Предложение №1
Акустические средства контроля физико –механических свойств композитов
В технике уже давно нашли широкое применение различные гетерогенные материалы (композиты). В их число входят, например, изделия из бетона, чугуна, изделия порошковой металлургии (твердые сплавы типа WC-Co, смешанное ядерное топливо, композиты типа W-Cu и др.), отдельные органы живых существ с мелкодисперсными твердыми включениями, пропитанные жидкостью пористые соединения в земных недрах и т.д. и т.п. За небольшим исключением все физико-механические свойства композитов существенно зависят как от их фазового состава, так и от свойств и структуры составляющих их компонентов. Разработка оптимальной технологии изготовления изделий из композитов, высокие требования к их качеству, оптимальные условия эксплуатации и контроль стабильности свойств при этом привели к необходимости разработки неразрушающего метода массового экспрессного контроля фазового состава( как одного из важнейших параметров качества), поскольку существующие на сегодняшний день методы фазового анализа (например, рентгеновского) не в состоянии осуществить это. Общеизвестна высокая чувствительность, точность и информативность акустических характеристик – частота резонансных колебаний или их затухание, скорость распространения ультразвуковых волн и др. – к наличию в каком-либо материале точечных, линейных и, естественно, объемных включений (как в любом композите). Эти достоинства акустических методов уже нашли широкое применение в науке и технике для контроля и исследования различных материалов. Кроме того, накопленный к настоящему времени обширный экспериментальный и теоретический материал свидетельствует в пользу выбора в качестве зондирующей количественной характеристики некоторых параметров ультразвука как с точки зрения их взаимно-однозначного соответствия различным физико-механическим свойствам композита, так и с точки зрения технических возможностей реализации акустического метода контроля. Руководствуясь изложенным, авторы Предложения в течение последних 20 лет разработали и опробовали ряд методов и устройств для исследования и контроля различных мономатериалов и композитов в широком диапазоне температур (до 2000°С) и частот колебаний (0.02….10МГц) в резонансном и импульсном режимах. Результаты исследований и контроля нашли свое отражение в ряде патентов, статей и программе АКФ-МСК[1-3]. Программа АКФ-МСК – Акустический контроль физико-механических свойств – предназначена для осуществления экспрессного контроля ряда физико-механических свойств макроизотропных однородных композитов. Программа может применяться для оценки: - пористости порошковых спеченных материалов; - состава двухфазного компактного композита для изделия с сохраняющимся во время технологического процесса составом компонентов или изменяющимся во время техпроцесса составом одного из компонентов; - состава и пористости трехфазного композита, представляющего собой пористую однородную смесь двух компонентов; - при невозможности изготовления компактного образца материала (как составляющего композита) и измерения на нем истинных скорости звука и плотности разработан способ для их определения с использованием двух пористых образцов; - всего спектра модулей упругости; - кроме того, для контроля корректности определения пористости или состава двухфазного композита разработаны способы с использованием эталонов, произвольно выбранных из партии контролируемых изделий и охарактеризованных по пористости или составу любым известным или предлагаемым способами. Программа обеспечивает расчет параметров путем использования в рамках карпускулярно-волнового приближения измеряемых плотностей и скоростей распространения идентичных колебаний в изделиях (образцах) из каждого компонента и из контролируемого резонансным или импульсным способом в одинаковых физических условиях. Программа опробована на десятках различных макроизотропных (пока!) композитов, представленных в технической литературе. Среди них есть твердые сплавы WC-Co, пористые композиты SiC-Si, Si3N4-Si, SiC-Al2O3, TiC-Al2O3, W-винил, W-Cu, спеченные стеклянные шарики-H2O и множество других. Приведем примеры расчетов по программе АКФ-МСК.
работ L. Frolich, H. Hoffman (1972) – Wissenschaftliche Zeitschrift der Technichen Hochschule Otto von Guericke Magdeburg 16, Heft 1, s. 11-22 и Ф.Ф. Воронов, Д.Б. Балашов – ФММ, 18(1960) №4, с. 616-20. Использование скоростей продольных колебаний и плотностей компонентов и композита приводит к следующим результатам:
ИЗМЕРЕНО: - скорости УЗ в WC и в композите ВК-6: 7175м/с и 6920м/с - плотности WC и ВК-6: 15.65 г/см3 и 14.99 г/см3 РАССЧИТАНО: - объемная доля связки: Ссв=9.97об.% , 6.0вес.% - продольная скорость УЗ в связке: Vlсв=4970м/с - модуль продольной упругости: L=22747кг/мм2 - плотность связки: ρсв=9.03г/см3 Аналогичное использование поперечных колебаний и плотностей дает: ИЗМЕРЕНО: - скорости УЗ в WC и в композите ВК-6: 4335м/с и 4181м/с - плотности WC и ВК-6: 15.65 г/см3 и 14.99 г/см3 РАССЧИТАНО: - объемная доля связки: Ссв=9.97об.% , 6.0вес.% - поперечная скорость УЗ в связке: Vsсв=3004м/с - плотность связки: ρсв=9.03г/см3 - модуль сдвига: G=8309кг/мм2 - коэффициент Пуассона: ν=0.212 - модуль Юнга: Eсв=20146кг/мм2 - модуль объемной упругости Bсв=11688кг/мм2 - весовая для W в Co: Сw=8.2вес.%
Проверка тремя методами(из пяти существующих) концентрации связки приводит: 1) по правилу смесей: Ссв=9.97об.% 2) с использованием продольных скоростей: Ссв=9.966об.% 3) с использованием поперечных скоростей: Ссв=9.96об.% Получаемые характеристики для связки в сочетании с данными для композита ВК-6 можно использовать для установления корреляции с твердостью, вязкостью разрушения и т.д. Информация в таком объеме для связки и композита в целом с возможностью самоконтроля получена впервые.
шариков и получил композит «стекло-вода» с разной концентрацией H2O. В предположении компактности (т.е. пористость р=0) композитов программа позволяет рассчитать состав по схеме двухфазного композита по продольным колебаниям и с использованием в качестве эталона, например, композита №1, используя теоретические значения (по правилу смесей) плотностей композитов и минимизацию значений пористости (р>0), которую позволяет программа, произведем также оценку состава композитов по схеме трехфазного композита. 1) ИЗМЕРЕНО: - скорость УЗ в стекле: 5690м/с - в воде 1460м/с - в композите №1:4050м/с РАССЧИТАНО: - СH2O=28.46 (Plona CH2O=28.3%)
ИЗМЕРЕНО: - скорость УЗ в стекле: 5690м/с - в воде 1460м/с - в композите №2:4180м/с РАССЧИТАНО: - СH2O=25.8 (Plona CH2O=25.8%)
2) Пусть композит №1 – эталон с об.%H2O=28.3%. Тогда расчет для композита №2 приводит к: ИЗМЕРЕНО: - скорость УЗ в стекле: 5690м/с - в композите №2 4180м/с - в эталоне:4050м/с РАССЧИТАНО: - СH2O=25.71 (Plona CH2O=25.8%)
3) Расчет по схеме трехфазного композита с использованием теоретической плотности композита:
а) ИЗМЕРЕНО: - плотность стекла: 2.48г/см3 - воды: 1.0г/см3 - композита №1: 2.06г/см3 - скорость УЗ в стекле: 5690м/с - в воде: 1460м/с - в композите: 4050м/с РАССЧИТАНО: - CH2O=28.2об.%(Plona CH2O=28.3%)
б) ИЗМЕРЕНО: - плотность стекла: 2.48г/см3 - воды: 1.0г/см3 - композита №1: 2.098г/см3 - скорость УЗ в стекле: 5690м/с - в воде: 1460м/с - в композите: 4180м/с РАССЧИТАНО: - CH2O=25.6об.%(Plona CH2O=25.8%)
приводят в статье все данные, необходимые для использования программы АКФ-МСК. Расчет состава и пористости произведем по нескольким схемам.
1) В предположении отсутствия пористости (р=0) произведем расчет объемной доли Al2O3 (как у авторов) только с использованием скоростей УЗ: а) ИЗМЕРЕНО: - продольные скорости УЗ в SIC: 11461м/с - Al2O3: 10059м/с - в композите: 10454 м/с РАССЧИТАНО: - CAl2O3=70.6об.%
б) ИЗМЕРЕНО: - поперечные скорости УЗ в SIC: 7459м/с - Al2O3: 6399м/с - в композите: 6689 м/с РАССЧИТАНО: - C Al2O3=71.1об.%
2) Будем считать, что пористость существует, и расчет произведем по схеме для трехфазного композита: а) продольные колебания - плотность SiCW: 3.181г/см3 - Al2O3: 3.986г/см3 - скорость УЗ в SIC: 11461м/с - в Al2O3: 10059м/с - в композите: 10454 м/с - p=0.12% - С=68.7% б) поперечные колебания - плотность SiCW: 3.181г/см3 - Al2O3: 3.986г/см3 - скорость УЗ в SiC: 7493м/с - в Al2O3: 6399м/с - в композите: 6689 м/с - p=0.22% - СAl2O3=69.2% 3) По правилу смесей с использованием только плотностей получается C Al2O3=68.2об.%. Авторы работы приводят C Al2O3=69.2…..71.4об.%, определенную ими различными способами. Таким образом, даже из приведенных примеров следует, что программа АКФ-МСК имеет широкие возможности исследования и контроля различных типов композитов, начиная с разработки оптимальных технологических режимов их изготовления, последующих контроля годности и оценки их пригодности для дальнейшей эксплуатации. В заключение отметим, что знание состава и пористости композитов позволяет произвести оценку их физико-механических свойств, применяя существующие модели и исключая трудоемкие исследования для получения эмпирических зависимостей. Область применения – везде, глее разрабатываются и эксплуатируются новые композиты.
20-2000°С в Кн. «Карбиды и сплавы на их основе», «Наукова Думка», Киев, 1976, с.104-7 В.И. Князев, В.Г. Букатов, О.С. Коростин 2. В.И. Князев, В.Г. Букатов, Д.Р. Кутырев Изобретение № 1817017G01N29/00 от 23.05.93 БН №19 Способ акустического определения физических характеристик спекаемого материала. 3. Программа для ЭВМ «Акустический контроль физико-механических свойств композитов» В.И. Князев № 2008615672 от 27.11.2008
|
|
|
|