызранцева с 80-х годов XX века. В [2, 3] ДДИТ, изготавливаемые из гальванической фольги, использовали для диагностики усталостного накопления повреждений металлоконструкциями и восстановления истории их нагружения. Метод на основе ДДИТ является перспективным и для аэрокосмической отрасли. Так, например, К. Паже из Европейского авиастроительного концерна "Эйрбас" в [4] обсуждает применение ДДИТ в авиастроении. Автор рассматривает датчики на основе тонких пленок, области их применения, устанавливает требования к функциям датчиков и эксплуатационным условиям окружающей среды, обсуждаются испытания на надежность, необходимые для соответствия требованиям авиационной отрасли. Однако в вышеуказанных работах объектом контроля являются изделия и образцы из металлических сплавов. Нами поставлена задача провести исследования, связанные с применением ДДИТ для оценки циклической деформации композиционных материалов, а также разработать комплекс информативных признаков для анализа изображений фольг-датчиков. Ранее в [5, 6] коллективом авторов разработана методика исследования деформации при статическом нагру-жении КМ, основанная на комбинированной регистрации данных метода корреляции цифровых изображений и акустической эмиссии. В данной работе авторы поставили задачу с использованием оптического метода получить оценку циклической деформации композитов.
2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Для циклических испытаний применяли образцы из углеволоконного КМ системы "углеродное волокно/эпоксидная матрица" (далее — УЭКМ) с псевдоизотропной укладкой [45, 0, -45, 90°]25. Для защиты поверхности материала в укладку в качестве внешних слоев добавлена стеклоткань.
На рис. 1а приведен чертеж образца из УЭКМ с двумя надпилами и наклеенной на поверхность алюминиевой фольгой; толщина образца составляет 3,3 мм. Мягкую поликристаллическую алюминиевую фольгу приклеивали на цианакрилатный клей с добавками пластификатора. После наклейки фольги-датчика на образец проводили его механическую ступенчатую шлифовку и полировку. Такой подход к подготовке ДДИТ позволяет полу-
Рис. 1. Чертеж образца с наклееной фольгой (а); фотографии исходного и разрушающего
образцов (б).
чить зеркальную поверхность фольги с минимальным количеством дефектов. Также благодаря одинаковому качеству поверхности фольг на разных образцах существенно повышается повторяемость формирования деформационного рельефа и соответственно воспроизведения как абсолютных, так и относительных значений информативных признаков, применяемых для численной оценки рельефа на изображениях ДДИТ.
Использованная в работе схема освещения взаимосвязана с методикой подготовки фольги, но отличается от таковых, описанных в литературе. Так, в [1] фольгу-датчик отклеивали с помощью ацетона от образца и фотографировали с помощью микроскопа МБС-9 в отраженном свете, получая светлые недеформированные участки и темные складки деформированного материала. В [7] фотографирование фольги осуществляли непосредственно на образце, однако благодаря диффузному освещению также получали изображения со светлыми недеформированными областями и темными складками.
В настоящей работе для освещения образца использовали 2 источника: галогеновый студийный осветитель и точечную светодиодную лампу (рис. 2а). Галогеновый осветитель располагали в плоскости хг под углом 45° к оси х для формирования общего фона изображения. Точечный светодиодный источник для увеличения контраста формирующихся деформационных складок был расположен в плоскости хг под углом ~10° к "отрицательной" оси х. Такая схема освещения зеркальной фольги позволяет получить на начальных этапах циклического нагружения темное однотонное изображение, так как отраженный свет не попадает в объектив микроскопа. Далее по мере наработки формируется деформационный рельеф, на элементах которого происходит рассеянное отражение, поэтому области со сформировавшимся рельефом выглядят более светлыми.
а б
Рис. 2. Схема освещения и съемки(а); схема выбора двух расчетных областей на изображении фольги датчика(б).
Опыт по выбору схемы был получен в предварительном исследовании, при котором испытывали металлические образцы с наклеенными ДДИТ. Фольги полировали для получения зеркальной поверхности. Таким образом, начальное состояние фольги у разных образцов было одинаковым. В сравнении с травленой фольгой (матовая поверхность) на зеркальных фольгах значительно улучшилась повторяемость результатов, а сравнение образцов с разной наработкой стало более корректным. Поэтому одним из ограничений при выборе угла освещения галогенного осветителя стала невозможность освещать поверхность с угла более 60°: при этом свет отражается от зеркальной поверхности и происходит засветка изображения. Располагать осветитель под углом менее 10° не позволяла колонна испытательной машины. Конечное значение угла освещения определяли визуально, по качеству получаемых изображений.
Исходное изображение
X
4 Дефектоскопия, № 5, 2014
Положение LED-осветителя выбирали таким образом, чтобы увеличить контраст деформационных складок, стараясь не вносить изменения в общее освещение (в данном случае также руководствовались визуальными оценками качества получаемых изображений). Поэтому угол выбирали наименьший (10°), ограничением также являлась колонна машины.
Подготовленные образцы с ДДИТ испытывали по схеме одноосного циклического растяжения с асимметрией цикла R = 0,1 на сервогидравличе-ской испытательной машине UTM Biss-00-201. В качестве видеодатчика использовали цифровой зеркальный фотоаппарат Canon EOS 550D с оптическим трактом микроскопа МБС-9. Фотоаппарат подключали через переходное кольцо вместо системы с окулярами. Данная система позволяет получать изображения с физическими размерами 12^8
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.