Лабораторная работа № 1 Определение плотности и деформативности материалов ультразвуковым импульсным методом
1. Цель работы
Изучение ультразвукового импульсного метода определения упругих свойств материала на примере образца из стеклопластика.
2. Основные теоретические положения
Несколько слов о самом контролируемом материале. Стеклопластик относится к большой группе конструкционных материалов, называемых композиционными материалами. Композиционные материалы – это материалы, состоящие из двух или более компонентов (отдельных волокон или других армирующих составляющих и связывающего их материала матрицы (чаще всего полимерной смолы). Компоненты композиционных материалов не растворяются, или другими словами не поглощают друг друга. В настоящее время наиболее распространёнными армирующими компонентами являются стеклянные, асбестовые, борные, стальные волокна и т. д. Связываются между собой эти волокна эпоксидными, полиэфирными, фенольными, полиамидными и другими смолами. Так как прочность материала на 90 % обеспечивается армирующими волокнами меняя ориентацию основной массы волокон, можно создавать материалы с разными прочностными и деформативными свойствами в разных направлениях, что очень часто необходимо в современных высоконагруженных конструкциях.
Часто для армирования применяются не элементарные волокна или нити, а ткани, сделанные из этих нитей. При этом ткани делаются на станках, подобных обыкновенным ткацким, поэтому и структура переплетения нитей называется подобно обычным тканям: полотняной, саржевой, сатиновой. В стеклотканях, как и в обычных тканях, нити основы обычно выдерживают нагрузку в 1,5…..2,0 раза большую, чем нити утка.
Из стеклопластиков делаются небольшие суда, яхты, немагнитные тральщики, корпуса ракет, торпед, гоночных автомобилей, лыжи и т. д. Стеклопластик обладает плотностью в четыре раза меньшей, чем сталь. Поэтому по удельным характеристикам стеклопластики и вообще композиционные материалы часто превосходят конструкционные стали.
В процессе выполнения данной работы мы будем изучать свойства стеклопластика по скорости распространения в нём ультразвуковых колебаний в разных направлениях армирования.
В твердых телах, в зависимости от характера возбуждения распространяются различные типы волн (продольные, поперечные, изгибные). Тип волны определяется также соотношением размеров тела и длины волны. Различные типы волн распространяются с различными скоростями.
Для изотропного твердого материала, характеризуемого двумя упругими постоянными, их величина определяется двумя значениями скоростей упругих волн (например, продольных и поперечных):
,
(1.1)
где:
,
- скорости распространения продольных
и поперечных волн соответственно в теле
в виде стержня,
,
- динамический модуль упругости и модуль
сдвига,
- плотность материала.
Выражения (1.1)
справедливы и для призматических, и
цилиндрических стержней при соотношениях
и
(где:
- длина стержня,
- размер поперечного сечения стержня,
- длина волны).
Рис. 1.1. Зависимость между динамическим (на рисунке «Н») и статическим (на рисунке «Е») модулями упругости
В случае анизотропных тел число упругих постоянных и связанных с ними скоростей упругих волн увеличивается. В ортотропной среде упругие постоянные определяются по скоростям распространения продольных волн в двух главных направлениях упругости среды (для стеклопластика - по основе и утку) и по скорости распространения сдвиговой волны под углом 450. При определении упругих характеристик в трансверсально - изотропном слое учитывается расположение плоскостей изотропии. Если плоскость изотропии параллельна одной из координатных поверхностей, то используются соотношения, справедливые для изотропной среды, в других случаях - для ортотропной среды.
Из выражения (1.1) следует, что динамический модуль упругости (сдвига) зависит от плотности материала. Плотность материала, равная отношению массы изделия к его объему может быть определена различными методами (взвешиванием, гидростатическим, акустическим, радиометрическим, диэлектрическим и т. д.). В настоящее время наиболее распространенным является импульсный метод, относящийся к акустическим методам и заключающийся в определении плотности материала по скорости распространения ультразвуковых волн.
Таким образом, измерение скорости распространения упругих волн позволяет непосредственно определить динамические модули упругости материала. Необходимо отметить, что динамический модуль упругости может несколько отличаться от статического, что хорошо видно на представленном на рис. 1.1 графике.