Механика композитных материалов 3 1983

УДК 620.178:678.067

П. П. Олдырев

ВЛИЯНИЕ ВЛАГИ НА МНОГОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ*

Насыщение влагой оказывает отрицательное воздействие на механи­ ческие свойства композитов с полимерной матрицей [1—3]. Влияние влаги на многоцикловую усталость стеклопластиков изучается с начала распространения в технике этого вида материалов и особенно прис­ тально — в судостроении [4—6]. В зарубежных исследованиях, обзоры которых содержатся в [7, 8], экспериментально показано, что степень снижения прочности, упругих свойств и пределов выносливости компо­

Однако в доступных автору работах не удалось найти каких-либо све­ дений о влиянии влаги на характер накопления повреждаемости в ком­ позитах при циклическом деформировании.

Предложения по количественной оценке влияния влаги на уста­ лость сводятся к различным эмпирическим зависимостям, для исполь­ зования которых требуется получить несколько диаграмм усталости при фиксированных значениях влагосодержания. Но этот путь — весьма трудоемок.

В настоящей статье описываются результаты экспериментального исследования влияния влаги на характер накопления усталостных по­ вреждений, а также дан анализ вазимосвязи пределов выносливости со статическими характеристиками армированных пластиков с целью поисков экспресс-метода оценки влияния влаги.

1. Эффект воздействия влаги на сопротивление усталости композитов при прочих равных условиях определяется физико-химическими свойствами связукЛцего и напол­ нителя, а также видом деформации. Наши опыты*** выполнены на двух материалах, резко различающихся по химическому составу компонентов и способу армирования — эпоксифенольном стеклотекстолите (ЭФС) и однонаправленном эпоксидном органо­ пластике (ОП). Последний имел две модификации — ОП-1 и ОП-2, различающиеся между собой степенью кристалличности армирующих волокон [9]. Волокна в мате­ риале ОП-2 имели более высокую кристалличность.

Образцы испытывали при статическом и циклическом нагружении на чистый плоский изгиб, растяжение и сжатие. Форма и размеры образцов из ЭФС и методика статических испытаний чистым изгибом описаны в [10]. Образцы из органопластика вырезали вдоль волокон. Методика статических и усталостных испытаний их на растяжение и изгиб дана в [11]. На сжатие статическим нагружением испытаны

вии механического воздействия; для ускорения влагонасыщения воду подогревали до

60 ± 8 %.

Доклад, представленный па V Всесоюзную конференцию по механике полимер­ ных и композитных материалов (Рига, октябрь 1983 г.).

** Опыты проведены при участии В. И. Комара и А. М. Малинского.

Усталостное разрушение образцов происходило без появления На поверхности макротрещин и разделения образцов на части — по типу «пластического шарнира». На рис. 4 показаны типичные для изгиба

что позволило использовать се для сокращения трудоемкости испыта­ ний ускоренными методами [15, 16]. Критические температуры разо­ грева Ть в начале макроразрушения, соответствующие началу третьего периода усталости, для всех вариантов состояния ЭФС находились в пределах 50—60° С, а для органопластиков — 38—50° С. При этом меньшие значения Ть относятся к образцам с более высоким содержа­ нием влаги. В диапазоне долговечностей ~ 5 * 1 0 4— 106 циклов Ть для образцов с одинаковой влажностью различались па 3—4°С. Поскольку критический разогрев не превышал температуры перехода компонентов 7П, начало макроразрушения обоих материалов следует отнести к «ме­ ханическому».

Из табл. 2 видно, что насыщение ЭФС до <7= 1% при температурах выше Тп привело к резкому снижению сопротивляемости многоцикло­ вому изгибу, а высушивание лишь частично восстанавливает прочность материала (варианты 2—4). Длительная выдержка стеклопластика при <7= 0,2% и ОП-2 при <7= 2,4% в 1,5— 1,6 раза (варианты 5 и 11) умень­ шила пределы выносливости по сравнению.с увлажнением продолжи­ тельностью менее 30 сут. Анализ результатов опытов показал, что статистический разброс данных по долговечности у обоих пластиков примерно вдвое больше для образцов после длительного увлажнения. Таким образом, влага со временем усиливает влияние дефектности материала.

Влияние влажности на дсформативность и накопление усталостных повреждений изучалось на ЭФС и ОП-1. Для этого в процессе испы­ таний измеряли максимальные амплитуды деформаций в, как описано в [10]. На рис. 5 показаны типичная кинетика изменения значений в, температуры разогрева Т и поврежденности П органопластика. Послед­ нюю определяли по снижению циклического модуля упругости [10, 17].

ставлены на рис. 6—а, а соответствующие этим деформациям повреж­ дения Па и П/> — на рис. 6—б. Как и полученные ранее для стекло­ пластика [ 10] и органопластика [ 11], деформации в начале макрораз­ рушения вь оказались практически одинаковыми для всех значений амплитуд напряжений а. Из рис. 6 видно, что повышение влагосодержания уменьшает критические значения деформаций гь и повреждае­

Постоянство деформаций гь и уменьшение прочности при увлажне­ нии наблюдается и у ЭФС. В табл. 3 приведены средние значения е/„ Пь и циклического модуля упругости Еь в начале макроразрушения, полученные в опытах для долговечностей 105 и 106 циклов. Эффектив­ ные напряжения с учетом накопленных повреждений подсчитаны по формуле о:)ь = о/(1 —П). Сравнение значений сг:)/, с соответствующими пределами пропорциональности (см. табл. 2) показывает, что у неув-

Увеличение а:,/>/а* с повышением <7, а тем более превышение аы, над а*, по-видимому, является следствием небольшого высушивания зоны раз­ рушения образца за счет разогрева. Стеклоткань у ЭФС способствует разрыхлению материала в очаге разрушения больше, чем органическое волокно у ОП-1. Об этом можно судить по отношению аа&/а*, которое

ствующих базам 105 и 10б циклов для всех вариантов состояния ЭФС составляет 1,18±0,017, для ОП-1 — 1,135 и ОП-2 — 1,085. Эта законо­ мерность может быть использована для сокращения объема усталост­ ных испытаний при оценке влияния влаги на пределы выносливости.

3.Осевое нагружение с частотой 20 Гц осуществлялось на гидропульсаторе

ЦДМ-ЮПУ растяжением с коэффициентом асимметрии цикла /? = 0,1 и сжатием с /?=10. Испытания проводились в режиме мягкого нагружения при наличии гистере­ зисного разогрева. Контроль циклической нагрузки на образец и асимметрии цикла осуществляли по шлейфовому осциллографу. Температура образца измерялась термо­ парами с точностью 0,3° С. Образцы были изготовлены из однонаправленного органо­ пластика типа ОП-1 несколько улучшенной технологии. Методика подготовки образ­ цов (влагонасыщенне, парафинирование, хранение) аналогична описанной. Материал

серии составляла не более 30 сут. Разрушение образцов при статическом сжатии

и сжатии представлены в табл. 4. Пределы пропорциональности а* определялись так же, как при изгибе. Из табличных данных видно, что увлажнение практически не сказывается на соотношении статических

около 20%, а предел пропорциональности на сжатие деградирует почти в три раза интенсивнее, чем на растяжение. Таким образом, и при осе­ вом деформировании наиболее чувствительной к влаге характеристи­

В знаменателе указаны значения коэффициентов вариации для каждой харак­ теристики (в процентах).

ставлены на рис. 7, а амплитудные значения пределов выносливости для 105 и 106 циклов приведены в табл. 4. Кинетика температуры разо­ грева образцов при R = 10 аналогична кривой разогрева, представлен­ ной на рис. 5 для чистого изгиба. Критические температуры разогрева были в пределах 7^ = 31-f-39° С, а в момент разрушения температура достигала 45—50° С.

Особенностью процесса усталости данного материала при R = 10 яв­ ляется быстрый переход от начала макроразрушепия к полному раз­ рушению, которое определялось по образованию «пластического * шар­ нира». Поэтому третий период усталости имел относительно неболь­ шую продолжительность по сравнению с режимом R = 0,1. Другая осо­ бенность разрушения однонаправленного композита при R = 10 — боль­ шая чувствительность к начальным дефектам материала и к погреш­ ностям в соосности установки образцов на испытательной машине.

Амплитуды пределов выносливости при знакопостоянном растяже­

создавали значительный разогрев. Критическая температура Ть нахо­ дилась в пределах 60—75° С, при этом более низкие температуры соот­ ветствуют более высокому содержанию влаги. Разница в Ть образцов одной серии .увлажнения для уровней напряжений, соответствующих долговечностям 5• 104— 106 циклов, составляет 3—5°С: при больших о разогрев выше. В момент разрушения температура образцов дости­

O(J/OR сохраняется равным с погрешностью не более 1%. Диапазон на­ пряжений, соответствующих долговечностям N\ и N2, для всех значе­ ний q при растяжении составляет (l,048±0,002)a/V и сжатии —

(1,062±0,003)(JAV т . е. практически постоянный для данного вида де­ формации.

4. На рис. 8 графически представлены результаты исследования за­ висимости OR(q) для органопластика ОП-1 при изгибе и осевом нагру­ жении. Эти графики можно описать степенными эмпирическими форму­ лами. Такое описание будет иметь ограниченную применимость, по­ скольку сопротивление усталости армированных пластиков зависит от множества иных факторов.

Для надежной оценки влияния влаги на усталость в конкретных условиях эксплуатации материала желательно воспользоваться какимлибо экспериментальным методом, позволяющим быстро получить не­ обходимые данные. Выше отмечалось, что для этой цели можно вос­ пользоваться подобием кривых усталости. В этом случае потребуется получить кривую усталости для определенной влажности, например, обычной — при хранении материала в комнатных условиях, а затем для заданной степени увлажнения по 5 образцам определить при тех же условиях нагружения предел выносливости, соответствующий долго­

ческими параметрами материала и пре­ делами выносливости, как это сделано для оценки влияния температуры на ус­ талость органопластика [ 11].

Рис. 8. Зависимости пределов выносливости ор­

Коэффициенты усталости

О плотности корреляции будем судить по рассеянию коэффициентов усталости /С= сгн/р, где р — одна из статических характеристик плас­ тика (о11, а* или Е). Разумеется, статические параметры и пределы вы­ носливости следует брать для идентичных деформаций и одинаковых значений q. Значения коэффициентов усталости по прочности — Кп, пределам пропорциональности — К* и модулям упругости — КЕ для всех вариантов увлажнения сведены в табл. 5.

Анализ значений К для стеклопластика ЭФС показывает, что мини­ мальное различие и, следовательно, наилучшая корреляция между oR изгиба и статическими характеристиками наблюдаются по К*. При этом значения К* с точностью до 5% совпадают для вариантов 1 и 2 и отдельно для вариантов 3 и 4; между вариантами 1, 2 и 3, 4 сущест­ вует лишь грубое соответствие. Это вызвано тем, что насыщение влагой

3, 4, что указывает на необратимую деградацию стеклопластика при длительном воздействии влаги. Аналогично изменяются значения К и при длительном увлажнении органопластика (вариант И ). Таким об­ разом, надежная корреляция между oR и К* сохраняется только в том случае, если при изменении влагосодержания не происходит существен­ ных изменений в структуре материала. Такие условия нередки при ис­ следовании и применении композитов. Если же изменения структуры значительные, следует воспользоваться способом, основанным на подо­ бии кривых усталости.

Для проверки влияния вида деформации на характер корреляции между oR и р определим разброс значений /С, полученных для органо­ пластика ОП-1 при изгибе, растяжении и сжатии, соответствующих ва­ риантам б—8, 12— 15 и 16— 18 табл. 5. Оценку разброса сделаем по коэффициентам вариации vR. Значения vR приведены в табл. 6, из ко­ торой следует, что для всех видов деформаций наиболее надежная корреляция механических характеристик при любой степени увлажне­ ния органопластика существует между oR и a* (vK= 1 — 5 , 5 % ). Это не случайно, так как при переменном напряжении сг^о* происходит нару­ шение сплошности композитов или же появляются высокоэластические