Файл: Детали из стеклопластика в судовом машиностроении..pdf

состояний для стеклопластика на основе стекложгутовЖС-0,4, уложенных ортогонально, и полиэфирной смолы ПН-1.

Рис. 48. Поверхность равноопасных плоских напряженных состоя* ний для стеклопластика, уложенного из стеклотканевых лент при ß = 72°, у = 54° (см. рис. 1), на основе полиэфирной смолы ПН-1.

98

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