Механика композитных материалов 2 1979

АКАДЕМИЯ НАУК ЛАТВИЙСКОЙ ССР

м ехан и к а

композитных

материалов

Март—апрель

Журнал основан в 1965 г. Выходит 6 раз в год

РИГА «ЗИНАТНЕ»

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1979, № 2, с. 195—201

УДК 539.219:539.4:678

В. С. Куксенко, Л. Г Орлов, Д. И. Фролов

КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ КРИТЕРИЙ УКРУПНЕНИЯ ТРЕЩИН В ГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛАХ*

Разрушение твердых тел, как правило, заканчивается развитием одной или нескольких магистральных трещин. Тем не менее, как само появление магистральной трещины, так и ее развитие является определенной ста­ дией общего кинетического процесса разрушения в объеме нагруженного тела. Это объемное разрушение связано с зарождением под действием нагрузки множества мельчайших трещин. Специфика, строение и условия нагружения твердых тел существенным образом сказываются на разме­ рах, форме, ориентации начальных зародышевых трещин. Но появление их в массовом количестве задолго до окончательного макроскопического разрушения образца представляет собой достаточно общее явление1-4.

Для регистрации зародышевых трещин в различных твердых телах используются разные физические методы — рассеяние рентгеновских лу­ чей под малыми углами, рассеяние света, акустическая эмиссия, элект­ ронная микроскопия, дилатометрия и т. д. С помощью этих методов до­ статочно полно изучены вопросы зарождения и накопления трещин в ионных кристаллах, металлах, полимерах и горных породах. В данной работе будут привлекаться экспериментальные результаты о трещинах, полученные методами рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами (РРМУ) и звуковой эмиссии (ЗЭ).

Наиболее полно процесс зарождения трещин рассмотрен для поли­ мерных материалов. Успех этих исследований обусловлен тем, что для данных материалов наиболее надежным и информативным оказался метод рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами3.

Если в объеме образца имеются трещинки, они рассеивают рентгенов­ ские лучи, давая центральное диффузное рассеяние. Измеряя угловое распределение рассеянного излучения, можно оценить размеры трещин в различных направлениях, а по абсолютным значениям интенсивности рассеянного излучения определить их концентрацию. Этим методом можно надежно изучать трещины размерами от 0,001 до 0,3—0,4 мкм.

Метод ЗЭ основан на эмиссии упругих волн при зарождении трещин. Связь параметров сигналов ЗЭ и трещин рассмотрена в5.

Важной особенностью зарождения трещин является то, что трещины возникают сразу определенных размеров. Время зарождения отдельной трещинки является ничтожным в общем времени до разрушения, и его невозможно уловить дифракционными методами. Сам факт излучения упругой волны при образовании трещины свидетельствует о высоких ско­ ростях зарождения трещин. Не обсуждая вопросов «взрывоподобного» характера зарождения трещин, отметим лишь, что трещины стабилизи­ руются при достижении некоторых размеров. Стабилизация трещин обусловлена резкой гетерогенностью полимерных материалов, естествен­ ной на надмолекулярном уровне для чистых полимеров и искусственно создаваемой в композиционных материалах. Поэтому основным парамет­ ром в процессе трещинообразования является концентрация трещин,

* Доложено на советско-американском симпозиуме «Разрушение композитных ма­ териалов» (Рига, сентябрь 1978 г.).

195

Рис. 1. Кривые накопления трещин под действием постоянной растягивающей нагрузки (1) и при возрастании растягивающего напряжения (2) для капроновой пленки (а) и стеклопластика (б). o=const (У); Got (2).

которая зависит от времени нахождения образца под нагрузкой, от вели­ чины напряжения и т. д.

На рис. 1 приведены кривые накопления трещин в режиме действия постоянной растягивающей нагрузки (кривая 1) и в режиме увеличения растягивающей нагрузки (кривая 2) для ориентированной капроновой пленки и стеклопластика. Данные о концентрации зародышевых трещин для капрона получены методом РРМУ, для стеклопластика — ЗЭ. Кон­ центрация трещин для стеклопластика приведена в относительных едини­ цах, поскольку в настоящее время не удается однозначно отделить акус­ тические сигналы, обусловленные разрывами стеклянных нитей, отслое­ нием матрицы от нитей, от вызванных другими причинами. Поэтому кривые накопления трещин для этого случая следует рассматривать как качественно отражающие общее число разрывов сплошностру^Кривые на­ копления резко различаются по форме, но предельные концентрации для данного материала оказываются близкими. При достижении определен­ ных концентраций трещин образец теряет устойчивость и разрывается, причем разрыв происходит путем возникновения макроскопической тре­ щины в месте повышенной концентрации зародышевых субмикротрещин. Для демонстрации этой преемственности можно привести следующий пример (рис. 2). Чтобы локализовать процесс разрушения и упростить измерения, образец вырубали фигурными ножами. На крае образца на линии наименьшего сечения направляли пучок света или рентгеновских

196

оправдывает экстраполяцию к нулевому размеру. Можно видеть, что по­ явлению макротрещины предшествует активное объемное разрушение, связанное с накоплением микротрещин.

Каков же переход от спокойного накопления зародышевых стабиль­ ных трещин к появлению макротрещины? Поскольку начальные зароды­ шевые трещины оказываются стабильными и не увеличивают своих раз­ меров, естественно предположить, что их развитие связано с укрупнением трещин путем слияния при достижении таких концентраций трещин, когда расстояния между ними становятся соизмеримыми с размерами са­ мих трещин.

Такое укрупнение можно выявить теми же дифракционными мето­ дами, например, рассеянием рентгеновских лучей под малыми углами. Если измерить кривые рассеяния на начальном участке кривой накопле­ ния в 11 на рис. 3 и незадолго до появления макротрещины в /2, то можно видеть не только количественное, но и качественное различие. На рис. 4 приведены кривые рассеяния в этих двух случаях. Можно ви­ деть, что кривые резко расходятся в малых углах. Линейность зависи­ мости в первом случае свидетельствует о том, что трещины имеют при­ мерно одинаковые размеры. Следующий этап характеризуется не столько увеличением концентрации трещин, сколько их активным укрупнением. Увеличение крутизны кривой рассеяния свидетельствует о появлении бо­ лее крупных трещин. Этот процесс укрупнения и приводит со временем

кпоявлению макротрещины.

Ксожалению, данным методом невозможно проследить весь переход от мелких трещин к макротрещине, поскольку более крупные трещины нельзя зарегистрировать. По этой причине стадия разрушения остается неисследованной. Более перспективным в данном отношении является метод акустической эмиссии.

На рис. 5 приведена кривая накопления трещин при одноосном сжа­ тии композиционного материала, полученного при смешивании кварце­ вого порошка с диаметром частиц ~ 10 мкм и эпоксидной смолы. Кривая накопления трещин аналогична кривой 1 рис. 1—б, что еще раз свидетель­ ствует об общности закономерностей перехода от накопления стабильных трещин к макроскопическому разрушению при достижении некоторой критической концентрации стабильных микротрещин.

Но теперь мы обратимся к детализации перехода от микро- к макро­ разрушению. Информацию об укрупнении трещин можно получить из

Рис. 3. Кинетика накопления субмикротрещин в капроновой пленке под действием по­ стоянной растягивающей нагрузки.

Рис. 4. Диффузное рассеяние рентгеновских лучей в нагруженной капроновой пленке вскоре после выхода накопления трещин на насыщение (/) и в момент появления мак­ ротрещины (2).

197

анализа амплитудного спектра сигналов ЗЭ на различных стадиях накоп­ ления трещин. Согласно данным работы5 ампли­ туда сигнала ЗЭ пропор­ циональна сечению раз­ рыва или размеру трещин.

Результаты анализа показали, что распределе­ ние по амплитудам на различных участках кри­ вой накопления (кривая 2 рис. 5) весьма неравно­ мерно. В течение подав­ ляющей доли времени (~80% ) в образце пре­ имущественно генериру­ ются импульсы с малыми амплитудами, не превы­

шающими некоторых значений Ас. А затем наряду с импульсами малой амплитуды начинают генерироваться импульсы с амплитудами, превы­ шающими Ас. Видно, что подготовительный период охватывает весь ос­ новной по времени участок накопления зародышевых трещин, после чего наступает заключительная стадия разрушения. Она характеризуется на­ растанием амплитуды импульсов, генерируемых образцом, находящимся

гг А*в в предразрывном состоянии. По времени, в долях от долговечности ——,

он занимает малый период в жизни образца под нагрузкой, но является весьма важным для понимания перехода от стадии спокойного накопле­ ния стабильных микротрещин к появлению и развитию крупных неста­ бильных макротрещин.

Факт укрупнения трещин подтверждается и микроскопическим наблю­ дением крупных трещин на третьей самоускоренной стадии разрушения. На рис. 6 представлены фотографии, полученные в разные моменты вре­ мени с участка образца, показанного пунктирной линией на схеме (рис. 7). Фото I соответствует времени выхода кривой накопления на стационарный участок, II — незадолго до развития третьего участка кривой накопления и III — на третьем участке перед макроразрушением. Можно видеть, что заметное число крупных трещин появляется на третьем участке. На рис. 7 приведена схема стадий образования трещин в образце. Эти данные свидетельствуют о том, что переход к макрораз­ рушению идет через укрупнение трещин. Однако пути перехода от ма­ леньких зародышевых трещин к более крупным микроскопическим и далее макроскопическим детально не изучены. В работе6 развивается тео­ ретическая модель укрупнения трещин путем подрастания трещин диск­ ретными шагами, которая находит качественное согласие с эксперимен­ тальными данными по кинетике накопления трещин разных размеров. Второй путь укрупнения, развиваемый в1-2-7, связан с динамическим взаи­ модействием и слиянием более мелких зародышевых трещин при дости­ жении таких концентраций зародышевых трещин, когда средние расстоя­ ния между ними станут соизмеримы с размерами самих трещин. Эти пути не являются взаимоисключающими. Более того, можно полагать, что оба они реализуются. Однако вопрос о том, какой из них является определяющим на той или иной стадии разрушения, весьма важен для построения количественной теории разрушения. Выяснение этого вопроса необхо­ димо также для разработки принципов прогнозирования макроскопиче-

198