CC BY
39
УДК 691.3;620.192;620.173 А.Н. Круглова - аспирант
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (ПГУАС)
МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ: ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИТОВ
АННОТАЦИЯ
Приводятся результаты исследования кинетики разрушения радиационно-защитных эпоксидных композиционных материалов. В процессе механического нагружения анализировались информативные параметры акустической эмиссии.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Акустическая эмиссия, кинетика разрушения.
A.N. Kruglova - post-graduate student
Penza State University of Architecture and Construction (PSUAC)
ACOUSTIC EMISSION METHOD: INVESTIGATION OF EPOXY COMPOSITES DESTRUCTION
ABSTRACT
The results of kinetics of radiation-protective epoxy composites destruction are presented. During the stress testing the informative parameters of acoustic emission signals are analyzed.
KEYWORDS: Acoustic emission, kinetics of destruction.
Эксплуатация радиационно-опасных объектов и безопасность их персонала невозможны без использования материалов, обладающих высокими радиационно-защитными свойствами. Весьма перспективными в отношении эксплуатационных и защитных показателей оказываются дисперсно-наполненные полимерные композиционные материалы с эпоксидной матрицей (ЭКМ). Высокая радиационная стойкость подобных материалов позволяет применять их в различных областях промышленности.
Комплекс основных свойств ЭКМ к настоящему времени исследован весьма подробно. В то же время при использовании многих методов исследований информация о деструктивных процессах может оказаться недоступной. Весьма информативным методом исследования является метод акустической эмиссии (АЭ), позволяющий определять интенсивность и многие другие параметры (момент возникновения, положение, скорость и направление развития дефектов) процесса дефектообразования [1]. Тип АЭ определяется характером дефектов (упругие деформации сопровождаются всплесковой АЭ; пластическая деформация сопровождается непрерывной АЭ; развитие магистральных трещин сопровождается импульсами высокой амплитуды). Отсутствие активных воздействий на исследуемый
объект, характерных для метода АЭ, является причиной значительного внимания к нему со стороны многих исследователей [2, 3].
В настоящей работе приведены результаты исследования прочностных свойств ЭКМ. В процессе механических испытаний регистрировались (с использованием разработанного аппаратнопрограммного комплекса) информативные параметры сигналов АЭ.
В качестве матричного материала ЭКМ использована диановая смола ЭД-20, отверждаемая полиэтиленполиамином. В качестве наполнителя и заполнителя использовался промышленный отход с высоким содержанием сульфата свинца. Для улучшения защитных и прочностных свойств выполнялось армирование короткими металлическими волокнами. Суммарная объемная доля дисперсных фаз составляла около 50 %. Были изготовлены образцы размером 20х20х20 мм. Отверждение матричного материала проходило в течение 24 часов при комнатной температуре. Готовые образцы были подвергнуты тепловой обработке в течение 5 часов при температуре 80 0С. Испытания образцов на осевое сжатие производились на разрывной машине ИР5057-50 (при испытаниях осуществлялась коррекция систематической погрешности (достигающей 500 %), обусловленной деформацией подвижных частей).
Ит-енсинность АЭ, с и Напря»м«ие МПа Напряжение, МП в
йуёмя мин
Рис. 1. Механическое напряжение в исследуемом образце
Огйвситепадая деформация •№
Рис. 2. Диаграмма сжатия
Вр>ем*, МАИ.
Рис. 3. Интенсивность АЭ
Вреям .мин.
Рис. 4. Амплитуда АЭ
Врсмн, мім.
Рис. 5. Интенсивность АЭ, регистрируемой при нагружении образца матричного материала
Регистрация информативных параметров сигналов АЭ выполнялась прибором АФ-15, дополненным устройством сопряжения с персональным компьютером (ПК). В качестве приемного преобразователя использовался пьезоэлемент на основе керамики ЦТС-19, волновод которого был приведен в акустический контакт с образцом. Для сопряжения АФ -15 с ПК в ПГУАС разработано устройство (микроконтроллер, передающий данные по стыку Я8-232). Информация накапливалась в постоянной памяти персонального компьютера и становилась доступной по завершению эксперимента (регистрация и обработка разделены во времени). Измерялась интенсивность (число превышений сигналом заданного уровня в единицу времени) и амплитуда АЭ (усреднена за это же время).
В силу конструктивных особенностей машины ИР5057-50 нагружение было нелинейным. Зависимость механического напряжения от времени соответствует рис. 1. Диаграмма сжатия приведена на рис. 2.
Зависимости параметров АЭ от времени (соответствуют шкале рис. 1) приведены на рис. 3 и 4.
Информативные параметры АЭ регистрировались также для матричного материала (в отсутствии дисперсных фаз). Разрушающее напряжение (113 МПа) было достигнуто в момент времени 2,87 мин. Соответствующая зависимость интенсивности АЭ приведена на рис. 5.
Как следует из рис. 1, на участке О е [0; 20] МПа
механическое напряжение практически линейно зависит от относительной деформации; предел
пропорциональности Оп = 20 МПа (соответствует
относительной деформации £п = 6 -10 4)
достигается в момент времени / = 1,8 мин.
do
Снижение скорости роста напряжений ---- при
de
О > Оп по всей видимости обусловлено разрывами
связей между структурными элементами (напряжения
О > 20 МПа) и взаимными перемещениями структурных элементов, в то время как на
участке О е [0; 20] МПа рост напряжений
обусловлен почти исключительно упругими деформациями. Это подтверждается характером эмиссионного излучения, а также сравнительным анализом характера АЭ для ЭКМ и ненаполненного
матричного материала (рис. 3). На участке О < Оп
упругие деформации сопровождаются крайне слабой всплесковой эмиссией, вызванной разрушением отдельных структурных элементов. Регистрация импульсов высокой интенсивности начинается только
при напряжениях О > Оп. Предел пропорциональности ненаполненного матричного материала практически совпадает с пределом упругости: для зависимости на рис. 3 характерно отсутствие АЭ до момента разрушения.
При напряжениях О е [55; 75] МПа уровень
сигналов АЭ остается приблизительно постоянным. По всей видимости, это связано с развитием деформаций за счет взаимных перемещений структурных элементов (сопровождаются
непрерывным эмиссионным излучением средней интенсивности, рис. 3). Превышения локальными перенапряжениями определенного уровня (напряжения свыше 55 МПа) приводят к разрыву адгезионных связей на границе армирующего и армируемого материалов, что сопровождается АЭ
высокой интенсивности.
Предел прочности при сжатии <7вр = 75 МПа достигается в момент времени t = 6 мин. Значению
SBp соответствует относительная деформация _2
£вр = 3 • 10 , существенно превышающая £п .
За время t е [6; 8] мин относительная деформация возрастает до 3евр, достигая к моменту окончания эксперимента величины £ = 0,12 . В этот период развиваются многочисленные трещины, длина которых сравнима с размерами образца. Однако полного разрушения образца не происходит - его отдельные части удерживаются армирующими волокнами (ниспадающий участок рис. 2). Прохождение макротрещин сопровождается импульсами с высокой амплитудой, которые резко выделяются на фоне непрерывной АЭ (рис. 3, 4).
Таким образом, регистрация информативных параметров АЭ позволяет получить дополнительную информацию о процессе дефектообразования, сделать на данной основе выводы о характере разрушения материала и выбрать способы повышения прочностных характеристик ЭКМ.
Литература
1. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия: применение для испытаний материалов и изделий. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - 272 с.
2. Hellier C. Handbook of Nondestructive Evaluation. -NY: McGraw-Hill, 2001. - 603 p.
3. Miller R., Hill E., Moore P. Nondestructive Testing Handbook, Third Edition: Volume 6, Acoustic Emission Testing. - OH:ASNT, 2005. - 446 p.
