Дефекты неметаллических материалов. Применение капиллярных методов неразрушающего контроля изделий из неметаллических материалов
 Скачать 0.8 Mb.
|
|
1 Реферат Выпускная квалификационная работа на тему «Применение капиллярных методов неразрушающего контроля изделий из неметаллических материалов» состоит из текстового документа, выполненного на 79 страницах. Текстовый документ содержит 15 таблицы, 17 рисунков, 1 приложение. Ключевые слова: капиллярный контроль, оптический контроль, радиографический контроль, активный тепловой контроль, ширина раскрытия дефекта, неметалл, композиционный материал, дефект. Объектом исследования является применение капиллярного метода неразрушающего контроля для оценки качества изделий из неметаллических материалов. Цель работы – определение возможности применения капиллярного метода контроля для изделий из неметаллов. В процессе выполнения работы были рассмотрены типы неметаллических материалов, области применения данных материалов, виды дефектов и методы их обнаружения. Проведение технологии капиллярного метода неразрушающего контроля, с помощью набора дефектоскопических материалов OVERCHEK. В результате получили сравнительный анализ методов неразрушающего контроля при выявлении поверхностных дефектов неметаллических материалов. Область применения – капиллярный неразрушающий контроль изделий из неметаллических материалов. 2 Оглавление Введение ................................................................................................................. 14 1. Контроль качества изделий из неметаллических материалов ....................... 15 1.1. Применение изделий из неметаллических материалов ........................ 15 1.2. Дефекты в изделиях из неметаллических материалов ......................... 18 1.3. Методы неразрушающего контроля, применяемые для оценки качества изделий из неметаллических материалов ........................................ 25 2. Капиллярный контроль изделий из неметаллов .......................................... 31 2.1. Общие сведения о капиллярном контроле ............................................. 31 2.2. Образцы для испытаний средств капиллярного неразрушающего контроля из неметаллических материалов ...................................................... 32 2.3. Контроль изделий из неметаллических материалов капиллярным методом ............................................................................................................... 36 2.4. Сравнение методов неразрушающего контроля ................................... 44 3. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 46 3.1. Технологий QuaD ..................................................................................... 46 3.2. Планирование научно-исследовательских работ .................................. 48 3.3. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования .. 60 4. Раздел «Социальная ответственность» ......................................................... 63 Введение .............................................................................................................. 63 4.1. Производственная безопасность ............................................................. 64 4.2. Экологическая безопасность ................................................................... 69 4.3. Организационные мероприятия обеспечения безопасности ............... 69 4.4. Безопасность в чрезвычайных ситуациях .............................................. 71 3 Заключение ............................................................................................................ 73 Список публикаций студента ............................................................................... 74 Список использованных источников .................................................................. 75 Приложения ........................................................................................................... 76 4 Введение В настоящее время широко используются неметаллические материалы, например, пластмассы, композиционные материалы, стекло, керамика, так как они обладают повышенной прочностью, низкой стоимостью и малым весом, по сравнению с металлами. Неметаллические материалы используются в различных отраслях промышленности: судостроение, самолетостроение, химическая промышленность и другие. Из них изготавливают корпусы ракетных двигателей, обтекатели самолетов, цистерны для перевозки химических продуктов и пр. А так как они являются опасными объектами, то их необходимо контролировать методами неразрушающего контроля. Применение неразрушающего контроля безоговорочно помогает справиться с этой задачей. Он обеспечивает надежность, безопасность эксплуатации и качественное функционирование различных технических объектов. Для контроля изделий из неметаллических материалов применяют различные методы неразрушающего контроля, в частности оптический, радиографический, тепловой и другие. Широкую сферу применения, в наши дни, получил капиллярный контроль. Данный метод применяется как в процессе изготовления, так и в процессе технического обслуживания и ремонта в различных отраслях. Данный метод зарекомендовал себя с лучшей стороны при обнаружении поверхностных дефектов, к тому же он выгоден с экономической точки зрения, так как нет необходимости в приобретении дорогостоящего оборудования. Технологии капиллярного контроля подвергаются объекты разных размеров и форм из всех материалов. 5 1. Контроль качества изделий из неметаллических материалов 1.1. Применение изделий из неметаллических материалов В последнее время неметаллические материалы очень часто используют в качестве конструкционных материалов, так как они обладают большей прочностью и износостойкостью по отношению к металлическим материалам. Конструкционными пластмассами (т.е. применяемые в конструкциях) являются материалы на основе природных или синтетических полимеров. Самыми распространенными типами пластмасс являются реактопласты, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавких и нерастворимых материалов, например эпоксидные смолы, и термопласты, которые после формирования изделия сохраняют способность к повторной переработке при высоких температурах. Различают наполненные и ненаполненные пластмассы. К наполненным пластмассам относят те, в которых присутсвуют другие вещества с целью изменения свойств: повышения прочности, теплостойкости, уменьшения плотности. К ненаполненным – те, в которых отсутствуют такие вещества. Примером пластмасс с воздушным наполнением (наполненные пластмассы) являются пенопласт, поролон. Примером ненаполненных пластмасс могут служить органические стекла, пленки. Пластмассы выпускают либо в виде полуфабрикатов (порошка, гранул, литьевой массы), либо отформованными в заготовки (листы, стержни, трубы, пленки). Основными методами изготовления изделий из полуфабрикатов являются прессование в форму гранул или порошка, нагретых до пластичного состояния, литье в форму, литье под давлением, выдувание (для полых изделий) и т.п. Из заготовок изделия получают путем обработки давлением, резанием. Соединяют пластмассы чаще всего сваркой, склейкой между собой и с другими материалами, применяют также резьбовые соединения и напрессовку[1]. 6 Композиционный материал - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. Компоненты, входящие в состав композиционных материалов можно разделить на матрицу или связующее, и включённые в неё армирующие элементыили наполнители. Армирующие элементы в композитах обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды [2]. Матрица композиционных материалов, как правило, имеет неметаллическую основу, с заданным расположением в ней упрочнителей или армирующих элементов. В качестве матрицы в композитах на основе пластмасс используют различные полимеры, обычно синтетические смолы, а в качестве наполнителя - хлопчатобумажные ткани (текстолит), стекло или минералы (стеклопластики, асбопластики), углеродные волокна (углепластики) и т. д. Композиты делятся также по виду наполнителя: волокниты — упрочненные волокнами или нитевидными кристаллами; дисперсионно упрочненные, в которых наполнитель выглядит как порошок или дисперсная частица; слоистые - состоящие из слоев не однородных материалов. Прообразом современных композитов являются железобетон, армированные резиновые изделия. Наполненные пластмассы являются типичными современными композитами. Наполненные пластмассы также называют многослойными конструкциями. Они состоят из двух или более слоев металлов, пластмасс, керамики. В большом количестве применяются многослойные композиты, внешние слои которых (обшивка) состоят из металла или армированного 7 пластика, а внутренние - из легкого заполнителя - пенопласта, структуры типа пчелиных сот (из металлической фольги, пластика, бумаги). Для получения композиционных материалов используют такие процессы, как прессование массы из связующего и наполнителя, намотку на оправку упрочнителя, пропитанного связующим, прессование слоев различного состава, склейку обшивки с легким заполнителем, изготовление каркаса из обшивок или упрочнителя с последующим заполнением этой конструкции связующим под давлением и другие способы. Соединяют композиты между собой и с другими материалами клейкой. Изделия из неметаллических материалов применяются во многих отраслях промышленности. Наиболее распространенными являются: ракетостроение, самолетостроение, автомобилестроение, судостроение; производство электрорадиотехники, строительство, производство инвентаря для спорта и отдыха; химическая промышленность; военное дело и средства безопасности [2, 3]. В ракетно-космической отрасли и самолетостроении неметаллические материалы применяются при изготовлении корпусов ракетных двигателей, транспортно-пусковых контейнеров, сопловых блоков, межступенчатых отсеков, контейнеров для зенитных, противотанковых ракетных комплексов, обтекателей, лопаток вентилятора, килей, горизонтального оперения, элеронов руля, закрылок. В наземном транспорте неметаллические материалы применяются для создания контейнеров для перевозки грузов, элементов для вагонов - рефрижераторов, цистерн, отделки салона поезда, трубопроводов, головных обтекатели вагонов, бамперов, кабин грузовых автомобилей и тракторов, ступенек, грузовых прицепов, деверей, крышки багажника, панелей в автомобильном кузове, компонентов под капотом двигателя. 8 В судостроении неметаллические материалы применяются для изготовления прогулочных лодок, спасательных шлюпок, катеров, рыболовных судов, минных тральщиков и миноискателей [3, 4]. В производстве электрорадиотехники неметаллические материалы нужны для создания траверсов линий электропередач, рельс железной дороги, метро, магистральных трубопроводов (для электроразрядки), элементов топливных батарей, элементов электронных устройств, защитных колпаков радиолокационных антенн, систем телекоммуникационной связи. В строительстве применяются неметаллические материалы с целью получения однонаправленных профилей различной формы сечения: стержни, трубы, пластины, уголки, двутавры. Также из неметаллов изготавливают мосты, гаражи, автомобильные стоянки, ограждения. В химической промышленности неметаллы применяются для создания трубопроводов, емкостей, вентиляционных труб и коробов, воздуховодов, колб, бочек, резервуаров. В военном деле и средствах безопасности тоже применяются неметаллические материалы. Их используют для создания бронежилетов, шлемов, щитов, защитных сооружений, а в отрасли спорта и отдыха они применяются для создания спортивного и туристического инвентаря [3]. Широкое применение нашли такие неметаллические материалы, как: стеклопластик, углепластик, органопластик, стекло, полимеры, материалы на основе стеклянных и базальтовых волокон, полиэфирных и эпоксидных смол, керамика, полипропилен. 1.2. Дефекты в изделиях из неметаллических материалов Дефекты в неметаллических материалах можно условно разделить на макро- и микродефекты. К макродефектам неметаллических изделий можно отнести дефекты типа нарушения сплошности, например расслоения, непроклеи, трещины, крупные воздушные или газовые раковины, инородные 9 включения, прочность в зоне которых равна или близка к нулю. К дефектам микроструктуры: поры (зоны повышенной пористости), отклонения от оптимального соотношения матрицы и армирующего наполнителя, низкая степень отверждения связующего при формовании, нарушения ориентации волокон, складки, свили, поверхностные подмятия и царапины и т.п. Как описано в статье [5] авторов Мурашова В.В. и Румянцева А.Ф. дефекты неметаллических материалов можно разделить: - по происхождению, т.е. возникающие на стадии изготовления, хранения, транспортировки или эксплуатации; - местоположению в детали (поверхностные, изолированные или выходящие на кромку детали); - глубине залегания, раскрытию, размерам в плане данных структурных неоднородностей (макродефекты –размером свыше 60–100 мкм, которые обычно локализованы в объеме материала конструкции, и микродефекты – размером до 60–100 мкм, как правило, распределенные в объеме материала или в значительной его части). Например, пора (микродефект) имеет размер менее 100 мкм, а воздушное включение типа раковины (макродефект) – более 100 мкм; - по степени опасности [5]. Дефекты, связанные с неполным отверждением матрицы, отнесенные авторами статьи [5] к первой группе по степени опасности, приводит к снижению теплостойкости материала, резкому ухудшению эксплуатационных характеристик, сопротивляемости материала к воздействию агрессивных сред, к изменению характера разрушения материала при усталостном динамическом и статическом нагружении. Изменения в составе материала приводят к существенным изменениям характеристик прочности, упругости и эксплуатационной надежности. Эти изменения зависят от вида деформирования (растяжение, сжатие, сдвиг), характера напряженного состояния (одноосное, плоское, объемное), а также от длительности и цикличности нагружения. 10 Следующим типом дефектов, возникающих в неметаллических материалах, являются расслоения. Расслоения, возникающие в материале, при растяжении не оказывают влияния на модуль упругости и прочность. Однако, при сжатии материала с дефектом типа расслоение, прочность может существенно снижаться в зависимости от глубины залегания и длины несплошности. В третью группу по степени опасности относятся трещины. Такие дефекты являются концентраторами напряжений, они нарушают целостность композита, подвергая материал и отдельные его компоненты воздействию окружающей среды, что может привести к расслоению материала. В следующую группу дефектов включены локальные зоны с повышенным содержанием волокна, матрицы и пор. Степень опасности этих дефектов зависит, в конечном счете, от размера, формы и расположения дефекта. Складки, свили, раковины, инородные включения, подмятия, стыки и нахлесты армирующего наполнителя включены в пятую группу по степени опасности. В основном оказывают влияние на физико-механические характеристики стыки и нахлесты. Увеличение степени армирования в зоне нахлеста и уменьшение в зоне стыка приводит к образованию в этих зонах концентраторов напряжений. Подмятия, складки, свили и инородные включения тоже влияют на физико - механические свойства материала, так как они приводят к местному искривлению волокон, изменению состава материала в сечении по дефекту. Влияние этих дефектов на прочность и упругость растет с увеличением степени армированности материала. При большем содержании волокон эти дефекты оказывают влияние на большее число слоев материала. Сколы, надрезы и отверстия, тоже являются концентраторами напряжений и уменьшают несущую способность материала. Исследования показывают, что влияние отверстий, как концентраторов напряжений, на прочность неметаллических материалов уменьшается как при длительном статическом нагружении по мере продолжительности испытания, так и при 11 повышении скорости одноразового статического и динамического деформирования. Повышение температуры также приводит к снижению эффективного коэффициента концентрации напряжений неметаллов. В последнюю группу по степени опасности, включены дефекты, связанные с искривлением волокон в плоскости слоев, с незначительным отклонением угла армирования от заданного значения. Как правило, такие дефекты, не носят масштабный характер, а затрагивают только один или несколько слоев композита, а их размеры значительно меньше размеров элемента конструкции [5]. Таблица 1- Виды дефектов неметаллических материалов Группа по степени опасности Вид дефекта Изображение дефекта Причины образования Первая Низкая степень отверждения матрицы Отклонение от нормы количества компонентов в матрице 12 Продолжение таблицы 1 Вторая Расслоение а) расслоение без раскрытия трещины б) расслоение с раскрытием трещины - недостаточное содержание связующего; - нарушение режима формования при повышенных температурах, высокой скорости охлаждения; - механическое или тепловое воздействие; - плохое адгезионное покрытие Третья Трещина а)поверхностна я трещина б) сквозная - высокая скорость охлаждения; - превышение допустимых механических нагрузок, обработке, снятии детали с оснастки; - ударные воздействия в процессе эксплуатации 13 Продолжение таблицы 1 Четвертая Локальное повышение волокна и матрицы - неравномерное давление при формовании; - неравномерность прикатки Пятая Складки, свили, раковины, инородные включения, подмятия, сколы, нахлесты а) царапина б) подмятие - небрежность при транспортировке, механообработке, хранении, снятии детали с оснастки Шестая Сколы, надрезы, отверстия а) сколы б) отверстия - неправильная заточка инструмента; - нарушение режима обработки 14 Седьмая Искривление волокон в плоскости слоев - ошибка при раскрое и выкладке пакета; - искривление волокон в препреге, - деформирование препрега 15 |