Современные проблемы машиностроения

Подождите немного. Документ загружается.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

221

Литература

1. С верхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности / Под ред. И.Н. Андрее-

вой, Е.В. Веселовской, Е.И. Наливайко и др. – Л.: Издательство Химия, 1982. – 80 с.

2. Kondratyuk A.A., Mulenkov A.N. «Influence of quantity of filler on mechanical strength

of polymer», The Third International Conference Deformation & Fracture of Materials and Nano-

materials (DFMN 2009), V.II, p. 106-107, Moskow, Russia, 2009

3. Раков Ю.Я., Кузьмин А.В., Из мерение теплоемкости методом маонотонного режи-

ма. Методические указания. – Томск: Издательство ТПУ, 1996. – 16 с.

4. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. – М.: Химия, 1986. – 536 с.

5. Ларионов С. А., Доблер В. И., Терехов А. Л. Автоматизированный комп лекс для

триботехнического контроля смазочных свойств рабочих жидкостей и исследования фрик-

ционно – износных свойств конструкционных материалов // Патент на п олез ную модель

32602 РФ, МПК7 G01 N3/56 – №2003114684/20; заявлено 21.05.2003; опубл. 20.09.2003 //

Изобретения, полезные модели. – 2003 г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛОПОЛИМЕРОВ

ПРИ РАСЧЕТЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ЗОНЕ ОБРАБОТКИ ШЛИФОВАНИЕМ

А.А. Кошин, д.т.н., проф., Н.Ю. Шакирова, аспирант

Южно-Уральский Государственный Университет, 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76

тел.(351)-2-679-267

E-mail: kaa@susu.ac.ru

Металлополимеры относятся к большой группе конст рукционных композиционных

материалов. Основной отличительной чертой металлополимерных композитов является их

структурная неоднородность. Материал состоит минимум из двух фаз, одна из которых

является матрицей и выполняет роль связующего веще ства для остальных компонентов

композита. Второй фазой является наполнитель или армирующее вещество, которое

обеспечивает необходимые прочностные и жесткостные характеристики материала.

При решении задач теплофизики для традиционных конструкционных материалов,

таких как стали и сплавы, принимается модель сплошной, однородной и изотропной среды.

Масштаб полученной при изготовлении сталей неоднородности на порядок и более меньше

масштаба решаемых задач: в большинстве случаев в теплофизике шлифования

рассмат риваются объемы материала, находящиеся на глубине 5 – 1000 мкм от поверхности

при размерах неоднородности менее 5 мкм. Такое соотношение размеров и позволяет

принять описанную выше модель материала. Однако, ситуация меняется когда необходимо

определить воздействие физического поля на металлополимерный композит. Масштаб

структурной неоднородности материала сопоставим с масштабом решаемой задачи. В таких

случаях модель сплошной среды не применима.

Учет особенностей строени я металлополимеров при определении физических п олей

известными расчетными методами, такими как метод конечных элементов, приводит к

чрезвычайно громоздким решениям. Кроме того, точность полученных решений крайне

невелика. При использовании аналитических методов решения, широко применяемых для

однородных сред, приходим к необходимости решать нелинейное дифференциальное

уравнение, в котором физико-механические характеристики материала являются функциями

координат. Поэтому при описании действия физических полей в металлополимерах

применяется подход, при котором исходная задача для неоднородного композита заменяется

аналогичной з адачей для однородной среды с уже постоянными по координатам

физическими характеристиками. Физические характеристики металлополимерного

композита в задаче для однородной среды называются эффективными характеристиками и ли

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

222

эффективными постоянными. Таким образом, задача определения действия физических

полей в металлополимерах сводится к замене реального композита на однородную среду, к

вычислению ее эффективных характеристик и расчету действия физического поля в

однородной среде с эффективными характеристиками [1,2].

Описанный подход рассмотрим на примере расчета температурного поля в зоне

шлифования металлополимерного композита. Заменяем структурно-неоднородный

металлополимер на среду, состоящую из последовательно сти представительных элементов с

одинаковыми и постоянными эффективными характеристиками (рисун ок 1). Такая замена

носит название гомогенизации. Гомогенизация возможна благодаря существующим сегодня

технологиям получения композитов, позволяющим добиваться равномерного распределения

наполнителя по объему матрицы, а следовательно и равномерного распределения свойств по

объему материала. Размер представительного элемента должен быть больше размера частицы

наполнителя, но меньше характерного размера рассматриваемой з адачи. Это является

обязательным условием для гомогенизации.

Рис. 1. Замена структурно-неоднородного материала на однородную среду

На рис. 1 приняты следующие обозначения:



– эффективный коэффициент

теплопроводности материала, Вт/м·Сº; λ

– коэффициент теплопроводности матрицы,

Вт/м·Сº; λ

– коэффициент теплопроводности наполнителя, Вт/м·Сº;

– эффективная

удельная теплоемкость мат ериала, Дж/кг·Сº; с

– удельная теплоемкость матрицы, Дж/кг·Сº;

– удельная теплоемкость наполнителя, Дж/кг·Сº; ρ

– плотность материала матрицы, кг/м

;

– плотность материала наполнителя, кг/м

;



- эффективная плотность материала, кг/м

;

α – размер представитель ного элемента, м.

Расчетная схема к задаче определения температурного поля приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Расчетная схема к задаче о нагреве металлополимера (полубесконечный стержень,

на конце которого действует тепловой источник постоянной интенсивности q)

На рис. 2 q – интенсивн ость источника тепловыделения, Дж/с, x – текущая

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

223

координата, м.

Выражение (1) – математическое описание расчетной схемы.

( ),

( ,0) ,

(0, )

t x x

T x T



  



  









(1)

где Т – температура, рассматриваемая как функция координат и времени, Сº; Т

– температура

в начальный момент времени, ºС; t – время, с.

Решение задачи (1) ищется в виде двухмасштабного разложения в ряд по степени

параметра α:

0 1 2

( , ) ( , , ) ( , , ) ( , , ) ...T x t T x y t T x y t T x y t



   

(2)

где y – локальная координата (рисунок 3).

Рис. 3. Глобальная и локальная системы координат

Подстановка уравнение (2) в выражение (1) и последовательное решение полученных

уравнений при одинаковых степенях параметра α для одного представительного элемента

материала приводит к следующим зависимостям для эффективных постоянных:

ìí

ì í í ì

ì ì í í

ñ ñ ñ





   



    







(3)

где υ

– объемное содержание матрицы; υ

– объемное содержание наполнителя.

Окончательное решение задачи определения температурного поля в зоне шлифования

металлополимера записывается в следующем виде:

0 1 2

1 11

( , ) ( , , ) ( , , ) ( , , ) ...

...,

T x t T x y t T x y t T x y t

T terfc F F



  



    









    









(4)

где F

– локальная поправка первого порядка, учитывающая зависимость температуры от

структуры материала; F

– локальная поправка второго порядка.

Полученное аналитическое решение (4) проиллюстрируем на конкретном примере

расчета т емпературного поля металлополимера в зоне обработки шлифованием. Рассмотрим

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

224

металлополимерный композит, состоящий из эпоксидной смолы и наполнителя из порошка

материала марки Сталь 45: объемное содержание матрицы υ

– 60%, наполнителя υ

– 40%

соответственно, λ

=0,19 Вт/м·Сº, λ

=45,5 Вт/м·Сº, с

=1200 Дж/кг·Сº, с

=473 Дж/кг·Сº,

=1200 кг/м

, ρ

=7700 кг/м

. Размер частицы твердого наполнителя ~ 10 мкм. Расчет

выполнен для следующих технологических условий обработки: круглое наружное

шлифование с радиальной п одачей, диаметр шлифовального круга D=350 мм, диамет р

обрабатываемой детали d=60 мм, скорость резания V

=35 м/с, скорость вращения детали

=0,05 м/с.

На рисунке (4) приведен график зависимости температуры в металлополимере от

координаты Х (глубины проникновения) за время действия теплового источника.

Рис. 4. График зависимости температуры в металлополимере от координаты Х

График получен со следующими рассчитанными по уравнениям (3) эффективными

характеристиками материала:

0,316





Вт/м·Сº,

909,2ñ 

Дж/кг·Сº,

3800





кг/м

Для сравнения приведем рассчитаем среднее по объему материала значение

коэффициента теплопроводности:

18,3

ñð ì ì í í

    

  

Вт/м·ºС.

Как видно из уравнения (3) и фактических рассчитанных значений, величина

эффективного коэффициента теплоп роводности отличается от среднего по объему материала

значения. Выражение (3) получено при выполнении следующих требований: равенства на

границе раздела значений температур и величин тепловых потоков. Таким образом, применяя

методы гомогенизации и двухмасштабного разложения, можно получить основные

характеристики мет аллополимера – эффективные постоянные. Зная их, рассчитываются

физические поля для структурно-неоднородных композиционных мат ериалов как для

однородных сред с постоян ными свойствами.

Литература

1. Бардзокас, Д.И. Математическое моделирование физических процессов в

композиционных материалах периодической структуры / Д.И. Бардзокас, А.И. Зобнин. – М.:

Едиториал, УРСС, 2003. – 376 с.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

225

2. Бахвалов, Н.С. Осреднение процессов в периодических средах. Математические задачи

механики композиционных материалов / Н.С. Бахвалов, Г.П. Панасенко. – М.: Наука, 1984. –

352 с.

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ МЕДНО-

АЛЮМИНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ МАТЕРИАЛОВ ВЗРЫВОМ

Д.Б. Крюков, к.т.н., доц., А.В. Хорин, с.н.с., М.Н. Спирин, зав. лаб.

Пензенский государственный университет,

440026, г. Пенза, ул. Красная, 40., тел. (841-2) 36-82-98

E-mail: metal@pnzgu.ru

Использование высоконадежных медно-алюминиевых композитов, сочетающих в се-

бе высокую прочность, жаростойкость, коррозионную и эрозионную стойкость, низкое элек-

трическое сопротивление в процессе эксплуатации, открывает широкие возможности для

усовершенствования технологических процессов создания энергосберегающих систем и

оборудования для транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, а

также повышения к ачества продукции в области электроэнергетического машиностроения. В

настоящее время развитие предприятий таких отраслей неразрывно связано с решением за-

дач, связанных с уменьшением потерь электроэнергии в контактных узлах силового обору-

дования, экономией дорогостоящих цветных металлов, а также разработкой и внедрением

высококачественных композиционных материалов электротехнического назначения, в по-

давляющем большинстве случаев выполняемых из сочетания алюминиевых и медных слоев.

Для прои зводства такого композиционного материала н а данный момент используют

следующие основные промышленные способы получения: литое плакирование, пакетная

сварка прокаткой, автовакуумная сварка давлением, электродуговая наплавка и др. Однако

все перечисленные способы не обеспечивают требуемого качества соединения меди и алю-

миния, образующих между собой хрупкие интерметаллидные соединения. Несмотря на то,

что оба материала композиции обладают высокими пластическими свойствами, что, на пер-

вый взгляд, должно автоматически обеспечивать реализацию равнопрочности, получение

качественного бездефектного сварного соединения весьма проблематично по целому ряду

причин, связанных с существенным различием физико-механических свойств металлов, а

также крайне неблагоприятным с позиции свариваемости ти пом металлургического взаимо-

действия с образованием ряда устойчивых химических соединений: θ-фаза (А1

Сu), η-фаза

(AlCu), γ

-фаза (А1Сu

), δ-фаза (А1

Сu

), ξ-фаза (А1

Сu) и легкоплавкой 548-градусной эв-

тектики, состоящей из θ -фазы и т вердого раствора меди в алюмин ии. Для получения таких

материалов в последнее время все шире применяется сварка взрывом. Способ сварки взры-

вом, в создание которого внесли большой вклад т акие ученые, как: А.А. Дерибас, А.Г. Кобе-

лев, В.М. Кудинов, Ю.А. Конон, П.О. Пашков, В. И. Лысак, С.В. Кузьмин, Ю.П. Трыков,

В.С. С едых, А.В. Крупин, И.Д. Захаренко, Э.С. Атрощенко и др., а также научный персонал

ряда научных центров: Института гидродинамики СО АНССР г. Новосибирск, Волгоград-

ского государственного технического университета, Института элект росварки им. Е.О. Па-

то на г. Киев, Алтайского научно-исследовательского института технологии и машинострое-

ния и др., позволяет из готавливать композиционные металлические заготовки и изделия

практически неограниченных размеров из разнообразных металлов и сплавов с необходи-

мыми прочностными и пластическими свойствами.

Сварку взрывом наиболее целесообразно применять для соединения таких металлов и

сплавов, которые и звестными способами получить затруднительно или невозможно. С варка

взрывом эффективн а также при изготовлении крупногабаритных заготовок площадью в не-

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

226

сколько квадратных метров. После сварки взрывом полученные композиционные материалы,

как п равило, подвергаются различным видам последующих технологических операций (про-

катка, термическая обработка, штамповка и др.), в результате которых физико-механические

и эксплуатационные характеристики данных материалов могут претерпевать значительные

изменения. Исследование взаимосвязи данных изменений с основными параметрами т ехно-

логических переделов композиционного медно-алюминиевого материала представляет осо-

бый научный интерес. Определение комплексного подхода при исследовании технологиче-

ского процесса производства композиционных материалов для создания энергосберегающих

систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, работающих

в конкретных условиях, способных приводить к глубоким и зменениям в структуре и свойст-

вах материалов, представляется значимой и весьма актуальной научной задачей.

Для сварки листовых материалов наиболее распространены схемы с параллельным и

угловым расположением соединяемых пластин [1-3]. Физические явления, происходящие

при сварке материалов взрывом, структура и свойства образуемых соединений, в значитель-

ной степени определяются кинематическими параметрами, а именно скоростью движения

точки контакта и скоростью соударения метаемой с неподвижной пластиной.

Сварка меди с алюминием, п роизводилась по предложенной авторами схеме [4] с ис-

пользованием в ней промежуточных элементов клиновидной формы из инертного материала,

обеспечивающих возможность варьирования скоростью точки контакта.

Сварка производилась в широком скоростном диапазоне скорости соударения V

скорости точки контакта V

. Целью этих экспериментов является установление таких пара-

метров, при которых обеспечивалась бы не только высокая прочность соединения, но и в зо-

не сварного шва отсутствовали бы хрупкие интерметаллидные соединения.

Для исследования микроструктуры медно-алюминиевого композита была сделана

партия микрошлифов в направлении, совпадающим с направлением сварки. На этих микро-

шлифах с п омощью микроскопа МИМ-7 были определены геометрические параметры свар-

ного шва, его форма, амплитуда, длина волны. Планеметрическим методом проведена коли-

чественная оценка прослойки расплава. Фот ографии микроструктуры сварного шва медно-

алюминиевого композита, сваренного на различных режимах, представлены на рисунке 1.

С увеличением параметра V

(350-450 м/с) во зрастает амплитуда волны, в зоне свар-

ного шва появляется прослойка расплава, а в завихрениях волн происходит интенсивное пе-

ремешивание металлов (рис. 1 б, в). При наиболее высоких скоростях соударения (450-550 м/с)

и контакта (2600-2800 м/с) вдоль всей границы сварного шва наблюдается непрерывный слой

расплава (рис. 1 г).

В диапазоне скоростей V

<250 м/с схватывание металлов ли бо полностью отсутство-

вало, либо наблюдалась частичная сварка металлов.

Было установлено, что оптимальными режимами сварки являются V

=1850-2350 м/с,

=250-300 м/с. Сварной шов в этом случае имеет прямую или слабосинусоидальную грани-

цу раздела без образования участков расплава (рис. 1 а).

Известно, что сварка взрывом п риводит к интенсивному наклепу зоны соединения.

Для исследования этого факта на металлографических шлифах пары медь-алюминий прово-

дили измерения микротвердости. Испытания проводили на приборе измерения микротвердо-

сти ПМТ-3.

Твердость меди измеряли на расстоянии 0,015-0,8 мм от линии соединения с шагом

0,015 мм. По мере удаления от зоны шва значения твердости составляли 940-1000 Н/мм

Твердость алюминия вдоль линии шва измеряли на расстоянии 0,015-1,6 мм с шагом 0,015 мм,

значения твердости находились в пределах 300-470 Н/мм

. Твердость участков расплава со-

ставила 3430 Н/мм

Механические испытания были проведены по известной методике [5]. Испытание на

срез сварного шва показало, что разрыв соединения происходит не по шву, а по наименее

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

227

прочному материалу пары - алюминию, прочность на разрыв составила 95-123 H/мм

, что

удовлетворяет требованиям, предъявляемым к композиту. Минимальные зн ачения прочно-

сти (55-75 H/мм

) показали образцы, сваренные на завышенных скоростных режимах (ско-

рость соударения и скорость точки контакта), разрушение которых происходило по зоне шва.

=2300 м/с, V

=300 м/с. V

=2330 м/с, V

=400 м/с.

а) б)

=2300 м/с, V

=450 м/с. V

=2700 м/с, V

=500 м/с.

в) г)

Рис. 1. Микроструктура сварного шва медно-алюминиевого композита,

сваренного на различных режимах

Условия эксплуатации медно-алюминиевых композиционных элементов сопряжены с

тем, что прох одящий по ним т ок может вызывать интенсивный нагрев и даже разрушение их

в процессе эксплуатации, если не будет обеспечено минимальное сопротивление переходной

зоны и требуемая прочность соединения. Из полученного композиционного полуфабриката в

дальнейшем изготавливали ток оведущие и переходные элементы с применением прокатки и

листовой шт амповки. В этой связи целесообразным является проведение термической обра-

ботки и изучения влияния температурно-временных п араметров на структурные преобразо-

вания в медно-алюминиевом композите.

Термической обработке подвергали медно-алюминиевый композит, сваренный на оп-

тимальных режимах, в кото ром отсутствуют участки расплава в зоне сварного шва, подвер-

гали холодной прокатке со степенью деформации 10-15%, целью которой являлось улучше-

ние качества поверхности. Из этих заготовок вырезали образцы размером 15×15×2,45 мм и

затем отжигали при температурах 350, 400, 450, 500 °С . Колебание температуры при этом не

превышало ±5 °С. Время отжига изменялось в пределах 5-1200 мин. Из образцов изготавли-

вали шлифы на которых измеряли толщину и микротвердость интерметаллидных прослоек,

изучали структуру, фазовый состав и диффузионные процессы, сопровождающие термиче-

скую обработку.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

228

Начиная с температуры 350 °С в течение 60 мин в зоне контакта образуются две про-

слойки со стороны меди толщиной 1 мкм, а со стороны алюминия - около2 мкм. При нагреве

до температуры 400, 450, 500 °С толщина прослоек увеличивается с увеличением времени

выдержки.

Рис. 2. Изменение толщины интерметаллидных прослоек

в зависимости от температуры и времени выдержки

Толщину каждой из образующихся прослоек измеряли п ри разных температурах по-

сле нагрева (рис. 2). Можно заметить, что наибольшая скорость роста наблюдается для про-

слойки со стороны меди.

В образцах медь-алюмин ий на всех режимах проведенной нами термической обработ-

ки происходит образование двух видимых прослоек фазы, причем первая прослойка соответ-

ствует фазе CuAl

, а вторая соответствует фазе CuAl

Т.е. можно говорить о том, что в ходе

термообработки композита образуется два устойчивых типа интерметаллидов.

В ходе проведения работы была исследована структура и свойства композита медь-

алюминий, полученного с использованием сварки взрывом. Определен оптимальный режим

термической обработки композит а, а именно, нагрев до 350

С и выдержка в течение 45 ми-

нут. В результате данного режима снимается наклеп композита, полученный им в ходе свар-

ки и прокатки, в зоне сварного шва отсутствуют фазовые включени я, при этом материал ха-

рактеризуется минимальным значением переходного электросопротивления.

На основание вышеизложенного, можно говорить о том, что изготовленные с исполь-

зованием предложенной технологии композиционные медно-алюминиевые материалы спо-

собны существенно повысить надежность и ресурс работы широкого спектра оборудования

электроэнергетического машиностроения.

Литература

1. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. – Новосибирск: Наука, 1980. – 220 с.

2. Деформация металлов взрывом. Кр упин А.В., Соловьев В.Я., Шефтель Н.И., Кобе-

лев А.Г. – М.: Металлургия, 1975. – 416 с.

3. Кудинов В.М., Коротеев А.Я. Сварка взрывом в металлургии. – М.: Металлургия,

1978. – 168 с.

4. Патент на изобретение №2185942 от 27 июля 2002 г. Способ получения неразъем-

ных соединений сваркой взрывом. Атрощенко Э.С., Розен А.Е., Казанцев И.А., и др.

5. Процессы обработки материалов взрывом. Крупин А.В., Калюжин С.Н., Атабеков Е.У.,

Соловьев В.Я., Орлов М.И. Учебное пособие для вузов. – М.: Металлургия, 1996. –336 с.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

229

ЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ – ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ

МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ ОТРАСЛИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Д.Б. Крюков, к.т.н., доц., В.А. Соловьѐв, д.т.н., проф., А.Е. Розен, д.т.н., проф.

Пензенский государственный университет,

440026, г. Пенза, ул. Красная, 40., тел. (841-2) 36-82-98

E-mail: metal@pnzgu.ru

В отрасли современного машиностроения все большую актуальность приобретает во-

прос контроля качества композиц ионных материалов как на стадии их изготовления, так и в

процессе эксплуатации изделий, изготовленных с их применением.

Традиционные методы неразрушающего контроля для композиционных материалов

использовать не всегда представляется возможным. Это связано с тем, что основному кон-

тролю подлежат больши е поверхности, в которых в качестве дефектов могут выступать уз-

кие щелеобразные непровары или спаи, а также литые зоны с рассредоточенными усадочны-

ми ракови нами. Данные дефект ы возникают в местах контакта соединяемых поверхностей и,

соответственно, глубина их з алегания регламентируется толщи нами свариваемых материа-

лов, которые могут меняться от миллиметра до нескольких сотен миллиметров.

Одним из направлений решения этой п роблемы является использование голографиче-

ских методов контроля, обеспечивающих возможность измерения деформации поверхности

трехмерных объектов с высокой точностью . Электронная спекл-интерферометрия пр ед став-

ляет широкие возмож ности для разработки новых способов н еразрушающего контроля. С

этой целью могут быть использованы все разновидности голографической спекл-

интерферометрии: метод двойного экспонирования, интерферометрия в реальном масштабе

времени и с усреднением во времени, стробоскопический метод и т.д. При решении задач по

выявлению дефектов в изделиях достаточно воспользоваться только качественной частью

информации, содержащейся в интерферограммах - формой и характером расположения ин-

терференционных полос. Анализ особенностей в картинах интерференционных полос позво-

ляет во многих случаях определять наличие дефектов в исследуемых изделиях.

Интенсивные и сследования в области голографических методов контроля и спекл-

интерферометрии композиционных материалов, проводятся за рубежом.

Данные комплексы для н еразрушающих исследований конструкций при воздей ствии

различных эксплуатационных нагрузок были созданы корпорациями «Newport» США,

«Earling Optics» Англия, «EKSMA» Литва.

Корпорацией «Standa» Литва и рядом европейских фирм ведутся исследования по

созданию высокочувствительных оптических систем и инструментов для спекл-

интерферометрических методов контроля и определения форм колебаний, полей вибропере-

мещений и вибродеформаций, деформаций под действием центробежных сил, анализа виб-

ропрочности дисков и лопаток турбин, анализа деформаций узлов и деталей при вибрацион-

ных, ударных, тепловых воздействиях, при нагружении внутренним давлением; выявления

дефектов в узлах из композитных материалов.

В России в области спекл-интерферометрических и голографических методов контро-

ля композиционных материалов, полученных по различным технологиям ведущие места за-

нимают Калининградский государственный университет, Иркутский филиал Института ла-

зерной физики СО РАН, Самарский государственный аэрокосмический университет имени

академика С.П. Королѐва, ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет ».

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

230

Исследования, проведенные к ходе выполнения НИР «Уведомление» и П ензенском

государственном университете, инициативные исследования по грантам РФФИ, позволили

сформировать научно-технический задел дня создания оборудования и методики к онтроля

качества композиционных металлических и неметаллических материалов не требующих

виброзащиты и предварительной подготовки поверхности.

Сравнительная характеристика методики электронной спекл-интерферометрии с тра-

диционными методами дефектоскопии приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительный

показатель

Ультразвук

Рентгенография

Спекл-

интерферометрия

Площадь единовременного ох-

вата исследуемой поверхности

до 0,01 м

до 1 м

до 10 м

Минимальный размер

выявляемого дефекта

0,5 мм

0,001 мм

Среднестатистический показа-

тель количества выявляемых

дефектов в композиционных

материалах

до 40%

до 60%

до 95 %

Возможность определения г лу-

бины залегания дефекта в мно-

гослойном композиционном

материале

нет

да

Достоинством голографических методов является возможность измерения деформа-

ции поверхности трехмерных объектов с высокой точностью. Недостатком – неподвижность

объекта контроля в течение всего времени экспонирования голограммы, необходимость про-

ведения двух разнесенных во времени экспозиций, при этом сохраняя место расположения

голограммы относительно исследуемого объекта и других элементов оптической схемы с

высокой точностью.

С п оявлением фотоприемных матриц, способных воспроизводить сравнительно высо-

кие пространственные частоты, а также с развитием методов цифровой обработки изображе-

ний, особую роль в измерении деформаций получают фотоэлектронные корреляционные

спекл-интерферометрические методы неразрушающего контроля, которые предлагается ис-

пользовать для изделий, полученных сваркой взрывом.

На рисунке 1 представлена функциональная схема фотоэлект ронного корреляционно-

го спекл-интерферометра. Излучение от гелий-неонового лазера Л через формирующую оп-

тику О

направляется на исследуемую поверхность биметалла БМ. Рассеянное излучение от

поверхности, отразившись от зеркал Френеля З

и З

при помощи объектива О

направляется

на фотоп риемную матрицу. Фотоприемная матрица расположена в плоскости изображения

объектива О

. Зеркало З

и зеркало З

установлены друг к другу под углом ~ 180 градусов и

имеют регулировки, позволяющие сдвигать изображения исследуемой поверхности относи-

тельно друг друга, поэтому этот интерферометр называют интерферометром с разделением

спекл структур. На фотоприемной матрице формируются два когерентных изображения, ин-

терферирующих друг с другом. Фотоприемная матрица через контроллер вывода изображе-

ния К соединена с ПЭВМ через порт USB. На обратной стороне исследуемой поверхности

биметалла расположены нагревательные элементы НЭ.

В плоскость фотоприемной матрицы приходят волны, рассеянные различными участ-

ками исследуемой поверхности и за счет сдвига одного изображения относительно другого

на величину



на фотоприемной матрице формируются два интерферирующих волновых

фронта.