СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF DIAGNOSTICS OF QUALITY OF STRUCTURAL MATERIALS

Изобретение относится к области контроля и диагностики конструкционных материалов, в частности совокупности баллистических свойств конструкционной керамики, входящей в состав средств индивидуальной бронезащиты, связанных, прежде всего, с твердостью, прочностью и трещиностойкостью, и может быть использовано на предварительных этапах технологического процесса изготовления изделий индивидуальной бронезащиты с целью оперативного экспресс-подбора материалов из предлагаемых на рынке и производимых различными предприятиями - изготовителями.
Известен способ диагностики конструкционной керамики, заключающийся в том, что устанавливают исследуемые образцы и производят из огнестрельного оружия выстрелы. По количеству повреждений (сколы, вмятины, пробоины) оценивают качество защитного материала [ГОСТ Р 50744-95. Бронеодежда. Классификация и общие технические требования].
Недостатком известного способа является сложность, трудоемкость, большие временные и финансовые затраты на реализацию процедуры контроля, требующие полигонных и специальных лабораторных испытаний.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ диагностики керамики, по которому воздействуют высокоскоростным ударником на поверхность образца и по характеру и виду разрушений (вмятины, пробоины) оценивают качество материала образца. В течение времени взаимодействия одновременно происходит разрушение пули и накопление повреждений в керамике. Время задержки проникания (или время сохранения стойкости керамики) является важнейшей характеристикой керамики, определяющей ее броневые свойства. Время задержки в этом способе диагностики измеряется в количестве волновых пробегов по толщине керамики (Экспериментальное определение времени задержки проникания высокоскоростных ударников в керамическую броню [Текст] / И.А.Беспалов, В.А.Григорян, И.Ф.Кобылкин // Труды 14-й всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности». Т.1. Технические средства противодействия терроризму. -СПб.: НПО СМ, 2011). Данный способ принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - воздействие на поверхность образца; оценка качества конструкционного материала образца.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является сложность и трудоемкость проведения диагностических мероприятий, необходимость использования дорогостоящего технологического и измерительного оборудования, а также проведения пулевых испытаний, при которых образец керамики находится в подвешенном состоянии, которое не является естественным, соответствующим положению данного материала в готовом изделии - средстве индивидуальной бронезащиты. Кроме того, экспресс-оценка имеет недостаточную достоверность из-за субъективных подходов к проведению испытаний.
Задача изобретения - снижение трудоемкости испытаний, повышение достоверности экспресс-оценки эрозионных свойств материалов, расширение возможностей воздействия высокоэнергетической струи для процедуры диагностики конструкционных материалов, входящих, в частности, в состав средств индивидуальной бронезащиты.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе диагностики качества конструкционных материалов, включающем воздействие на испытуемый образец и оценку качества его конструкционного материала, воздействие осуществляют струей жидкости под давлением 350…380 МПа при скорости 800…850 м/с, при этом на испытуемый образец устанавливают один или несколько датчиков акустической эмиссии и регистрируют параметры акустической эмиссии в течение времени воздействия струи жидкости, а оценку качества конструкционного материала образца осуществляют путем сравнения относительных значений массового уноса материала и параметров акустической эмиссии с соответствующими характеристиками эталонного образца, либо с имеющимися значениями ранее продиагностированных образцов.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - воздействуют на испытуемый образец струей жидкости под давлением 350-380 МПа при скорости 800-850 м/с; устанавливают на образец один или несколько датчиков акустической эмиссии; регистрируют параметры акустической эмиссии в течение времени воздействия струи жидкости; осуществляют оценку качества конструкционного материала образца путем сравнения относительных значений массового уноса материала и параметров акустической эмиссии с соответствующими характеристиками эталонного образца, либо с имеющимися значениями ранее продиагностированных образцов.
Воздействие на поверхность испытуемого материала высокоэнергетической струей жидкости (воды) под давлением 350-380 МПа при скорости 800-850 м/с позволит обеспечить для любого исследуемого материала получение гидроструйных надрезов, по величинам которых можно исследовать свойства любых материалов, практически любой твердости, тем самым, гарантируя эффективную диагностику исследуемого образца.
Параметры скорости струи 800-850 м/с соизмеримы со скоростью пули на подлете к диагностируемому объекту - керамическому образцу, входящему в состав средства индивидуальной бронезащиты.
Параметры напряжений, возникающих в зоне контакта струи и образца, соизмеримы по значению с параметрами напряжений при ударе пули в образец во время баллистических испытаний. Подача высокоскоростной струи жидкости осуществляется под прямым или другим углами к поверхности керамического образца со стороны торцевой или любой другой плоскости пластины.
Наличие датчиков акустической эмиссии, установленных на образце, и регистрация параметров акустической эмиссии в течение времени воздействия струи жидкости позволит получить сравнительные характеристики по отношению к эталону или сравниваемому образцу.
К оценке результатов воздействия жидкостной высокоэнергетической гидроструей относят: относительный унос массы материала образца в результате эрозии поверхности, вызванной кавитационными эффектами в месте контакта гидроструи и материала, и сравнение полученных результатов с исходными значениями массовых характеристик образцов с точностью до 0,001 грамма. Аналогично производят сравнение параметров акустической эмиссии - амплитудно-частотной характеристики с параметрами акустической эмиссии эталонов или ранее диагностируемых образцов. По разнице результатов этого воздействия судят о физико-механическом состоянии поверхностного слоя образца и его эрозионной стойкости при гидроструйном воздействии.
Оценка качества конструкционного материала образца путем сравнения относительных значений массового уноса материала и параметров акустической эмиссии с соответствующими характеристиками эталонного образца, либо с имеющимися значениями ранее продиагностированных образцов позволит снизить трудоемкость испытаний, повысить достоверность экспресс-оценки эрозионных свойств материалов, расширить возможности воздействия высокоэнергетической струи для процедуры диагностики конструкционных материалов, входящих, в частности, в состав средств индивидуальной бронезащиты.
На фиг.1 показана схема осуществления способа.
На схеме обозначены: 1 - гидросопло, 2 - высокоэнергетическая струя жидкости, 3 - образец (пластина из конструкционной керамики), 4 - эродированная поверхность (гидрокаверна), 5 - датчик акустической эмиссии, 6 - аппаратура, обрабатывающая акустический сигнал, L - ширина образца; S - скорость рабочей подачи. Тогда время воздействия гидроструи определяют по формуле τ=L/S.
На фиг.2 изображены ультраструйные надрезы на образцах.
Способ диагностики качества конструкционных материалов осуществляют следующим образом.
Производят взвешивание диагностируемого образца с точностью до 0,001 г, его фиксацию в приспособлении (тисках) на рабочем столе установки для гибридной ультраструйно-эмиссионной диагностики, устанавливают на образце датчики акустической эмиссии 5, соединенные с аппаратурой 6 для соответствующей обработки акустического сигнала. Процедуре диагностики могут подвергаться образцы из конструкционных материалов, в частности керамики, обладающих разными селективными физико-механическими свойствами, сформированными с применением различных технологических процессов изготовления, использования различных по составу исходных компонентов для получения того или иного вида композиционного материала.
Из струйной головки гидросопла 1 под давлением 350-380 МПа подают высокоскоростную (-800-850 м/с) жидкостную струю 2, которая, ударяясь об диагностируемую поверхность образца 3, вызывает гидроэрозию его поверхности в направлении подачи S. Высокоэнергетическая струя жидкости (воды) 2 вызывает интенсивный процесс волнообразования, регистрируемый датчиком акустической эмиссии 5.
С началом воздействия струи жидкости 2 на образец 3 производят регистрацию параметров акустической эмиссии (запись сигнала акустической эмиссии), которую заканчивают при окончании воздействия струи 2.
Промежуток времени гидроструйного воздействия эмпирически определяют в диапазоне 10…60 с, исходя из физико-механических характеристик диагностируемых материалов.
Вследствие процесса гидроэрозии осуществляется потеря массы образца. Производят его повторное взвешивание, определяют значение массового уноса материала и сравнивают относительное значение массового уноса материала с массой уноса эталонного образца, либо с имеющимися значениями (базой данных) ранее продиагностированных образцов. В качестве эталона могут использоваться данные по массовому уносу материала образцов, подвергнутых стендовым пулевым испытаниям и имеющим высокие баллистические свойства. Аналогично производят сравнение параметров акустической эмиссии - амплитудно-частотной характеристики с параметрами акустической эмиссии эталонного образца, либо с имеющимися значениями (базой данных) ранее продиагностированных образцов.
Пример конкретного выполнения.
Производили диагностику трех образцов из конструкционной корундовой керамики различных производителей.
Процесс гибридной ультраструйно-эмиссионной диагностики состоял из следующих основных этапов:
- установка и закрепление керамических образцов в технологической оснастке на координатном столе гидроструйной установки MultiCam Waterjet Systems (США);
- эмпирический подбор технологического режима ультраструйного воздействия (скорости подачи, давления жидкости, расстояния от среза сопла до поверхности образца);
- установка датчика акустической эмиссии на поверхности экспериментального образца и его подключение к прибору Малахит АС-15А/2;
- ультраструйное воздействие на поверхность пластины из корундовой керамики при заданных технологических режимах и одинаковой длине надреза (расстояние, пройденное гидроструей в заданное время) для трех образцов;
- запись сигнала акустической эмиссии и его значений на персональный компьютер;
- взвешивание образцов с точностью 0,001 г;
- занесение экспериментальных данных в таблицу для проведения дальнейшего анализа результатов.
При проведении экспериментов получены следующие результаты (см. таблицу, фиг.2). Изображения гидрокаверн (ультраструйных надрезов), полученные в результате эксперимента, представлены на фиг.2.
Таблица
Результаты экспериментальных данных по качественно-количественному анализу характеристик корундовой керамики
№ пп.
m<sub>г, </sub>масса, теряемая образцом при ультраструйной обработке, на 1 мм длины надреза, г/мм
<img file="00000001.tif" he="15" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" />
Уровень сигнала акустической эмиссии, отн. ед.
1
0,0065
2,19
335
2
0,0075
2,12
360
3
0,0148
1,83
440
Качественный анализ результатов ультраструйной обработки керамических пластин показывает, что наилучшим является образец №1, так как на нем гидроструя почти не оставила следа. В образце №2 образовалась канавка треугольного профиля без выкрашивания краев. В образце №3 образование канавки связано с небольшим выкрашиванием краев. Характер надреза ультраструйным воздействием на поверхности керамической пластины и унос массы материала коррелируется с данными сигнала акустической эмиссии, приведенными в таблице 1.
Таким образом, заявляемый способ диагностики качества конструкционной керамики приемлем для выбора оптимальных материалов бронезащиты. Преимущества способа состоят в том, что он позволяет снизить трудоемкость испытаний за счет исключения полигонных специальных пулевых испытаний, расширить возможности воздействия высокоэнергетической струи для процедуры диагностики керамических материалов за счет изменения параметров струи при сохранении достоверности диагностической информации о баллистических свойствах конструкционной керамики, входящей в состав средств индивидуальной бронезащиты.