CC BY
35
Неразрушающий электромагнитный метод определения механической прочности изделий из композиционных диэлектрических материалов
Т.В. Фурса
Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия
Разработан алгоритм неразрушающего электромагнитного метода определения механической прочности композиционных диэлектрических материалов. Предлагаемый способ, основанный на явлении механоэлектрических преобразований, имеет более высокую точность определения механической прочности по сравнению с используемым на практике методом склерометрии.
Non-destructive electromagnetic method for determination of mechanical strength of constructions from dielectric composite materials
T.V. Fursa
The algorithm of a non-destructive electromagnetic method for mechanical strength determination of dielectric composite materials has been designed. The proposed method based on the mechanoelectric transformations effect has the higher accuracy of mechanical strength determination as compared with the conventional sclerometric method.
Эксплуатация и применение композиционных материалов часто связаны с высокими механическими нагрузками, воздействие которых может негативно отразиться на их механических характеристиках. Поэтому существует необходимость неразрушающего контроля качества конструкционных материалов в процессе эксплуатации. Для решения этой задачи может быть использовано явление механоэлектрических преобразований в диэлектрических конструкционных материалах. Явление основано на преобразовании энергии механического возбуждения в энергию электромагнитного поля на структурных неоднородностях и дефектах в композиционных материалах.
В качестве композиционных материалов, на основе которых осуществлялась разработка неразрушающего электромагнитного метода определения механической прочности композиционных материалов, были использованы образцы тяжелого бетона размером 100 X100 X100 мм с заполнителями в виде гравия и щебня. Испытания проводились следующим образом. Обследуемый объект подвергался ударному возбуждению с помощью специального ударного устройства. В качестве приемника использовался емкостной датчик. Регистрация электрической составляющей электромагнитного отклика осуществлялась с помощью специального
прибора, совмещенного с персональным компьютером, позволяющего производить оцифровку электрического сигнала с определенным шагом дискретизации.
Нашими исследованиями показано, что качество контакта в значительной степени и определяет эффективность механоэлектрических преобразований в бетонах [1]. Определение прочности изделий основывается на взаимосвязи амплитудно-частотных характеристик электромагнитного сигнала с качеством адгезионного контакта в композиционных материалах [2]. Поэтому для образцов, разрушение которых происходит по границе адгезионного контакта вяжущего и заполнителя этот параметр работает достаточно надежно. Однако разрушение бетонов далеко не всегда происходит по адгезионному контакту, а в случае использования в качестве заполнителя щебня разрушение чаще всего происходит по цементному вяжущему. Поэтому для повышения точности определения прочности, наряду с определением качества контакта цементной матрицы с заполнителем, необходимо определять и прочность цементной матрицы. Для этих целей в настоящее время на практике широко используется метод склерометрии. Однако определение прочности путем измерения поверхностной твердости с помощью склерометра также дает большие погрешности. На рисунке 1 приведены
© Фурса Т.В., 2004
результаты испытаний партии образцов бетона с помощью склерометра. Партия образцов состояла из 23 штук с разными заполнителями: в виде щебня и в виде гравия.
Как видно из рисунка погрешность определения прочности с помощью склерометра очень высока (коэффициент корреляции 0.34).
Следовательно, чтобы метод был более универсальным и мог использоваться для контроля прочности различных конструкционных материалов, разрушение которых происходит как по границе адгезионного контакта матрицы и заполнителя, так и по матрице, необходимо наряду с критерием, который оценивает качество контакта основы и заполнителя, ввести критерий, связанный с прочностью матрицы.
Представим обобщенный электромагнитный параметр Р определения прочности изделий в виде:
Р = В + С,
где В — параметр электромагнитного сигнала, определяющий поверхностную прочность (прочность матрицы); С — параметр, связанный с прочностью адгезионного контакта.
В качестве параметра, определяющего качество контакта матрицы и заполнителя в композиционных материалах, (С) используем амплитудно-частотные характеристики электромагнитного сигнала, регистрируемого при прохождении акустической волны через образец, а в качестве параметра, определяющего прочность основы, (В) используем длительность переднего фронта электромагнитного сигнала.
Доказательством того, что длительность переднего фронта электромагнитного сигнала связана с поверхностной прочностью, служат следующие экспериментальные исследования. Известно, что при контакте материалы электризуются за счет трибоэлектрического эффекта [3]. Поэтому в момент удара при соприкосновении металлического бойка электромеханического ударного устройства с поверхностью образца происходит
с 20 -I---■-------■-------■-------■-------■--------■---
25 30 35 40 45 50 55
Реальная прочность, МПа
Рис. 1. Взаимосвязь между определенной с помощью склерометра и реальной прочностью
электризация как образца, так и бойка и в измерительной цепи возникает ток. Амплитуда сигнала за счет этого эффекта будет определяться материалами образца и бойка, а длительность переднего фронта будет определяться временем вдавливания бойка в образец. Это время зависит от силы удара, конфигурации бойка и твердости материала. Так как в наших экспериментах используется нормированное по силе ударное возбуждение и не меняется конфигурация бойка ударного устройства, то длительность переднего фронта электромагнитного сигнала будет зависеть только от твердости материала. Для примера были взяты ряд природных минералов с известной твердостью (по шкале Мооса), проведены испытания этих материалов и получено, что длительность переднего фронта электромагнитного сигнала линейно уменьшается с увеличением твердости
[4].
Следовательно, длительность переднего фронта электромагнитного сигнала связана с твердостью материала и может быть использована в качестве критерия для определения поверхностной прочности материала.
Для того чтобы записать аналитическое выражение для параметра С сравним электромагнитные сигналы образцов бетона с заполнителем в виде щебня, прочность которых в основном определяется прочностью цементной основы (рис. 2, а), и в виде гравия, прочность которых в большей степени зависит от качества адгезионного контакта цементного вяжущего и заполнителя (рис. 2, б).
Из рисунков видно, что амплитуда колебательного процесса в образцах с заполнителем в виде гравия выше, нежели в образцах со щебнем. Электромагнитный сигнал колебательного вида по нашим представлениям
[5] возникает за счет изменения дипольного момента двойного электрического слоя на границе цементной матрицы и заполнителя. Из практики известно, что разрушение бетона с заполнителем в виде щебня происходит преимущественно по цементной основе и минеральному заполнителю, и, следовательно, для таких бетонов основной вклад в суммарный критерий должен вносить параметр В, зависящий от прочности цементного камня. Уменьшение амплитуды колебательной части электромагнитного сигнала в образцах бетона с заполнителем в виде щебня по сравнению с образцами бетона, заполненными гравием, как раз подтверждает выше высказанное.
Проведенными исследованиями показано, что на параметры электромагнитного отклика на ударное возбуждение существенное влияние оказывают температура и влажность среды, в которой производится испытание изделий. На рисунке 3 приведена зависимость амплитуды электромагнитного отклика из образцов бетона от влажности окружающей среды.
Данная зависимость была получена следующим образом: в климатическую камеру помещался образец бе-
Время, мс Время, мс
Рис. 2. Типичные формы электромагнитных откликов из образцов бетона с заполнителем: а — в виде щебня; б — в виде гравия
тона и производилось его многократное испытание по методике, описанной выше при различных значениях влажности. Используемое нами слабое ударное возбуждение в области упругой деформации даже при многократном возбуждении изделия не приводит к его разрушению.
Затем таким же образом производилось испытание при другом значении влажности. Таким образом, произведены измерения во всем выбранном диапазоне изменения влажности. Выполнив линейную аппроксимацию, получили искомую градуировочную зависимость влажность - амплитуда электромагнитного отклика. Коэффициент влажности находится следующим образом: измеряется влажность окружающей среды, в которой производится испытание изделия, затем на влажностной градуировочной зависимости (рис. 3) находится значение амплитуды, соответствующее этой влажности А1 и значение амплитуды А2 из этой же градуировочной зависимости для влажности, при которой была получена эмпирическая зависимость прочности бетона от обобщенного параметра электромагнитного отклика (рис. 4).
Коэффициент влажности к1 = А2/А1. Следует заметить, что коэффициент корреляции при использовании предложенного электромагнитного метода составляет 0.83, что значительно выше по сравнению с методом склерометрии.
Испытания изделий могут производиться при различных температурах, в том числе и при отрицательных, поэтому для повышения точности предлагаемого способа необходимо контролировать температуру и вводить температурный коэффициент.
Зависимость, изображенная на рис. 5, и является градуировочной для определения температурного коэффициента. Градуировочная зависимость также была получена при многократном испытании одного и того же образца бетона при изменении температуры в климатической камере. Из рисунка видно, что наиболее существенные изменения амплитуды электромагнитного отклика наблюдаются при переходе в отрицательную область температур. Возрастание величины электромагнитного отклика с переходом в область отрицательных температур может быть связано с процессом обледене-
Рис. 3. Зависимость амплитуды отклика от влажности окружающей среды
Рис. 4. Градуировочная зависимость прочность - обобщенный электромагнитный параметр
0 I I 1 I1 1 1 1 ■—1-----
-30 -20 -10 0 10 20 30 40
Температура, °С
Рис. 5. Зависимость амплитуды электромагнитного отклика от температуры окружающей среды
ния. Обледенение приводит к появлению дополнительных двойных электрических слоев на границах льда с бетоном. Это приводит к увеличению эффективной площади двойных электрических слоев, возбуждаемых акустической волной. Данная зависимость была получена следующим образом: в климатическую камеру помещался образец бетона и производилось его многократное испытание по методике, описанной выше при различных значениях температуры. Данная зависимость достаточно хорошо описывается полиномом второго порядка. Температурный коэффициент находится следующим образом: измеряется температура среды, в которой производится испытание изделия, затем на влажностной градуировочной зависимости находится значение амплитуды, соответствующее этой температуре, В1 и значение амплитуды В2 из этой же градуировочной зависимости для температуры, при которой была получена эмпирическая зависимость обобщенного параметра электромагнитного отклика от прочности бетона (рис. 4). Температурный коэффициент имеет вид: к2 = В21В1.
Метод неразрушающего контроля прочности изделий заключается в том, что контролируемое изделие подвергают импульсному механическому воздействию,
измеряют характеристики электромагнитного сигнала и с помощью предварительно установленной эмпирической зависимости, связывающей обобщенный параметр Р с механической прочностью, установленной при определенном значении температуры и влажности окружающей среды, определяют прочность изделия по формуле:
где t—длительность переднего фронта электромагнитного сигнала, мкс; А — амплитуда электромагнитного сигнала, В; Amx — максимальная амплитуда электромагнитного отклика (аппаратурная), В; f— частота основного максимума спектральной характеристики электромагнитного сигнала, МГц; кх — коэффициент влажности; к2 — температурный коэффициент.
Предлагаемый неразрушающий электромагнитный метод определения механической прочности изделий защищен рядом авторских свидетельств и патентом [6]. По сравнению с широко используемыми на практике акустическими методами имеет ряд преимуществ, основными из которых являются бесконтактность при приеме сигнала и более высокая точность в определении внутренних дефектов структуры.
Литература
1. Фурса Т.В., Гордеев В.Ф. Источники механоэлектрических преобразований в бетонах // Изв. вузов. Строительство. - 1999. - № 8. -С. 124-127.
2. Фурса Т.В., Хорсов Н.Н. Пути повышения точности электромагнитного метода определения прочности бетона // Дефектоскопия. -2000. - № 2. - С. 68-71.
3. Громов Ю.А., Каргаполъцев А.В., Чахлов Б.В. Электризация материалов и индентора при ударном нагружении // Изв. вузов. Физика. - 1992. - № 4. - С. 120-122.
4. Фурса Т.В., Суржиков А.П., Голъд P.M. Электромагнитный способ определения твердости материалов // Дефектоскопия. - 2001. -№ 9. - С. 20-22.
5. Фурса Т.В., Хорсов Н.Н., Батурин Е.А. Источники акустоэлетри-ческих преобразований в бетонах // ЖТФ. - 1999. - Т. 69. -Вып. 10. - С. 51-55.
6. Суржиков А.П., Фурса Т.В. Способ контроля прочности изделий из твердых материалов // Патент на изобретение № 2190204 с приоритетом от 27.11.2000 г.
