При контактном взаимодействии полимера с металлом (инструментом) возбуждается механический процесс, повышается кинетическая активность системы. Этот процесс протекает с массовым образованием свободных радикалов за счет разрыва ковалентных связей у макромолекул. Для образования свободных микрорадикалов при механическом воздействии на полимер требуется энергия порядка 210240 кДж/моль.
Поскольку в процессе резания контактируют ювенильные поверхности металла и полимера, то это приводит, с одной стороны, к пластифицированию металлической поверхности, а с другой к углублению процесса деструктирования макромолекул, вызываемого каталитическим действием металла.
Как известно, наличие кислорода резко изменяет механизм и скорость деструкционных процессов. Экспериментально подтверждены интенсивные окислительные процессы, происходящие в зоне резания, что в свою очередь указывает на углубление процессов деструкции полимера.
В результате деструкции в зоне резания находятся продукты деструкции метиленовые, гидроксильные, карбонильные и альдегидные группы, углеродо-водородные комбинации, являющиеся поверхностно активными веществами, которые вызывают специфический вид износа инструмента. Кроме того, в результате деструкции полимера обильно выделяются летучие вещества, в том числе и токсичные. Степень деструкции можно оценить сравнительно, т. е. по числу стабильных микрорадикалов в весовой единице поверхностного слоя.
С точки зрения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя в результате деструкции представляет несомненный интерес определение глубины деструкции. На размер и интенсивность деструктивных процессов влияет главным образом теплота, выделяемая в зоне резания, и механическое воздействие, приводящее к разрыву цепей полимера. Толщина дефектного поверхностного слоя материала после механической обработки составляет 350420 мкм.
Таким образом, всегда при механической обработке композитов под действием больших локальных механических напряжений, высокой температуры, превышающей теплостойкость органических составляющих материала, и интенсивных окислительных процессов происходит деструкция полимера, приводящая к ухудшению эксплуатационных свойств поверхностного слоя материала.
Глава 3
Общая характеристика применяемых методов контроля
В комплексе действий, направленных на обеспечение надежности и долговечности аэрокосмической техники, дефектоскопия имеет решающее значение, поскольку малейшая ошибка в определении характера дефекта или его пропуск могут привести к серьезным последствиям. В связи с этим проведение дефектоскопии возможно при соблюдении следующих условий:
высокая квалификация специалистов, проводящих контроль;
необходимое качество используемой при контроле аппаратуры;
соответствующая техническая документация;
высокое совершенство метода, обеспечивающее необходимый уровень качества контроля.
При этом следует отметить особенности дефектоскопии изделий аэрокосмической техники: разнообразие материалов контролируемых деталей как по своей природе, так и по свойствам; сложность контролируемых деталей по форме и разнообразие по массе; во многих случаях недостаточно технологичные доступы, что может вызвать дополнительные демонтажно-монтажные работы; наличие контроля многослойных конструкций деталей, установленных в конструкциях, покрытых защитными пленками и имеющих загрязненную поверхность; своевременное обнаружение дефектов, возникающих в процессе эксплуатации по различным причинам производственным, конструктивным и др.
Дефектоскопия, т. е. поиск дефектов с помощью неразрушающих методов контроля, позволяет обеспечивать заданный уровень надежности, добиваться увеличения долговечности с высокой эффективностью и производительностью. Средства неразрушающего контроля предназначены для выявления дефектов типа несплошности материала, контроля геометрических параметров изделий, оценки физико-механических свойств материала изделий. С помощью дефектоскопов получают информацию в виде электрических, световых, звуковых и других сигналов о качестве контролируемых объектов.
В промышленности существует пять видов контроля: операционный, сплошной, выборочный, входной и приемочный. Операционный контроль контроль изделий в процессе выполнения или после завершения производственной операции. При этом контроль может быть сплошным или выборочным, т. е. проверяется либо каждое изделие, либо пробное из партии. Приемочный контроль контроль готовой продукции. Входной контроль обеспечивает контроль сырья, полуфабрикатов или изделий другого производства [27].
При всех видах контроля широко применяется дефектоскопия, использующая различные физические и физико-химические явления, процессы и взаимодействия.
3.1 Методы, использующие акустические волны
Акустический неразрушающий контроль основан на регистрации параметров распространяющихся в объекте акустических волн.
Акустические колебания в зависимости от частоты подразделяют на инфразвуковые (частота до 20 Гц), гиперзвуковые (частота от 2 1010 до 2 1013 Гц) и ультразвуковые (частота от 1,6 104 до 109 Гц). Для акустического контроля применяют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний обычно невелика, не превышает 1 кВт/см. Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики). Акустические волны вызывают в упругой среде колебания ее частичек относительно своих положений равновесия. Упругие колебания распространяются от частицы к частице с определенной скоростью, зависящей от свойств озвучиваемого материала и вида акустических волн. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны различают продольные, поперечные (сдвиговые), поверхностные и нормальные волны. Волна называется продольной, если ее направление совпадает с направлением упругих колебаний частиц. Такие волны возбуждаются в твердых, жидких и газообразных телах.
Кроме упругости объема в твердом теле существует упругость формы, поэтому в нем могут распространяться поперечные (сдвиговые) волны. Волна называется сдвиговой, если ее направление перпендикулярно направлению колебаний частиц. В ограниченных твердых телах могут быть волны других типов. Вдоль свободной поверхности твердого тела могут распространяться поверхностные волны, или волны Релея. Они затухают на глубине, равной длине волны [11].
В различных средах упругие колебания возбуждаются с помощью магнитострикционных, пьезоэлектрических, электромагнитно-акустических и других преобразователей. Магнитострикционные преобразователи, действие которых основано на преобразовании электромагнитной энергии в механическую, изготавливают из магнитострикционных (магнитомягких) материалов: никеля, пермаллоя, пермендюра. Магнитострикция изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании, вызываемое изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле.
Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи. Их изготавливают из монокристалла кварца и пьезокерамических материалов: титаната бария, цирконата-титаната свинца и др. Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластину с нанесенными на поверхность тонкими слоями серебра, служащими электродами. Для приобретения пластинами пьезоэлектрических свойств их электризуют в постоянном электрическом поле. При приложении к такой пластине переменного электрического напряжения в ней возникают вынужденные механические колебания, частота которых соответствует частоте электрического напряжения. Этот вид пьезоэффекта называется обратным. Если же к пластине прикладывать колебательные механические нагрузки, то в ней возникает переменное электрическое напряжение соответствующей частоты. Этот вид пьезоэффекта называется прямым. Наибольшая амплитуда колебаний пьезопластины возникает при резонансе, т. е. при совпадении собственной частоты и частоты переменного напряжения. Если пьезопластину приложить к поверхности контролируемого объекта, то в его материале будут возбуждаться и распространяться упругие волны. После прекращения действия переменного напряжения пьезопластина продолжает совершать затухающие механические колебания. Ускорения затухания добиваются, используя демпфирующие материалы: асбест, эпоксидную смолу с наполнителем и др. Для ввода упругих колебаний в контролируемую деталь, приема отраженных эхосигналов пьезопластину помещают в специальное устройство, называемое искательной головкой.
Акустические методы контроля могут быть разделены на две группы:
основанные на излучении и приеме акустических волн;
основанные на регистрации акустических волн, возникающих в материалах и изделиях.
В первой группе различают методы контроля с использованием бегущих и стоячих волн или резонансных колебаний контролируемого объекта. На использовании бегущих волн основаны следующие методы.
Акустические методы контроля могут быть разделены на две группы:
основанные на излучении и приеме акустических волн;
основанные на регистрации акустических волн, возникающих в материалах и изделиях.
В первой группе различают методы контроля с использованием бегущих и стоячих волн или резонансных колебаний контролируемого объекта. На использовании бегущих волн основаны следующие методы.
Теневой метод. Иногда его называют методом сквозного прозвучивания. В этом случае излучатель и приемник разделены, а дефект на пути ультразвуковых волн ослабляет принимаемый сигнал или задерживает его приход, поскольку при огибании дефекта удлиняется путь упругой волны (рисунок 3.1).
Зеркально-теневой метод. Это разновидность теневого метода.
В данном случае оба датчика устанавливаются с одной стороны контролируемого изделия. Интенсивность упругих колебаний регистрируется после их отражения от противоположной поверхности.
Рисунок 3.1 Возникновение акустической тени при сквозном прозвучивании:
а объект исследования не имеет дефекта; б объект имеет малый дефект, искажающий уровень регистрируемого сигнала; в образование акустической тени при крупном дефекте. 1 излучатель ультразвуковых волн; 2 приемник ультразвуковых волн; 3 исследуемый образец; 4 дефекты в образце
Эхоимпульсный метод. При этом методе упругие колебания вводят с помощью совмещенной искательной головки, которая посылает импульс и регистрирует его после прохождения по контролируемой детали (как и на Рисунок 3.2). На экране осциллографа при прохождении лучей через деталь, не имеющую дефекта, появятся только два импульса: начальный (отражение от границы «головка деталь») и конечный, или донный (деталь воздушная среда). Если на пути излучения появится дефект, возникает еще один импульс, свидетельствующий о наличии препятствия. При полном перекрытии дефектом пути излучения на экране появятся начальный импульс и импульс, свидетельствующий о наличии какой-либо несплошности.
При этом методе используются поверхностные нормальные и сдвиговые волны, которые посылаются в исследуемый материал импульсами, следующими один за другим через определенные интервалы времени.