К вопросу о дефектах образцов для испытаний углепластиков

Введение

По оценкам специалистов, мировой рынок композиционных материалов растет на 5‒7% в год. Так, в области авиастроения объем применения ПКМ составляет 50% от массы планера и наблюдается уверенная тенденция к увеличению использования ПКМ [1‒3] в составе современных летательных аппаратов. Это обусловлено высокими прочностными характеристиками ПКМ [4], освоением технологии их производства [5–7] и значительным снижением себестоимости изготовления. Качество и эксплуатационная надежность изделий из композиционных материалов зависят от применяемых связующих [8, 9], свойств препрегов, используемых для изготовления углепластиков [10–12], способов модифицирования [13, 14] композиционного материала и ряда других факторов [15, 16]. В международной нормативно-технической документации по испытаниям материалов особое внимание уделяется процессу пробоподготовки и изготовлению образцов [17], регламентируются условия кондиционирования или выдержки материала образцов перед испытаниями. Так, согласно требованиям международных стандартов, для получения достоверных значений прочности углепластика на торце образцов (резе) для испытаний должно быть не более пяти дефектов на один погонный дюйм длины [18, 19]. К наиболее распространенным дефектам торцевой поверхности образцов для испытаний, изготовленных с использованием методов механической обработки, следует отнести трещины, сколы, расслоения и др. [20–22]. Исследование дефектов торцевой поверхности способом оптической металлографии позволило провести их количественную оценку и связать состояние обрабатываемой поверхности со способом механической обработки.

Методика проведения исследований

В ходе выполнения работы проведено металлографическое исследование торцевой поверхности образцов углепластиков, изготовленных с использованием различных типов оборудования для механической обработки. Для сравнения выбраны следующие способы обработки: абразивный круг с охлаждением, роботизированный фрезерный станок и традиционный способ ‒ алмазный круг без охлаждения. Для резки абразивным и алмазным кругами использовали отрезные круги Ø250 мм, частота вращения вала поддерживалась на уровне 2850 об/мин. Резка материала на роботизированном станке осуществлялась фрезой Ø6 мм, с частотой вращения 8000 об/мин при подаче – до 1 мм/мин.

Металлографическое исследование поперечных резов проводили на оптическом микроскопе типа Leica DM IRM при увеличении ×100. Съемку изображений вели при помощи цифровой камеры VEC-335 с разрешением 3 мегапикселя. Панорамные снимки с двух противоположных сторон образца проводили при помощи компьютерной программы «Image Expert Sequencer 4» при увеличении ×100. Подготовку изображений к количественному анализу и их математическую обработку выполняли при помощи компьютерной программы «Image Expert Pro 3x».

Результаты исследований и их обсуждение

Исследование дефектов и определение их количественных характеристик на торцевой поверхности образцов для испытаний проводили на поперечных относительно направления углеродных волокон резах.

В результате анализа выявлено два основных типа дефектов (рис. 1) – трещины и сколы. Отмечено также расслоение по границе раздела «наполнитель–матрица».

На панорамных снимках, полученных при помощи графического планшета «Wacom Intios», измерена общая видимая длина реза (рис. 1, а). Вручную контрастным цветом закрашены дефекты торцевой поверхности образцов углепластиков, и приводится изображение (рис. 1, б), подготовленное к количественному анализу: желтым цветом прорисованы сколы, красным – трещины.

Как правило, оба типа дефектов сопровождают друг друга, однако проявляются в различных количественных соотношениях для разных типов отрезного оборудования на одном и том же материале.

Рисунок 1. Фрагмент панорамного снимка реза углепластика, выполненного с помощью роботизированного фрезерного станка:

а – исходное изображение; б – после обработки для количественного анализа

На рис. 2 видно, что дефекты поверхности плиты из углепластика при резке вдоль наполнителя представляют собой преимущественно сколы по материалу матрицы. Образование трещин (см. рис. 1) связано с преодолением режущим инструментом анизотропной границы раздела «наполнитель–матрица». Данный факт является еще одним косвенным подтверждением того, что для композиционных материалов граница раздела оказывает большое влияние на уровень их прочностных характеристик [23].

Рисунок 2. Дефекты поверхности плиты из углепластика в области реза, выполненного абразивным инструментом с охлаждением, вдоль армирующих волокон

Трещины (рис. 3), обнаруженные в образцах исследуемого материала, представляют собой продолговатые дефекты, имеющие в направлении оси У (по нормали к поверхности реза) значительно бо́льшую протяженность, чем по оси Х (вдоль реза).

Рисунок 3. Трещины на торце образца из углепластика, подготовленного для испытаний

Форму и расположение трещин, их протяженность и структуру анализировали с учетом следующих параметров: общей площади трещин,  приведенной площади трещин (на единицу длины торца), максимальной глубины трещин, средних глубины и длины трещин. По данным параметрам наибольшая повреждаемость отмечена в случае обработки углепластика на роботизированном станке. Наименьшее количество трещин зафиксировано при резки диском с использованием охлаждения. Резка плиты углепластика традиционным способом по данному параметру характеризуется промежуточными значениями распространенности дефектов. Еще одним распространенным дефектом поверхности реза являются сколы – это участки материала, расположенные, как правило, на поверхности образца, имеющие в двух взаимно перпендикулярных направлениях (по осям Х и У) сопоставимые размеры. Оценка глубины сколов производилась по их профилю на поверхности (рис. 4).

Рисунок 4. Сколы на торце образца из углепластика, подготовленного для испытаний

Форму сколов, их расположение анализировали с учетом следующих параметров: общей суммарной площади сколов на панорамном снимке, относительной доли сколов на видимом поле, приведенной площади сколов на единицу длины реза, максимальной и средней глубин скола. Как и в случае оценки состояния поверхности по наличию трещин, наибольшая повреждаемость материала образцов в виде сколов отмечена при использовании роботизированного станка. Однако по параметру глубины сколов следует отметить, что, в случае резки материала традиционным способом (алмазным кругом без охлаждения), глубина сколов в 2 раза превышает аналогичный параметр при резке с помощью роботизированного станка. Это, по-видимому, связано с более регулярным воздействием кромки режущего инструмента на материал в случае использования роботизированного станка в отличие от резки традиционным способом, когда подача материала осуществляется вручную. И это несмотря на то что при выбранных режимах резания линейная скорость режущей кромки алмазного режущего инструмента на порядок превышает аналогичный параметр для фрезерного станка.

Описанные особенности состояния поверхности в области реза образцов, подготовленных для испытаний, свидетельствуют о том, что практически по всем оценочным параметрам наименьшее количество дефектов на торцевой поверхности образцов углепластиков отмечено после раскроя плиты углепластика абразивным кругом с охлаждением (рис. 5, б). Как было отмечено, исключением здесь является глубина сколов, которая значительно выше в случае резки традиционным способом (рис. 5, в). Наибольшее количество дефектов в совокупности наблюдается при использовании роботизированного фрезерного станка (рис. 5, а).

Рисунок 5. Панорамный снимок (×100) торцевой поверхности плиты из углепластика, обработанной с помощью роботизированного фрезерного станка (а), а также абразивным (б) и алмазным кругами (в), с резом в продольном (а) и поперечном (б, в) направлениях относительно волокон наполнителя

Заключение

В соответствии с требованиями международных стандартов, распространенность дефектов по длине торцевой поверхности образцов для испытаний углепластика является залогом получения достоверных результатов при проведении различного рода механических испытаний. Это связано с тем, что каждый из дефектов можно рассматривать в качестве концентратора напряжений, влияние которых в совокупности и определяет уровень прочностных характеристик всего материала. Для получения сопоставимых результатов (в особенности при проведении арбитражных испытаний в нескольких испытательных лабораториях по аналогичным методикам) целесообразно изготавливать образцы одним из доступных методов, предпочтительно причиняющим материалу наименьшее количество повреждений. Из рассмотренных способов можно рекомендовать резку с использованием абразивного отрезного инструмента с охлаждением. Однако следует отметить, что, для полноты освещения поднятого в данной статье вопроса, целесообразно провести аналогичное исследование поверхности образцов, полученных с использованием таких методов раскроя материала, как гидроабразивная резка, резка лазерным лучом и др., с последующим определением прочностных характеристик и сопоставлением полученных результатов.