Механика композитных материалов 2 1979

Первый, низший, структурный уровень составляют биополимерные макромолекулы тропоколлагена и неорганические кристаллы (рис. 1). Каждая тропоколлагеновая молекула построена из трех левых спираль­ ных полипептидных цепей, образующих правую спираль, стабилизиро­ ванную водородными связями.

Второй структурный уровень составляют коллагеновые микрофиб­ риллы и неорганические кристаллы. Каждая микрофибрилла образуется из пяти спирально расположенных тропоколлагеновых молекул, причем в продольном направлении они уложены ступенеобразно с длиной сме­ щения 65 нм. Их диаметр — 3,5 нм.

Третий структурный уровень составляют волокна, образованные мно­ жеством коллагеновых микрофибрилл и тесно связанных с ними стереохимичсскими связями минеральных кристаллов. Последние расположены как снаружи, так и внутри микрофибрилл и в основном ориентированы вдоль их продольной оси. Преимущественное место локализации крис­ таллов — в зоне между концами тропоколлагеновых молекул. При этом между отдельными кристаллами соседних тропоколлагеновых молекул или микрофибрилл как в поперечном, так и в продольном направлениях также образуются связи. Это доказывается тем фактом, что после депротеинизации костная ткань полностью сохраняет свою внешнюю форму, хотя ее хрупкость резко повышается. Именно эту совокупность органиче­ ских волокон и минеральных кристаллов, на наш взгляд, необходимо рас­ сматривать как армирующий компонент костной ткани. Эти коллагеново­ минеральные волокна уложены в физически нелинейное межфибрилляр­ ное вещество, состоящее в основном из мукополисахаридов и гликопро­ теинов, и оно выполняет роль связующего вещества, т. е. матрицы.

Следует отметить, что при аналитическом подсчете значений модуля упругости или прочности костной ткани как композитной среды нельзя применять традиционный закон смеси. Этот закон не может описать инте­ ресного факта, установленного в экспериментах7: что увеличение содер­ жания минеральных веществ в костной ткани на 8% вызывает прирост ее прочности на 350%. Согласно8 коллагеновые волокна в минерализо­ ванной костной ткани приобретают иную жесткость, выше той, которая имеет место в коллагене сухожилий. Такое упрочнение, не описываемое законом смеси, объясняется повышением плотности поперечных связей в процессе минерализации коллагеново-минеральных волокон.

Четвертый структурный уровень составляют ламеллы — наименьший самостоятельный конструкционный элемент, образующий компактную костную ткань. Ламеллы могут иметь различную конфигурацию — тонко­ стенных пластинок, изогнутых панелей, цилиндрических оболочек; их тол­ щина меняется от 4 до 12 мкм. Отдельная ламелла состоит из коллаге­ ново-минеральных волокон, ориентированных преимущественно в одном, характерном для нее направлении, и соединенных между собой связую­ щим веществом.

Пятый структурный уровень составляют остеоны — конструкционные элементы, образующиеся вокруг кровеносных сосудов, которые включа­ ются в кость при ее развитии. Он состоит из концентрически расположен­ ных ламелл, количество которых в остеоне меняется от 5 до 20. Очень ин­ тересно то, что коллагеново-минеральные волокна в соседних ламеллах образуют между собой угол от 45 до 90°. Ламеллы в отдельном остеоне, как и сами остеоны, соединяются между собой при помощи связующего вещества. Средний диаметр остеонов изменяется от 0,15 до 0,29 мм. По объему средней части толщины компактного слоя кости они образуют пространственно переплетенную систему.

Два первых структурных уровня являются слишком низкими — они рассматривают структурные компоненты практически на молекулярном уровне. Поэтому замена фактически неоднородной среды условно одно­ родной анизотропной средой на этих уровнях связана с существенными

погрешностями. Последние два уровня, в свою очередь, соответствуют уже некоторым самостоятельным конструкционным элементам кости. Поэтому при рассмотрении компактной костной ткани как сплошной среды в качестве основного принимаем третий структурный уровень.

Характер зарождения и дальнейшего распространения трещин в компактной костной ткани определяется именно этим своеобразным, как бы ступенчатым, строением и зависит от ряда факторов. Среди них осо­ бенно важны вид нагрузки, ориентация нагрузки относительно направле­ ния осей упругой симметрии среды, скорость нагружения или деформиро­ вания, а также внешняя конфигурация испытываемых образцов.

При растяжении образцов, нагруженных вдоль продольной оси кости, т. е. вдоль преимущественной ориентации остеонов, поверхность излома наклонена к этой оси под углом от 45 до 90° В условиях медленного на­ гружения наблюдаются так называемое «вытягивание» отдельных остео­ нов из межостеонного (межфибриллярного) вещества и образование неровной поверхности излома. В условиях динамического нагружения эта же поверхность становится более ровной. Линия разрушения в попереч­ ном сечении в основном проходит по наружной поверхности остеонов или даже между ламеллами, а весьма редко — через гаверсовы каналы.

При поперечном изгибе разрушение наступает из-за комбинирован­ ного действия как растягивающих, так и сжимающих напряжений — вы­ тягивания остеонов в растянутой зоне образца и потери устойчивости на­ ружного слоя в сжатой зоне. Однако практически начало разрушения наблюдается всегда в зоне действия растягивающих напряжений.

Образцы, а также фрагменты кости с поперечным подрезом в растя­ нутой зоне разрушаются со значительно меньшей затратой удельной энер­ гии деформации, чем сплошные. Это свидетельствует о том, что значи­ тельная часть удельной энергии деформации уходит на создание трещины с критической длиной. При этом значения коэффициента интенсивности напряжений, необходимые для начала распространения трещин, для об­ разцов компактной костной ткани с продольной и трансверсальной ориен­ тациями различны. Согласно9 усредненное значение коэффициента интен­ сивности напряжений для костной ткани вдоль продольной оси кости

равно около 56 кгс/см2хусм.

При кручении образцов3 с прямоугольным поперечным сечением мак­ роразрушение наступает в момент, когда касательные напряжения в сере­ дине большей стороны достигают своего предельного значения. Для образцов с круглым поперечным сечением10 заранее известного места за­ рождения трещин не установлено. Однако в опытах с этими образцами выявлен характер разрушения костной ткани в зависимости от приложе­ ния нагрузки относительно осей упругой симметрии среды. Разрушение образцов, вырезанных вдоль продольной оси кости, происходит посте­ пенно, с образованием множества микротрещин вдоль системы остеонов. Испытываемый на кручение образец как бы расщепляется на отдельные

Рис. 2. Схематический вид разрушения образцов при кручении относительно продольной (1), трансверсальной (2) и радиальной (3) осей.

340

остеоны или группы остеонов (рис. 2). Разрушение других образцов, вы­ резанных вдоль трансверсальной и радиальной осей симметрии, происхо­ дит хрупко, причем поверхность разрушения направлена к оси образца под углом 45°.

Следует отметить, что характер разрушения костной ткани меняется в зависимости от возраста человека и от возможных патологических из­ менений в кости. Основная особенность разрушения этой ткани в старче­ ском возрасте связана с резким понижением удельной энергии деформа­ ции, необходимой для разрушения, и образованием более гладких поверх­ ностей излома. Последнее указывает на понижение реологической адап­ тации кости к внешним воздействиям с увеличением возраста. На рис. 3 приведены кривые изменения разрушающей сдвиговой деформации y*i2 и разрушающей удельной энергии деформации U*i2 в зависимости от возраста (индекс 1 обозначает направление продольной оси кости, а ин­ декс 2 — трансверсальной оси). Как видно, в возрасте 80 лет величина U*12 по сравнению с юношеским возрастом понижается более чем в два раза.

Рассмотренные различные виды образования поверхностей макрораз­ рушения характеризуют уже окончательное состояние среды при разру­ шающих нагрузках. Однако в процессе деформирования костной ткани, еще задолго до полного разрушения, в ней начинается процесс образова­ ния и постепенного накопления микротрещин. Для их регистрации можно использовать различные физические методы, но, на наш взгляд, наиболее перспективными являются методы акустической и фотонной эмиссии.

Метод акустической эмиссии связан с регистрацией деформационных шумов в изучаемом материале, вызванных возникновением и дальней­ шим распространением дефектов структуры — как дислокаций, так и трещин, появляющихся в процессе деформирования. Основными показа­ телями, которые определяются этим методом, являются суммарное число акустических импульсов N, наблюдаемое в определенный интервал де­ формирования, и интенсивность этой эмиссии Й, т. е. число импульсов в единицу времени. Так как суммарное число импульсов является нелиней­ ной функцией коэффициента интенсивности напряжений, то величина N позволяет судить о близости момента разрушения.

Регистрация акустических импульсов в образцах костной ткани при продольном растяжении позволила установить11, что в процессе нагруже­ ния этой ткани выделяются три участка (рис. 4). На первом участке,

Рис. 3. Зависимость разрушающей сдвиговой деформации у*12 (-0 и разрушающей удельной энергии деформации U* 12 (2) от возраста.

Рис. 4. Зависимость необратимо затраченной удельной энергии деформации W\ (1) и суммарного числа импульсов N (2) от относительного напряжения.

341

когда относительное напряжение стц/а*ц (а*ц = 13,35 кгс/мм2 — разру­ шающее напряжение при растяжении вдоль продольной оси кости) не превышает величины 0,28, наблюдается несущественное проявление шу­ мовых эффектов — лишь около 2% от общего числа импульсов N* к мо­ менту разрушения. Отсутствие выраженной акустической эмиссии в этом диапазоне деформаций можно объяснить как проявление эффекта Кай­ зера в костной ткани, т. е. отсутствие деформационных шумов до уровня напряжения, соответствующего наибольшему напряжению в предысто­ рии нагружения. Следовательно, это напряжение можно принять в ка­ честве физиологического рубежа напряженного состояния большебер­ цовой кости человека.

На втором участке деформирования, когда ац/а*ц изменяется от 0,28 до 0,91, наблюдается линейное увеличение числа акустических импульсов ($1= 20 имп/с=const). Накопленное суммарное число импульсов за пер­ вые два участка деформирования составляет 0,46iV*. На последнем, третьем, участке происходит значительное увеличение интенсивности акустической эмиссии — к моменту разрушения она составляет 210 имп/с. Это, на наш взгляд, вызвано резким увеличением количества микротрещин и их дальнейшим преобразованием в макротрещины.

Сопоставление кривых N —стц/а*ц и необратимо затраченной удельной энергии деформации №1 —011/0*11 показывает, что между ними имеется высокая положительная корреляция (г=0,95). Это подтверждает пред­ положение об энергетическом характере процесса акустической эмиссии.

Наряду с методом акустической эмиссии нами был использован также метод фотонной эмиссии12, связанный с регистрацией рекомбинаций сво­ бодных радикалов, появляющихся при разрыве внутренних связей, а также при возникновении газового разряда в условиях образования но­ вых поверхностей, т. е. микротрещин. Выраженный эффект фотонной эмцссии в костной ткани был установлен лишь на заключительном этапе деформирования (ац/а*ц^0,96). Интенсивность свечения при этом уровне напряжения составила 36 уд. ед. излучения в секунду, а в момент разрушения достигла 58 уд. ед./с. В то же время в искусственных компо­ зитных материалах13 выделение фотонных импульсов начинается при зна­ чительно более низких относительных напряжениях. Например, в стекло­ пластике, армированном послойно под углом ±45° к направлению нагру­ жения, фотонная эмиссия начинается при ац/о*ц = 0,38.

Выявленные особенности разрушения компактной костной ткани по­ зволяют заключить, что композитная многоступенчатая структура этого биополимерного материала обеспечивает ему высокую несущую способ­ ность. Дальнейшие исследования микроразрушения костной ткани на различных структурных уровнях, несомненно, позволят не только глубже понять этот созданный природой материал, но и получить идеи для усо­ вершенствования структур армирования искусственных материалов.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Welch Р. О. The composite structure of bone and its response to mechanical stress. — In: Rec. Adv. Engng Sci., 1970, vol. 5, part 1, p. 245—262.

2. Hermann G., Liebowitz H. Mechanics of bone fracture. — In: Fracture. 1971, vol. 7. N. Y. — Lond., p. 771—840.

3.Кнетс И. В., Пфафрод Г О., Саулгозис Ю. Ж., Лайзан Я. Б., Янсон X. А. Деформатнвность и прочность компактной костной ткани при кручении. — Механика поли­ меров, 1973, № 5, с. 911—918.

4.Кнетс И. В., Саулгозис 10. Ж., Янсон X. А. Деформативность и прочность

3 4 2

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1979, № 2, с. 344—350

УДК 620.179:678.5.06

В. А. Латишенко, И. Г Матис

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗУЧЕНИЯ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ*

Известно, что повреждаемость материала влияет на его механические и физические характеристики. Наиболее распространенными методами изучения повреждаемости — процесса образования и накопления микро­ дефектов — являются методы рассеивания рентгеновских лучей, инфра­ красной спектроскопии, электронной микроскопии и сейсмоакустический. Повреждаемость в более широком смысле — это изменение структуры материала, ведущее к изменению его физико-механических свойств. По­ вреждаемость может быть вызвана несколькими причинами — нагруже­ нием конструкции, старением материала, технологическими несовершен­ ствами и т. п. Для изучения повреждаемости в таком аспекте нами были рассмотрены возможности других, менее известных в области исследова­ ния механики разрушения, методов контроля физико-механических харак­ теристик композитных материалов, в частности акустических, диэлектри­ ческих, тепловых и др. Выбор этих характеристик обоснован инфор­ мативностью их при определении параметров состава и структуры и эффективностью при решении различных задач диагностики прочностных

идеформативных характеристик композитов.

Вотличие от традиционных методов изучения повреждаемости, ис­ пользование указанных характеристик позволяет определить интеграль­ ные показатели повреждаемости, причем непосредственно в самих изде­

лиях, что имеет большое значение при определении их качества. В настоящей работе изложены результаты оригинальных исследований, проведенных в Институте механики полимеров АН Латвийской ССР, по созданию методов и средств определения этих физических характеристик.

Все конструкционные материалы массового производства, в том числе и композитные на основе полимеров, неоднородны. Степень изменчивости механических свойств последних иллюстрируется данными, приведен­ ными в таблице. Как видно, отношение максимальных значений различ­ ных показателей механических свойств к минимальным имеет величину больше двух.

Поэтому решение задач, связанных с обеспечением эксплуатационной надежности ответственных конструкций из армированных пластиков, тре­ бует получения неразрушающими методами достоверной информации о степени соответствия заданным значениям физико-механических свойств композитного материала и параметров их распределения в объеме изде­ лия или конструкции. Это особенно важно, когда требуется высокая на­ дежность конструкции при минимальной ее массе. Разработка новых и усовершенствование ранее разработанных методов и средств диагностики упомянутых свойств материалов основаны на знании зависимостей физи­ ческих и механических характеристик композитных материалов от струк­ турно-технологических параметров. Как показано в работе1, структурная обусловленность физических и механических свойств приводит при опре­ деленных условиях к достаточно информативным и надежным для прак-

Доложено на советско-американском симпозиуме «Разрушение композитных мате­ риалов» (Рига, сентябрь 1978 г.).

3 4 4

Ой, 0 2 2 — прочность при растяжении по направлениям армирования пластика. •Ей, Е22 — модуль упругости по направлениям армирования.

Тзь Т32 — прочность при межслойном сдвиге по направлениям армирования.

тических целей диагностики корреляционным связям между физическими характеристиками, параметрами структуры и показателями механиче­ ских свойств, т. е. П и Ф= ср(5; К\ Т); П и 5 = ф(Ф; К; Т), где П — пока­ затели прочности или жесткости; Ф — физические характеристики (ско­ рость ультразвуковых колебаний, теплопроводность, тепловая актив­ ность, коэффициент светопропускания, диэлектрическая проницаемость и др.)‘, 5 — параметры структуры (коэффициент армирования, коэффи­ циент распределения арматуры по направлениям укладки, пористость, параметры межслойных связей и др.); К — характеристики компонентов (показатели жесткости и прочности компонентов, особенности связую­ щего, вид и особенности свойств арматуры и др.); Т — характеристики технологии (степень натяжения арматуры при намотке, давление прессо­ вания, температурный режим полимеризации и др.).

Для повышения надежности диагностики, как видно из этих зависи­ мостей, физические методы неразрушающего контроля готовых конструк­ ций необходимо применять в комплексе с методами технологического пооперационного контроля свойств компонентов и некоторых технологи­ ческих параметров.

Далее обратимся к результатам экспериментальных исследований из­ менения прочности и ряда других физико-механических характеристик стеклопластика в процессе искусственного старения (путем кипячения в воде), полученным в работе2 и представленным на рис. 1. По оси абсцисс отложено относительное изменение прочности на изгиб в нормированных

гиб исходного образца и образца, подвергающегося старению. По оси ординат отложено относительное изменение физико-механической харак­ теристики в нормированных единицах: у= (у/уо—1) • 100%, где у0, у — значения физико-механической характеристики исходного образца и об­ разца, подвергающегося старению Р.

Как видно из рис. 1, почти все характеристики (за исключением с и Нщ) дают информацию об изменении прочности. Некоторые из них (бКр, Ксв.пр, бизг) более чувствительны к изменению структуры на начальном этапе, некоторые же (еИнч, е'шгц, е" шгц) имеют почти линейную зави­ симость во всем диапазоне изменения структуры стеклопластика.

Как показано в3, в целях диагностики прочности и определения струк­ турных изменений материала из тепловых характеристик эффективно можно использовать тепловую активность — комплексную теплофизиче­ скую характеристику, учитывающую теплопроводность, теплоемкость и плотность материала, когда последняя может быть принята постоянной. Тепловая активность определяется по результатам измерений и записан­ ной диаграмме разность тепловых потоков—время. Поскольку поток

3 4 5

Рис. 1. Зависимости между физическими характеристиками и прочностью на изгиб стеклопластика в процессе искусственного старения: е'пнч, е"инч — диэлектрическая про­ ницаемость и коэффициент диэлектрических потерь в диапазоне инфранизких (0,001—1 Гц) частот; е'1МГц, е"1МГц — диэлектрическая проницаемость и коэффициент

потерь при частоте 1 МГц; ЯИЭг, Нпр — динамические модули упругости, определенные по частоте изгибных и продольных колебаний; G — динамический модуль сдвига; бК, бпэг — декременты крутильных и изгибных колебаний; /(cD.np — коэффициент светопропускания; с — скорость распространения ультразвуковых колебаний.

Рис. 2. Графики зависимостей разности тепловых потоков от времени: 1—3 — при распределенной микропористости; 4, 5 — при наличии дефектов типа расслоений.

тепла в глубь контролируемого материала непрерывно сопоставляется с потоком тепла в эталоне, при наличии неоднородностей структуры по толщине изделия, а также дефектов типа расслоений, непроклеев, трещин, ориентированных нормально тепловому потоку, упомянутые диаграммы позволяют выявить эти дефекты. Анализ этих зависимостей дает информацию не только о наличии неоднородного включения, но также о его размерах и глубине залегания. Иллюстрирует сказанное при­ веденная на рис. 2 диаграмма, отображающая зависимость разности теп­ ловых потоков от времени т.

При отсутствии сосредоточенных дефектов, но при изменении свойств материала, например, из-за наличия распределенной микропористости,

кривые 1—3 зависимости Aq(t) изменяются по закону Д<7]Я= const и раз­ личаются только величиной ординаты Aq. При наличии неоднородностей структуры по толщине изделия, а также дефектов типа расслоений, не­ проклеев, трещин, ориентированных нормально тепловому потоку, на кривых зависимости Aq(t) появляются существенные отклонения (кри­ вые 4, 5 рис. 2). По времени появления отклонения можно определить координату расположения неоднородности по толщине изделия, а по углу наклона кривой — степень влияния неоднородности на тепловую актив­ ность материала.

Для исследования динамики образования микротрещин при пробном нагружении были проведены исследования4 по применению сейсмоакус­

346

Рис. 3. Акустическое излучение при статической нагрузке: 1 — нагружение; 2 — акус­ тическое излучение.

Рис. 4. Зависимость акустического излучения в стеклопластике от величины приложен­ ной нагрузки: 1 — вдоль утка; 2 — вдоль основы. Рр — разрушающая нагрузка.

тического метода. В качестве информативного параметра во всех иссле­ дованиях использовалась сумма амплитуд отдельных акустических им­ пульсов в различных режимах нагружения (W7).

На рис. 3 приведены результаты регистрации акустической эмиссии при постоянной нагрузке во времени; на рис. 4 показано акустическое излучение в зависимости от нагрузки при растяжении стеклопластика. Эти данные свидетельствуют о том, что разрушение материала происхо­ дит с самого начала нагружения на различных уровнях напряжений и продолжается при постоянной нагрузке. Скорость накопления импульсов, свидетельствующих об образовании в стеклопластике элементарных раз­ рывов и микротрещин, растет с увеличением приложенной нагрузки по экспоненциальному закону. Интересно проследить за сейсмоакустическим излучением при первом и повторных нагружениях. Результаты такого эксперимента (рис. 5) показывают, что после разгрузки и повторного на­ гружения до той же величины интенсивность излучения образца с каж­ дым циклом резко уменьшается (кривые 2, 3), если при последующих циклах величина нагрузки не превышает величины предыдущего нагру­ жения. В противоположном случае акустическая эмиссия возрастает со­ гласно тому же закону, что и при первом нагружении (кривая 4).

Для неразрушающего определения всех использованных в наших ис­ следованиях физических характеристик создана соответствующая изме­ рительная аппаратура. Динамические модули упругости, модуль сдвига

347