Механика композитных материалов 3 1979

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1979, № 3, с. 459—465

УДК 539.4:678.5.06

А. Р. Бюнсель

ПРИРОДА РОСТА ТРЕЩИН В КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ*

При изучении разрушения какого-то материала естественно использо­ вать теории разрушения, успешно приложенные к другим материалам. Так, известны попытки распространить теории и идеи, пригодность кото­ рых была доказана для стекла и металлов, на композитные материалы1-3. Применение теорий, рассматривающих трещинообразование в однофаз­ ном материале, к композитам может быть полезным, однако следует учи­ тывать, что подразумеваемый вид распространяющейся трещины может быть далек от действительного в силу того, что наличие волокон часто приводит к отклонению трещин. Поэтому необходимы исследования фи­ зического механизма разрушения самих композитов.

Асбестоцемент. Цемент, армированный беспорядочно распределен­ ными волокнами асбеста, представляет собой композитный материал, долгое время предшествовавший также композиту — смоле, армирован­ ной стекловолокном. Цемент — хрупкий материал, имеет очень малую прочность на растяжение, не обладает пластичностью и легко растрески­ вается; он удобен при изучении теорий механики разрушения4. Волокна асбеста добавляют в цемент для улучшения его свойств, в частности для увеличения трещиностойкости. Объемная доля волокна обычно состав­ ляет примерно 6%.

Было проведено экспериментальное исследование на образцах (рис. 1), позволившее наблюдать медленный рост трещины и изучать этапы кривой изменения нагрузки (рис. 2).

Акустическая эмиссия показывает, что существуют четыре этапа рас­ пространения трещины в асбестовом цементе5. Активная акустическая эмиссия начинается в точке А в зоне линейной упругости и показывает, что в этой точке образуются микротрещины впереди надреза. Коэффи­ циент интенсивности напряжения, связанный с созданием этой зоны мик­ ротрещин, обозначим Ко. В точке нелинейности В зона микротрещин до­ стигает определенных размеров, и трещина начинает медленно распро­ страняться. В это время зона микрорастрескивания увеличивается в

Рис. 1. Форма образца для испытания на разрушение. H/w= 0,4; В /Д —0,7.

Рис. 2. Диаграмма раскрытия трещины в асбестоцементе (а) и кривая акустической эмиссии (б).

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

459

размерах до точки С, после чего она остается неизменной. Во время рас­ пространения трещины можно наблюдать вытягивание волокон асбеста из матрицы цемента поперек главной трещины (рис. 3).

Деформирование волокон в зоне микротрещин (перед трещиной) ц вытягивание волокон — все это действует как механизм поглощения энер­ гии и увеличивает ударную вязкость и сопротивление материала распро­ странению трещины. Эти два механизма дополняют друг друга в начале медленного роста трещины, а после точки С при распространении тре­ щины расположенные перпендикулярно ей волокна асбеста продолжают, вытягиваясь, оказывать механическое сопротивление. В точке D раскры­ тие трещины соответствует максимальной длине связывающих ее волокон асбеста. С этой точки сопротивление материала трещине остается посто­ янным, но поскольку испытание проводится при увеличивающемся пере­ мещении, образец быстро разрушается.

Так как трещина развивается в матрице цемента, измененной введе­ нием волокон, этот тип композита представляется нам пригодным для ис­ пользования механики линейного упругого разрушения, согласно кото­ рой вязкость разрушения выражается как

Кс=У(Ус2а,

где Ос — разрушающее напряжение; а — длина трещины.

В работе6 скорость освобождения энергии G связана с Кс и показано, что Kc2 = EGc, где Е — модуль упругости материала.

Нестабильное распространение трещины происходит в том случае, когда скорость освобождающейся энергии равна или больше энергии, тре­ буемой для образования новых поверхностей разрушения.

Присутствие волокон предотвращает образование микротрещин и рас­ крытие магистральной трещины; возникающий тормозящий эффект выра­ зим коэффициентом /Сг, тогда коэффициент интенсивности напряжения KR, необходимый для распространения трещины, можно представить как сумму KR = Ko + Kr, где Ко — коэффициент интенсивности напряжения для матрицы с волокном.

Эта ситуация аналогична модели, предложенной в7, где зона пласти­ ческой деформации в металле впереди трещины заменена сжимающим давлением у вершины воображаемой трещины, которая является продол­ жением реальной трещины. Для металла это давление вводится для того, чтобы сохранить упругую модель; этим учитывается понижение напряже­ ния, обусловленное пластической податливостью в вершине трещины. Для асбестоцемента такое давление Р вполне реально обусловлено со­ противлением армирующих волокон, поперечных к магистральной тре­ щине и находящихся в области развития микротрещин.

Рис. 3. Вытягивание иолокон асбеста, соединяющих края магистральной трещины.

460

Учитывая выражение коэффициента интенсивности напряжения, пред­ ложенное в8 для модели Дагдейла, имеем следующее выражение для KR:

где do — начальная длина трещины; а = ао+ Да (Да — удлинение тре­ щины); зона микротрещин размера Z представлена воображаемым ли­ нейным удлинением трещины на aZ, где а < 1 ; Р — давление.

В9 было показано, что приведенное выражение, основанное на меха­ нике упругого разрушения, в целом правильно объясняет распростране­ ние трещины в цементе, армированном асбестом. Объясняется это тем, что рост трещины похож на явление, наблюдаемое в неармированной хрупкой матрице, а короткие асбестовые волокна обеспечивают поглоще­ ние энергии, так как тормозят (задерживают) раскрытие трещины. Раз­ рушение композита контролируется растрескиванием матрицы цемента, во время которого короткие волокна асбеста выдергиваются из матрицы.

Бороалюминий. В отличие от асбестоцемента, коэффициент армиро­ вания бороалюминия составляет 40—50%, поэтому свойства бороалюминия определяются свойствами непрерывных волокон, расположенных в однонаправленных слоях с матрицей из алюминия. Чтобы разрушить композит, необходимо разрушить волокна, хотя установлено, что меха­ ника разрушения зависит от типа сплава алюминия. Изучены три вида сплавов — 1200, 6061 и 2024 — с возрастающим пределом упругости. В такой же последовательности увеличивается степень упрочнения пере­ численных сплавов алюминия при циклическом нагружении.

В результате наблюдения распространения трещины на однонаправ­ ленных образцах бороалюминия установлено, что образец разрушается либо катастрофически мгновенно, без четкого распространения трещины, либо трещина отклоняется и появляется растрескивание, параллельное волокнам бора. Испытания, имитирующие ударные нагрузки, которые могут появиться, показывают, что растрескивание происходит вследствие разрушения волокон бора вблизи точки удара10. Матрица может дефор­ мироваться пластично, а армирующее волокно разрушается хрупко при изгибе, что ослабляет композит и может вызвать полное разрушение об­ разца.

Изучение распространения трещины в образцах бороалюминия при циклическом нагружении проводили при изгибе с вращением. Усталост­ ные испытания надпиленных и не надпиленных образцов бороалюминия, имеющих самую мягкую матрицу 1200, выявили растрескивание, парал­ лельное волокнам, сопровождающееся их разрывом. Некоторые волокна бора могут быть разрушены во время горячей штамповки, а наиболее слабые волокна (по гистограмме распределения прочности) разрушаются на начальном этапе нагружения образца. Распространение трещины мо­ жет проходить в матрице, не затрагивая межфазной границы раздела матрицы и волокна11. В этом случае единичные разрушения волокна мо­ гут считаться изолированными и не приводят к возникновению сильной концентрации напряжений в композите.

Трещины в образцах с матрицей 6061 возникают в местах разрушения волокон; при этом трещины идут под прямым углом к направлению во­ локна (рис. 4). Когда фронт трещины доходит до волокна, он обходит его, не разрушая. В предельном случае разрушение одного волокна мо­ жет привести к разрушению матрицы во всем сечении образца. Соответ­ ствующее уменьшение прочности распространяется только на слой с тол­ щиной, равной критической длине волокна /с, так что ac~a/V 7//c, где (Те — разрушающее напряжение композита; У/ — объемная доля волокон; (Г/ — прочность пучка волокон длиной /с.

461

Поведение бороалюминия с матрицей 2024 определяется влиянием вы­ сокого предела текучести матрицы; это вызывает концентрацию напря­ жений в волокнах, соседствующих с разрушенными. При испытании на простой изгиб было установлено11, что разрушаются волокна во внешнем слое, находящемся в состоянии растяжения; при этом матрица не растре­ скивается.

На рис. 5 показан ряд разрушенных волокон внешнего слоя композита с матрицей 2024 после циклического нагружения (число циклов 4- 104). Разрушение начинается с разрыва одного или двух волокон, после чего происходит прогрессирующее разрушение близлежащих волокон. Разру­ шение в нескольких местах двух волокон иллюстрирует возможность мно­ гократного разрушения волокон в композите на расстоянии, равном или большем половины критической длины. Для облегчения изучения уста­ лостного разрушения композита В-2024 материал предварительно под­ вергали термической обработке, чтобы ослабить волокна. Усталостное повреждение в таком материале заключается в разрушении волокна, раз­ рушении соседних волокон из-за нагрузки, переданной посредством матрицы, разрушении мостика матрицы.

Волокна разрушаются не из-за трещины в матрице, а из-за передачи нагрузки матрицей от разрушенного волокна к неразрушенным. Цикли­ ческое упрочнение матрицы 2024 приводит к запаздывающему разруше­ нию волокон, поскольку оно вызывает увеличение концентрации напря­ жений.

В11 показано, что п рядом стоящих разрушенных волокон вызывают следующую концентрацию нагрузки на соседнее неразрушенное волокно:

Эта формула получена для упругого случая. Для пластической матрицы, такой, как В-2024, концентрация нагрузки меньше. Упрочнение матрицы постепенно увеличивает эту концентрацию напряжений и вызывает даль­ нейшее разрушение волокон.

Когда соседние волокна разрушены дефектами или надрезом длиной 2а при общей ширине образца w, предел безопасных напряжений onct с уменьшенном поперечном сечении w — 2а определяется неравенством

462

вило, начинается с волокна, а для сплава 2024 распространение трещины в матрице может проходить в отдельных местах в направлении, противо­ положном направлению магистрального разрушения.

Эпоксидный углепластик. Волокна углерода обладают свойствами, аналогичными свойствам волокон бора, но они намного тоньше — всего 7 мкм, в то время как диаметр волокон бора составляет 140 мкм. Боль­ шое количество волокон в углепластике делает невозможным изучение их разрушения прямым способом, примененным для бороалюминия, хотя и было показано12, что разушение волокон можно обнаружить по всему об­ разцу после его нагружения. Простое распространение трещины через матрицу и волокна в этом материале кажется неправдоподобным. В ка­ честве косвенного метода регистрации повреждений углепластика может быть использован метод акустической эмиссии, который при помощи со­ ответствующего оборудования позволяет записывать волны напряжений, создаваемые появлением повреждений в материале. Было показано, что при монотонном нагружении ненадрезанных однонаправленных образ­ цов эмиссия начинается в точке, соответствующей разрушению самых слабых волокон; в дальнейшем эмиссия увеличивается, так как растет число разрушенных волокон. Это значит, что большая доля эмиссии вы­ звана разрушением волокна. Обычно в композите объемная доля волокон достигает 60—70%.

На рис. 6 показаны диаграммы деформирования образцов углеплас­ тика прямоугольной формы с отвержденным и неотвержденным связую­ щим, а также диаграмма деформирования аналогичного по форме об­ разца без связующего (состоящего из пучков угольных волокон).; там же приводится кривая акустической эмиссии образца углепластика. Из ри­ сунка видно, что большая доля эмиссии обнаруживается в области, соот­ ветствующей нелинейной части диаграммы деформация—напряжение для пучка волокон; это позволяет утверждать, что вероятным источником эмиссии пластика является разрушение волокон.

Рис. 5. Ряд разрушенных волокон в бороалюмннни с матрицей 2024 при циклическом нагружении на базе 4- 104 циклов.

Рис. 6. Типичные диаграммы деформирования образцов углепластика с отвержденным

(/) и неотвержденным (2 ) связующим, а также диаграмма деформирования пряди угольных волокон (3). Кривая акустической эмиссии (4) и распределение предельных деформаций углепластика (5).

463

При циклическом нагружении основная часть эмиссии появляется во время первого нагружения. Во втором цикле эмиссия не возникает, пока не достигнута предыдущая максимальная нагрузка. Повторяющееся нагружение ведет к уменьшению эмиссии с каждым циклом вплоть до полного исчезновения13.

На рис. 7 показана акустическая эмиссия, записанная при цикличе­ ском нагружении сосуда высокого давления внутренним давлением. Даже при нагрузках, составляющих 90% от разрушающей, эмиссия уменьшается при увеличении числа циклов и в конечном счете пропадает. Эмиссия является результатом необратимых повреждений, которые на­ капливаются во время циклического нагружения; если образец, подвер­ женный предварительно циклическому нагружению до полного затуха­ ния эмиссии, нагружать затем монотонно, то сначала эмиссии нет, пока напряжение не превысит примерно на 4% амплитудное значение пред­ шествующих циклических напряжений (рис. 8). После этой точки ско­ рость эмиссии быстро возрастает и достигает значений, соответствующих эмиссии образца, не подвергавшегося предварительному циклическому нагружению.

Объяснить описанные выше явления ростом трещины нельзя; повреж­ дение вызывается разрушением волокон сначала в случайных местах, затем в более концентрированных зонах, так как напряжения вокруг мест разрывов увеличиваются и вызывают дальнейшее разрушение. Окон­ чательное разрушение образца происходит, когда некоторая зона об­ разца оказывается достаточно ослабленной взаимодёйствием разруше­ ний волокон.

Неупругость матрицы приводит при циклическом нагружении к пере­ распределению напряжений в компонентах пластика, вследствие кото­ рого напряжения в волокнах увеличиваются. Временная зависимость свойств матрицы вызывает также изменение области перераспределения напряжений вокруг каждого разрыва волокна и последующего взаимо­ действия разрывов волокон.

Установлено, что при действии постоянной нагрузки даже при отсут­ ствии деформаций ползучести у образца, нагруженного в направлении армирования, акустическая эмиссия может продолжаться длительное время после приложения нагрузки. Скорость эмиссии уменьшается во времени; полное число импульсов может быть описано уравнением

Рис. 7. Диаграмма малоциклового нагружения (19 циклов) сосуда высокого давления до разрушения и акустическая эмиссия (АЭ). Р — разрушение.

Рис. 8. Акустическая эмиссия (АЭ) при непрерывном монотонном нагружении (/) циклическом нагружении (2) с последующим монотонным нагружением (5). Р — разру­

шение.

464