ПРЕДЛОЖЕНИЕ. №3

 

Акустико-весовой метод предсказания и контроля физико-механических свойств композитов (корпускулярно-волновое приближение).

 

Содружество ряда кафедр МИФИ позволило разработать акустические методы и аппаратуру для исследования и неразрушающего контроля материалов атомной техники. Совместно с предприятиями отрасли осуществлено внедрение этих разработок в повседневную практику.

Созданный научный задел предлагается для дальнейших совместных исследований и доработок методик применительно к вашим композиционным материалам и изделиям из них. При успешной апробации предлагаемых методов и средств возможно их внедрение на предприятиях любой отрасли промышленности.

Анализ достижений наших предшественников (глубина поиска > 90 лет) позволил учесть надежно установленные положения о том, что конденсированная среда и поле упругости характеризуются плотностью импульсов и энергий квазичастиц каждой фазы композита, а распространение ультразвуковых (УЗ) волн в нем осуществляется в соответствии с принципом минимума диссипации энергии (наименьшего действия). Соблюдение этих положений привело к использованию 2 основных характеристик компонентов для анализа 2- или 3-фазных композитов - скорости УЗ и плотности, что и определило название метода: «Акустико-весовой...».

Практически все физико-механические свойства композитов зависят от их фазового состава, пористости, свойств и структуры компонентов.

В течение последних 2 десятилетий в рамках корпускулярно-волнового приближения установлено взаимно-однозначное соответствие между 17 параметрами (из них 11 независимых) изотропных компонентов в 3-фазном композите:

3v_i^l + 3v_i^s + 3g_i + 3Li + 3Gi + c₂ + p ,        где

v_i^l, v_i^s -скорости распространения продольных и поперечных волн;

Li ,Gi - модули продольной упругости и сдвига;

g_i. плотность;

р-пористость;

с₂ -объемное содержание второй фазы.

Отмеченное соответствие свойств позволяет:

1)             предсказать вклад параметров сил связи в каждой фазе (когезия) и межфазного
взаимодействия (адгезия) в потенциальные возможности перспективного
композита еще на стадии выбора компонентов;

2)             выбрать оптимальные режимы технологии изготовления изделий из композитов;

3)             осуществить экспрессный неразрушающий контроль качества и стабильности
свойств в оптимальных условиях эксплуатации.

Компьютерный анализ (программа АКФ-МСК №2008615672 от 27,11,08) в настоящее время позволяет решать как прямые задачи по одновременному определению фазового состава или/и пористости, модулей упругости, однородности композита, так и обратные: скорости УЗ в мелких частицах (твердых или жидких) или волокнах упрочняющей фазы, анализ изменения состава и свойств связки, как например, в твердых сплавах типа WC-Со, анализ сдвиговой жесткости поровой жидкости и др..

Для определения состава или пористости изотропных 2-фазных композитов необходимо и достаточно измерение в одинаковых физических условиях скоростей УЗ или плотностей компонентов и композита. При определении состава и пористости в 3-фазном композите требуется измерение 3 плотностей и 3 скоростей УЗ в компактных (р=0) компонентах и реальном композите.

Исследование (контроль) анизотропных композитов, в которых упрочняющая фаза представляет собой длинные волокна или их сетки, предполагает установление на начальном этапе количественного влияния эффекта каналирования (прирост скорости УЗ и модуля упругости) в волокнах композита в зависимости от их плотности и содержания.

Такое исследование необходимо проводить на аттестованных образцах представительного объемного элемента (ПОЭ) однонаправленного композита, что позволяет далее использовать разработанные схемы предсказания свойств и их контроля в изделиях из изотропных композитов.

Для иллюстрации возможностей предлагаемого метода ниже приведены примеры предсказания и контроля различных свойств композитов и компонентов. Необходимые параметры для реализации программы заимствованы из известных в технической литературе статей и обзоров [1-6].

Предлагается следующая схема записи входных и выходных параметров программы по плотности, скоростям УЗ в компонентах и 3-фазном композите, его пористости и базовому составу:

 

 

                                                                   g₁|                       v₁|

или проще для 2-фазного композита-g₂|  c₂ (или р);    v₂|  c₂ (или р);

                                                                     g|                         v|

 

                                                      g₁  v₁|                                                  

а для 3-фазного композита-    g₂  v₂|  c₂ (или р);       

                                                          g  v|                           

 

              Макроизотропные композиты

 

1)  Твердые сплавы типа WC-Co характеризуются тем, что во время техпроцесса в
связующей фазе растворяется некоторое количество W, изменяя тем самым не
только исходные свойства Со, но и все свойства композита в целом. Существующие
методы неразрушающего контроля твердых сплавов лишь качественно
свидетельствуют об изменении свойств связки и композита. Использование
продольных скоростей УЗ и плотностей карбида и композита, например, ВК-6 [1,2],
приводит к следующим результатам:

g₁=15.65r/cм³ v_i^l=7175м/с    | C_Co(W)=9.97 об.% или 6,0 вес.%

g=14.99    v^l=6920                   |v^l_Co(W)=4970м/с;    g_Co(W)=9,03г/см³

                                                   | L_Co(W)=22747кг/мм²

Аналогичное использование поперечных скоростей УЗ и плотностей дает:

15,65    4335  |С _Co(W)=9.96об.% или 6,0 вес.%;v^s _Co(W)=3004м/с ;

14,99    4181  |g_Co(W)=9,03г/смЗ;   G_Co(W)=8309 кг/мм²;

                         |ν=0.212; Е_Co(W)=20146 кг/мм²; В=11688 кг/мм²;

                         |весовая доля W в Со - Cw=8.2 %.

 

Проверка 3 методами (из  5 существующих) концентрации связки приводит к

1)      по правилу смесей    - С co(W) =9.97об.%,

2)  с использованием   v_i^l-С _Co(W) =9.966% ,

3)      с использованием  v_i^s-С _Co(W) =9.96%.

Получаемые характеристики для связки в сочетании с данными для композита любого состава можно использовать для установления физически обоснованной корреляции с твердостью, вязкостью разрушения, остаточными напряжениями и т.д. Накопление данных по характеристикам сил связи в композите и связующей фазе поможет в ближайшем будущем оптимизировать не только режимы технологии, но и условия эксплуатации твердых сплавов в качестве обрабатывающего инструмента, руководствуясь при этом фактическими свойствами изделий, а не их виртуальным составом по шихте.

2)           T.J. Plona [3] пропитывал водой пористый каркас из спеченных стеклянных шариков и получил композит «стекло-вода» с разной концентрацией Н2О. В предположении отсутствия пористости в композитах программа АКФ-МСК позволяет найти состав по схеме расчета 2-фазного композита по скоростям продольных волн и с использованием в качестве эталона, например, композита №1; используя теоретические значения плотности композитов (по правилу смесей) и минимизацию значений пористости (р=0,1%), проведем также оценку их состава по схеме расчета 3-фазного композита.

Расчет 2-фазного композита:

 

cтекло             5690м/с|                                 Plona

вода                  1460    | С_H2O=28.46 об.%  28,3%

композит №1   4050    |

 

Аналогичный расчет для композита №2

 

cтекло              5690м/с|                                 Plona

вода                  1460    | С_H2O=25.8 об.%     25,8%

композит №2   4180    |

 

cтекло             5690м/с|                                 Plona

вода                  1460    | С_H2O=25.71 об.%   25,8%

эталон              4050    |

 

Расчет по схеме для 3-фазных композитов №1 и №2

 

2.48                  5690м/с|                                

1.0                     1460    | С_H2O=28.2 об.%  р=0.1%

2.06                    4050    |

 

2.48                  5690м/с|                                

1.0                     1460    | С_H2O=25.8 об.%  р=0.1%

2.098                4180      |

 

В ближайшее время будет опубликован полный анализ статьи Plona, где будут приведены расчетные данные по модулям сдвига и поперечным скоростям УЗ в поровой жидкости. Здесь же отметим, что поперечная скорость звука в поровой воде образцов Plona изменяется в диапазоне 400.. .800 м/с.

3) Рассмотрим несколько примеров расчета состава и пористости композитов авиационного назначения. Композит: матрица Al-2124 и Al-7091, упрочненная частицами  SiC, [4]. Измерение плотностей и скоростей УЗ (продольные и поперечные) позволяет реализовать 5 способов расчета состава и пористости композитов. Раздельное использование плотностей и скоростей УЗ дает для 2-фазного композита

 

Материал	Плотность   г/см3	Состав   об.%	Материал	Скорость УЗ продольная м/с	Состав   об.%
SiC Al-2124 композит	3.23 2.77 2.85	82.6	SiC Al-2124 композит	1250 6401 7260	82.23
Al-7091 композит	2.84 2.91	82.0	SiC Al-2124 композит	Поперечная 6850 3128 3632	82.3

 

  Совместное использование плотностей и скоростей УЗ дает для 3-фазного компонента

 

Материал	Плотность   г/см3	Скорость УЗ продольная м/с	Пористость   %	Состав   об.%
SiC Al-2124 композит	3.23 2.77 2.85	12520 6401 7260	0.11	81.9
Al-7091 композит	2.84 2.91	6305 7227	0.19	80.5
SiC Al-2124 композит	3.23 2.77 2.85	Поперечная 6830 3128 3632	0.1	82.0
Al-7091 композит	2.84 2.91	3066 3599	0.1	81.2

 

Результаты расчетов состава хорошо согласуются, поскольку пористость- низкая, а анизотропия - несущественная. Знание истинных плотностей и скоростей УЗ компонентов позволяет предсказать изменение скоростей звука (модулей упругости) изотропных композитов в зависимости от задаваемых состава, пористости и любого их сочетания.

 

Анизотропные композиты

 

1) Как уже отмечалось, скорость УЗ в волокнах однонаправленного композита существенно отличается от таковой в свободном волокне. Поэтому проведем расчет про­дольной скорости УЗ вдоль волокна углепластика известного состава (обратная задача):

 

Материал	Плотность   г/см3	Скорость УЗ продольная м/с	Состав и пористость   %
С-волокно	1.79	14289
Матрица РЕЕК	1.29	1540	См=39.0
Композит	1.59	7400	Р=0.1

 

Так как «р» низкая, то оценочный расчет См по правилу смесей дает Cgм = 40%, а расчет только по скоростям УЗ - Cvm =39,44%. Авторы работы [5] сообщили о скорости УЗ в свободном волокне, равной 8300...9000м/с, что значительно ниже 14289м/с в С-волокне композита. Знание зависимости «скорость УЗ - содержание и плотность волокон» может существенно уменьшить время и средства при разработке технологии получения изделий из этих композитов и контроле их качества.

2) Контроль качества сеточного композита: SiC - матрица /волокна никалона SiCO [6]. ''Прозвучивание'' образцов композитов проводилось вдоль и поперек сеточных слоев волокон из никалона. В качестве примеров выберем композиты с min, mod, max скоростями УЗ в волокнах при жестком соблюдении условия совпадения результатов наших и Liaw et.al. расчетов состава и пористости. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контроль вдоль слоев волокон никалона:

 

Материал	Плотность г/см3	Скорость УЗ м/с	Пористость %	Состав об.%	Модуль упругости, ГПа
Матрица Волокно Композит №17	3.21 2.6 2.62	13260 10309 9500	11.5	41.0	236.82
Волокно Композит №20	2.6 2.34	16640 9510	20.94	41.0	211.18
Волокно Композит №14	2.6 2.07	23510 8970	30.06	41.0	165.75

Контроль поперек слоев

Матрица Волокно Композит №8	3.21 2.6 2.06>1.67	13260 10.0 2190	30.4>43.4	41.0	9.74
Волокно Композит №10	2.6 2.41	2492 5120	18.6	40.97	63.44
Волокно Композит №16	2.6 2.63	4930 7250	11.15	40.98	138.24

 

Как видно из результатов контроля вдоль слоев волокон, эффект каналирования проявляется даже в высокопористом композите №14, причем пористость существенно уменьшает модули упругости композитов. Источниками пористости в рассматриваемых композитах являются узлы волокон и расслоение, которое и приводит к уменьшению распространения УЗ поперек слоев. В этих случаях программа не работает. Учет локального повышения пористости (снижения плотности композита) снова приводит ее в рабочее состояние - так и произошло при анализе композита №8, в котором пористость 30,4% (скорее всего - расслоение) снизила «скорость УЗ» в волокне до 10,0м/с, а «модуль упругости» композита - до значения 9,74 ГПа. В таких случаях для обнаружения дефектов не менее эффективным будет применение дефектоскопа или скана. Из приведенных примеров контроля сеточных композитов следует, что их качество прежде всего определяется уровнем и структурой пористости.

Список использованных источников:

1.Воронов Ф.Ф., Балашов Д.Б. Адиабатические модули упругости металлокерамических вольфрамовых твердых сплавов. - ФММ, 1960, т.9, №4, с.616-20,

2.Frohlich L., Hoffman H. Untersuchungen zur Bestimmung der Schalgesschwindigkeitmehrphasiger Werkstoffe - Wissenschaftliche Zeitschrift der Technischen Hochschule Otto von Guericke Magdeburg, 1972, 16, h.l, s.l 1-22.

3. Plona T.J. Observation of a second bulk compressional wave in a porous medium at ultrasonic frequences. - Appl. Phys. Lett, v.36, no.4, Febr. 1980, p. 259-61.

4.Lu Y., Liaw P.K. Effect of particle orientation in SiC particulate reinforced Al matrix composite extrusions on ultrasonic velocity measurements. - J. of Composite Materials, 1995,v.29,no.8,p.l096-1116.

5. Woo E.M., Seferis J.C. Thermal sonic analysis of polymer matrices and composites. - J. of Composite Materials, 1987, v.21, p.262-79.

6. Liaw P.K., Hsu D.K., Yu N. et.al. Investigation of metal- and ceramic-matrix composites moduli: experiment and theory. - Acta Mater.1996, v.44, no.5, p.2101-13.

 

 

Контактный тел.:89055856320-КнязевВ.И.

 E-mail: knyazev-1945@mail.ru     osa_57@mail.ru