1371

Конечно, если поведение материала обусловлено в основном действием главного сжимающего напряжения, то, вероятно, рост повреждений и, может быть, их инициирование опре­ деляются местной или общей потерей устойчивости. Более подробно к этому вопросу обратимся при обсуждении нагру­ жения сжатием.

2.1. КВАЗИИЗОТРОПНЫЕ СЛОИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ

Одна из наиболее распространенных укладок, применяе­ мых в конструкциях из композитов, — квазиизотропная,обра­ зуется повторением группы слоев типа [0, 90, ±45]s или воз­ можных их вариаций. В рамках нашего рассмотрения пред­ положим, что для некоторой области применения приемле­ мый срок службы при усталостном нагружении составляет

Рис. 1. Снижение приведенной жесткости эпоксидного графитопластика (по оси ординат) с квазиизотропной укладкой в зависимости от числа циклов нагружения (по оси абсцисс).

100 000 циклов. Максимальная амплитуда для этой продол­ жительности при циклическом растяжении будет составлять около 0,7 от предельного напряжения данного слоистого ком­ позита при квазистатическом нагружении. Если такой слои­ стый композит нагружен (с максимальной амплитудой на­ пряжения) с частотой около 10 циклов в секунду в режиме задания нагрузки, то можно ожидать, что жесткость образца изменится, как показано на рис. 11}.

Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации 113

Представленная зависимость типична в том смысле, что на ней наблюдается начальное падение жесткости в ранней стадии, сопровождаемое длительным периодом менее интен­ сивного изменения жесткости с последующей резкой, быстро нарастающей потерей жесткости в конце срока службы вплоть до разрушения. Величины изменения, показанные на рис. 1, также типичны: от 4—5 % в первой области до 18—20%, обычно наблюдаемых к моменту разрушения. С точки зрения структурного подхода изменение жесткости

IГ

Рис. 2. Схематическое представление концепции изменения жесткости для фиксированного уровня предельной деформации.

является чрезвычайно важной характеристикой накопления повреждений в слоистых композитах.

Природу этого изменения жесткости можно пояснить, ис­ пользуя рис. 2. Предположим, что максимальное циклическое напряжение, при котором после значительного числа циклов наступает разрушение, равно оа. Если деформация к моменту разрушения та же, что и при квазистатическом нагружении, или больше, как это предполагается в работах [6, 18], то мо­ дуль упругости снизится от Ео до Ei, как на рис. 2. Из этого можно предположить, что при усталостном испытании с по­ стоянной амплитудой напряжения, которое поддерживается на уровне, скажем, 70 % от предельного квазистатического напряжения, будет наблюдаться снижение жесткости при­ мерно на 30 %. Подобное рассуждение, если образец в конце концов разрушился, зависит не от того, является ли слоистый композит преимущественно волокнистым или нет, а от того, насколько точно измерен и записан модуль. Как предпола­

произойти на последних стадиях циклического нагружения. Если жесткость измеряется периодически или только в ко­ роткий завершающий период нагружения, то большая часть изменения не будет зафиксирована. Кроме того, довольно значительные изменения могут происходить и в начальной стадии испытания. Если жесткость не точно измерена в на­ чале испытания или в течение первых циклов, когда уста­ навливаются параметры испытания и достигается заданная амплитуда, то изменение жесткости также может остаться незамеченным. В связи с этим следует обеспечивать работо­ способность и точность применяемых измерительных прибо­ ров в течение длительного времени, обычно необходимого для циклических испытаний, и использовать методы измере­ ний, соответствующие поставленной задаче. При организа­ ции измерений надлежащим образом большие изменения же­ сткости, подобно показанным на рис. 2, как правило, фик­ сируются в процессе экспериментов. Следовательно, такие изменения жесткости являются параметром, который можно использовать для неразрушающего контроля и оценки сте­ пени развития повреждения в процессе усталостного нагру­ жения изделий из слоистых композитов.

Кинетика развития усталостного повреждения на кромке изучалась с помощью метода реплик. Детально рассмотрены образцы с укладкой [0, 90, ±45] s на различных этапах уста­ лостного нагружения. Реплики снимали с образца, закреплен­ ного в нагружающем устройстве, под действием статической нагрузки в паузе между временно прерванным циклическим нагружением. К кромке образца прикреплялась полоска лен­ ты из ацетата целлюлозы длиной 25,5 мм, под которую вво­ дили небольшое количество ацетона.

Размягченная ацетоном лента под действием небольшого давления затекает в детали поверхности кромки и после сушки образует точную реплику поверхности. Как показы­ вают реплики, трансверсальные трещины развиваются в мат­ рице слоев, ориентированных под углом к оси нагружения, и проявляются в самом начале нагружения, когда наблю­ дается снижение жесткости всего на 2 %. Трещины в матрице обычно пронизывают толщину слоев, которые уложены не в направлении главной оси нагружения, распространяются вдоль волокон и обычно пересекают весь образец по ширине. В простейшем случае трещины появляются, когда нормальное напряжение, действующее перпендикулярно волокнам в слое, превышает величину, предельную для данного направления.

При усталостном нагружении образцов и при работе эле­ ментов конструкции из композита в реальных условиях число

Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации 115

трещин в слое часто достигает предельного значения. Это яв­ ление иллюстрируется на рис. 3, где по оси абсцисс отложен шаг сетки трещин в слое (—45°)-слоистого композита [0,90, ±45]s (A-S/3501-5) как функция уровня квазистатического нагружения или числа циклов при нагружении с амплиту­ дой, равной 2/3 предельного напряжения {R = 0,1). Как видно, трещины появляются после непродолжительного цик­ лического нагружения и их число быстро стабилизируется

сга ,Ш а

Рис. 3. Шаг сетки трещин в слое (—45°)-эпоксидного графитопластика с укладкой [0, 90, ±45]s в зависимости от уровня квазистатического (□)

или циклического (О) нагружений.

после образования практически неизменной сетки с постоян­ ным шагом. Однако удивительно то, что аналогичный про­ цесс наблюдается и при квазистатическом нагружении в том смысле, что трещины появляются в узком диапазоне значе­ ний нагрузки и их число быстро стабилизируется с образова­ нием сетки с тем же шагом, что и в сетке усталостных тре­ щин. В действительности эти обе структуры являются по су­ ществу идентичными массивами регулярных трещин в слое независимо от истории нагружения. Такого рода поведение наблюдается и у слоистых композитов других типов.

Для случая растрескивания матрицы слоистых компози­ тов со слоями, ориентированными под углом к направлению нагружения, назовем эти сетки трещин «характерным состоя­ нием повреждения» (characteristic damage states — CDS) [27]. Наличие характерных состояний повреждения является свойством слоистого композита в том смысле, что полностью определяется характеристиками отдельных слоев, их толщи­

116 К. Рейфснайдер

ной и последовательностью укладки слоев с разной ориента­ цией. Это свойство не зависит от внешних переменных, таких, как история нагружения, параметры окружающей среды (за исключением тех случаев, когда они влияют на свойства слоя) и внутреннего состояния материала, например остаточ­ ных напряжений или напряжений, вызванных действием влаги. Более детальное обсуждение характеристических со­ стояний повреждения можно найти в работах [14, 19, 27—30]. Хотя характерное состояние повреждения возникает как при квазистатическом, так и при усталостном нагружениях, оно достигается не во всех слоях композита, находящегося под действием квазистатической нагрузки. Следует отметить, что рассматриваемые сетки трещин не снижают остаточной проч­ ности слоистого композита в целом, поскольку трещины по­ являются в квазистатическом режиме нагружения до разру­ шения образца.

Итак, мы показали, что снижение жесткости образца в начальный период испытания на растяжение (ожидаемое приблизительно в период до 1/5 срока службы элемента кон­ струкции из композита) связано в первую очередь с растрес­ киванием матрицы слоев композита, непараллельных направ­ лению нагружения. При увеличении числа циклов нагруже­ ния за пределы 4 %-ного снижения жесткости (рис. 1) на­

ляется предвестником прогрессирующего процесса поврежде­ ния, связанного преимущественно с расслоением кромок, ко­ торый, по-видимому, характерен для средней области кривой изменения жесткости.

При снижении жесткости на 8 % области расслоения до­ стигают поверхностей раздела слоев 0°/90° и значительно уве­ личиваются. Области расслоения большой протяженности об­ наружены на поверхностях раздела слоев +450/ - 45° В слои­ стом композите на этих поверхностях раздела развиваются максимальные межслойные сдвиговые напряжения тхг■Можно ожидать, что подобное напряженное состояние является глав­ ной причиной, обусловливающей появление и распространение расслоения на поверхностях раздела слоев + 45°/—45° При снижении жесткости материала на 12 % расслоение, распро­ страняющееся вдоль кромки, завершается полностью, а образовавшиеся области расслоения растут по ширине образца. После снижения жесткости образца на 15% в области кромок уже не удается выделить разные виды разрушения.

Расслоение является весьма типичным видом поврежде­ ния изделий из слоистых композитов, которые имеют свобод­

Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации 117

ные кромки в области вырезов и соединений. Этот вид по­ вреждения слоистых композитов можно считать наиболее полно исследованным и подробно описанным [21].

Расслоение кромок квазиизотропных слоистых компози­ тов можно наблюдать методом рентгенографии. Рентгено­ граммы снимаются в промежутках между циклическими на­ гружениями, после снижения жесткости до определенных уровней. Для получения снимка образец демонтировали с на­ гружающего приспособления. Для усиления эффекта рас­ слоения кромки смазывали водно-спиртовым раствором йоди­ да цинка. Далее образец устанавливали в нагружающее устройство и подвергали его нагружению силой 1300 Н, чтобы получить достаточную контрастность трещин для наблюдения в рентгеновских лучах. Хорошие рентгенограммы получены при напряжении 25 кВ и токе 20 мА; время выдежки 30 с.

На снимке образца в исходном состоянии отчетливо раз­ личимы следующие детали: повторяющиеся темные горизон­ тальные или диагональные линии — отображения слоев, обус­ ловленные процессом изготовления; нерегулярные темные пятна — поры. После 32 000 циклов нагружения, вызвавших снижение жесткости на 6 %, картина меняется. Темные линии в направлениях +45°, —45°, 90° соответствуют трансверсаль­ ным трещинам. Линиями отсчета для реплик с поверхности кромок служили две горизонтальные метки между опорами экстензометра, проведенные на поверхности образца черни­ лами. Трещины в направлении —45° на снимке выглядят тем­ нее, поскольку они соответствуют двойной толщине слоя —45° Трещины в матрице других слоев также четко разли­ чимы. Темные области вблизи кромок указывают на началопроцесса расслоения.

Завершающие рентгенограммы снимаются перед разруше­ нием. В рассмотренном примере образец после нагружения потерял 18 % жесткости. Частота следования трансверсальных трещин соответствует насыщению, а область расслоения в не­ которых местах распространилась почти на половину ширины образца. Эта ситуация типична для образца, который в ре­ зультате циклического нагружения близок к разрушению. Ширина образца равна 25 мм. Расслоение в реальной конструкции не будет ограничено столь узкой областью и рас­ пространится на гораздо большее расстояние. Не вызывает сомнения, что расслоение снижает прочность и жесткость об­ разцов, воспринимающих растягивающие нагрузки, и может привести к снижению жесткости и прочности конструкций из слоистых композитов. Подробнее этот вопрос рассмотрен в следующем разделе.

К. Рейфснайдер

Многообразие видов повреждений, появление которых можно ожидать в слоистых композитах, применяемых в эле­ ментах конструкций, действительно очень велико. Кроме

Рис. 4. Схема расположения первичных трансверсальных и вторичных продольных микротрещин в матрице слоистого композита с укладкой [0,90],.

основной сетки трещин матрицы, которые пронизывают по толщине слои растягиваемого образца, ориентированные под углом к направлению нагружения, появляется целая сеть микротрещин весьма ограниченной протяженности, которые, по-видимому, образуются на поверхности раздела между слоями, ориентированными под углом к направлению нагру­ жения и перпендикулярными основным трещинам матрицы в смежном слое. Действительно, хотя эти микротрещины рас­ пределены по всему слою, они имеют тенденцию концентри­ роваться вблизи трансверсальных трещин в смежных слоях. Схематически система таких трещин показана на рис. 4.

Читателю, которого интересует вопрос о наличии таких трещин в конструкциях из композитов, следует отметить для себя следующее. Во-первых, как было указано ранее и будет более подробно рассмотрено в следующем разделе, наличие этих микротрещин само по себе не снижает остаточной проч­ ности композита или элемента конструкции. Во-вторых, зна­ чительное повреждение во время длительного циклического нагружения, вызванное растрескиванием матрицы, обычно обусловлено тем, что трещины являются центрами иницииро­ вания многих других видов повреждения, включая разруше­ ние волокон и расслоение. В-третьих, несмотря на то что трещины фактически ингибируются полимерами, применяе­ мыми для изготовления конструкций из композитов, они

Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации 119

встречаются во многих системах с металлическими матрица­ ми. Поэтому с учетом перечисленных выше фактов жела­ тельно там, где это возможно, отдавать предпочтение такому композиту, в котором вероятность появления трещин в мат­ рице минимальна. Это позволит сохранить жесткость и проч­ ность, а возможно, и срок службы конструкции, подвержен­ ной длительному циклическому нагружению.

2.2. ОРТОГОНАЛЬНО АРМИРОВАННЫЕ СЛОИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ

Процесс развития повреждения в слоистых композитах типа [0, 902] S представляет собой еще один типичный вид повреждения. Рассматриваемый класс слоистых композитов»

Рис. 5. Изменение приведенной жесткости Е/Е0 образца эпоксидного графитопластика с укладкой [0, 9 (h ] s в зависимости от числа циклов нагру­

жения.

называемых обычно ортогонально армированными, как пра­ вило, не используют для образования квазиизотропных укладок, однако он типичен для множества областей приме­ нения, особенно при изготовлении изделий цилиндрической формы. На рис. 5 показана типичная кривая жесткость — число циклов нагружения для ортогонально армированного слоистого углепластика на эпоксидном связующем при цик­ лическом нагружении в области растяжения с amax = 0,7«Suit>

120 К. Рейфснайдер

отношением напряжений R = 0,1 и частотой 10 Гц. Как и для образцов с квазиизотропной укладкой, на кривой выделяются три характерные области: начальная — с быстрым снижением жесткости на 2—3%; промежуточная — в которой жесткость почти линейно снижается еще на 1—2% и завершающая — в которой жесткость снижается скачками вплоть до разруше­ ния образца.

На репликах кромок, полученных на различных стадиях нагружения типичного образца с ортогональным армирова­ нием, видно, что приблизительно половина трансверсальных трещин, которые определяют в итоге характерное поврежден­ ное состояние материала, образуется в течение первого полудикла нагружения. Вклад этих трещин не отражен на общем изменении жесткости образца, мерой которой является дина­ мический модуль (рис. 5); текущие значения динамического модуля также оказались не зависящими от трещин, образо­ ванных при первоначальном нагружении до среднего уровня усталостной нагрузки. В сумме эти эффекты проявляются в виде снижения приблизительно на 4,5 % жесткости образца данного типа, измеренной при статическом нагружении

Зарождающееся расслоение кромок наблюдается в сред­ ней области образцов. При снижении жесткости на 3 % по одной поверхности раздела произошло полное расслоение по всей длине образца, а по другим поверхностям начался процесс расслоения от области кромки.

На рентгенограммах, полученных после предварительной обработки проявляющей жидкостью образцов, находящихся

вобласти умеренного снижения жесткости, обнаружи­

ваются трещины вдоль волокон в слоях, ориентированных в направлении нагружения. Это явление далее будем назы­ вать продольным расщеплением. Протяженность и количество траекторий продольного расщепления возрастают с числом диклов нагружения. Для рассматриваемого слоистого компо­ зита особый интерес представляют области, где трещины про­ дольного расщепления пересекаются с основными трещинами в матрице в слоях 90°, поперечных направлению нагружения.

Чтобы установить, что наблюдаемые затемненные области действительно соответствуют расслоениям по одной из поверх­ ностей раздела 0/90°, был использован метод стереоскопиче­ ской рентгеноскопии. Используя этот метод, удалось связать каждую область расслоения с пересекающей ее траекторией продольного расщепления. Наличие пересекающихся в обла­ сти расслоения продольной и трансверсальной трещин было проверено последовательной разборкой ряда образцов на слои, что позволило определить местоположение и природу ло­