1371

Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации 12 В

кальных повреждений в интересующих точках. Таким обра­ зом, удалось с уверенностью показать, что наблюдаемые локальные расслоения обусловлены своеобразной ситуацией, связанной с совмещением основных трещин в матрице, пере­ секающихся в области поверхности раздела. В рассматривае­ мом случае это — продольное расщепление и трансверсаль­ ные трещины в матрице ортогонально армированного слои­ стого композита.

Подобный вид локализации повреждения является не­ приятным следствием образования трещин в матрице под действием длительного циклического нагружения и слож­ ного напряженного состояния, связанного с протеканием про­ цесса локализации. Однако следует подчеркнуть, что такая крайняя ситуация, когда локальные напряжения приводят к образованию довольно больших областей расслоения, на­ блюдалась только на ортогонально армированных графито­ эпоксидных слоистых композитах. Хотя природа полей на­ пряжений, приводящих к подобным локальным расслоениям, носит общий характер, степень проявления и последствия их действия сильно зависят от свойств материалов, образующих слоистый композит, и последовательности укладки слоев.

До сих пор мы упомянули только два основных вида по­ вреждения— трещины в матрице, распространяющиеся потолщине слоя параллельно образующим его волокнам, и рас­ слоения, образующиеся между слоями композита или в об­ ласти кромок под действием сложного напряженного состоя­ ния, или в удаленной от граничной области зоне, где сложное напряженное состояние вызвано пересечением трещин, рас­ пространяющихся в матрице в перпендикулярных направле­ ниях. Однако окончательной причиной разрушения слоистого композита является разрыв волокон.

Хотя по существу обсуждаемые «эффекты усталостного нагружения» композитов в основном связаны с поврежде­ нием матрицы и разделением слоев, поведение и выход из строя несущих нагрузку слоев (обычно 0°) как раз обус­ ловлены повреждениями такого рода в окружающих слоях. Наиболее заметный аспект этого влияния состоит во взаи­ мосвязи процесса образования трансверсальных трещин в матрице с разрушением волокон в смежных слоях. Чтобы разобраться в этом явлении, ряд образцов из рассматривае­ мого в данном разделе материала с укладкой [0, 902]s после усталостного нагружения был разобран на отдельные слои, поверхности раздела которых затем изучались с помощью просвечивающего электронного микроскопа (метод расслое­ ния подобен использованному в работе (5]). При этом по­ врежденный материал нагревался до температуры пиролиза

122 К. Рейфснайдер

полимерной матрицы (для эпоксидного углепластика, ис­ пользованного в эксперименте, около 418°С). После удале­ ния таким образом межслойной полимерной прослойки слои разделялись для последующего изучения.

Для точного определения местоположения трещин в попе­ речных слоях (90°) относительно поверхности смежных про­ дольных (0°) слоев на образец с усталостными повреждения­ ми наносился раствор хлорида золота в диэтиловом эфире таким же образом, как наносился проявляющий раствор при рентгенографии. Эфир с его большой проникающей способ­ ностью переносил хлорид золота во все поврежденные зоны, после чего удалялся путем умеренного нагревания образца перед пиролизом. На образцах [0,902]s хлорид золота, за­ полнивший трансверсальные трещины, расслоения и продоль­ ные расщепления в слоях 0°, оставил следы, сохранившиеся на поверхностях смежных слоев после их разделения, обеспе­ чив отличные опорные метки указанных областей.

Образцы, вырезанные из выделенных слоев, ориентиро­ ванных в направлении 0°, исследовались на сканирующем электронном микроскопе, чтобы установить, связаны ли об­ ласти с разрушенными волокнами в слоях 0° с повреждения­ ми в смежных слоях. Частицы хлорида золота, осажденные в трещинах в смежных слоях с ориентацией 90°, на снимках видны как светлые пылевидные частицы. Анализ фотографий выявил, что разрывы волокна в слое 0° находятся в обла­ сти, где сконцентрированы следы хлорида золота, указы­ вающие на наличие в смежном слое трансверсальных трещин. Там, где следы хлорида золота не видны, разрывы волокон весьма немногочисленны. Подобный результат неоднократно повторялся при анализе снимков различных точек по длине и ширине образца, т. е. оказалось, что полосы разрывов во­ локон с метками хлорида золота наблюдаются через по­ вторяющиеся интервалы в направлении нагружения, свя­ занные с характерным повреждением в виде трещин в слоях 90° композита.

Была также сделана попытка установить природу преоб­ ладающих зон разрушения волокна по толщине слоев 0° в областях концентрации разрывов. С этой целью несколько слоев волокон были осторожно отделены вместе с прозрачной лентой от открытой поверхности 0°, которая уже была изуче на. Оказалось, что в одном и том же месте плотность разры­ вов волокон в глубине слоя 0° меньше, чем вблизи поверх­ ности раздела слоев 0°/90° Кроме того, в глубине слоя 0° зоны разрыва волокон оказались несколько шире, чем на по­ верхности. Таким образом, было установлено, что разрывы

Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации 123

волокон инициируются трещинами в матрице и что число этих разрывов довольно быстро снижается с удалением от вершины трещины в плоскости и по толщине слоя 0°, т. е. является функцией расстояния от вершины трещины в мат­ рице смежных слоев 90°.

Важность полученного результата с точки зрения кон­ струкционных свойств материала вытекает из того факта, что разрушение волокон снижает несущую способность и срок службы слоистых композитов и конструкций из них. Хотя трещины в матрице сами по себе не снижают указанных свойств, они, тем не менее, инициируют значительные локаль­ ные повреждения при циклическом нагружении, включая и разрушение волокон, что и является серьезной причиной по­ тери свойств слоистым композитом. Следует также отметить, что разрушение волокон по этой причине наступает в начале эксплуатационного периода, обычно в первой трети общего срока службы образца или элемента конструкции. При цик­ лическом нагружении число разрывов волокон, как установ­ лено в работе [12], в общем значительно возрастает.

2.3. ПЕРЕКРЕСТНО АРМИРОВАННЫЕ СЛОИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ ДРУГИХ типов

Еще один распространенный тип слоистых композитов, на примере которого будет рассмотрен процесс развития по­ вреждений, имеет укладку [0, ±45] s. Условия нагружения об­ разцов остались такими же, как и в предыдущих приме­ рах,— относительная амплитуда порядка 65% от предель­ ного напряжения при статическом растяжении обеспечивала срок службы образца в несколько сот тысяч циклов.

На рис. 6 показаны относительные изменения жесткости трех слоистых композитов — два из них рассматривались в предыдущих разделах и третий типа [0, ±45] $. Кривая С на рисунке показывает, что изменение жесткости из-за растре­ скивания матрицы (в данном случае в слоях, ориентирован­ ных под углом 45° к направлению нагружения) начинается, как и в двух других случаях, в самом начале процесса на­ гружения, но протекает гораздо более интенсивно. Вслед за начальным резким изменением начинается период «устойчи­ вого» развития процесса повреждения с очень малым изме­ нением жесткости и незначительным изменением свойств композита. Вероятно, наиболее отличительным признаком кривой изменения жесткости этого типа слоистых композитов является очень резкое падение жесткости в самом конце срока службы, которому соответствует очень быстрое слия­

ние, локализация очагов повреждения и возросшая скорость развития повреждения. Эта последовательность событий про­ текает столь быстро, что зафиксировать изменение жесткости не удается. В испытанных образцах не наблюдается расслое­ ния кромок. Хотя начальное падение жесткости, связанное

Рис. 6. Типичные кривые изменения приведенной жесткости Е/Е0 в зави­ симости от числа циклов нагружения для эпоксидных графитопластиков с укладкой [0, 90г]« (Л), [0, ±45, 90]4 (5), [0, ±45]* (С).

с растрескиванием матрицы в слоистом композите рассматри­ ваемого типа, относительно велико, материал хорошо сопро­ тивляется циклической нагрузке в процессе испытания.

Итак, мы рассмотрели различные виды развития повреж­ дений, с которыми можно встретиться при циклическом на­ гружении конструкций из слоистых композитов при уровнях нагрузок, соответствующих сроку службы от нескольких сот тысяч до приблизительно миллиона циклов. На рис. 7 схе­ матически представлена взаимосвязь между изменением свойств, накоплением повреждений и сроком службы слои­ стых композитов рассмотренных типов и конструкций из них. Как видно из рисунка, несмотря на то что растрескивание матрицы в начале нагружения приводит к изменению жест­ кости и накоплению значительного числа повреждений, из­ менения остаточной прочности оказываются незначительны­

Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации 125

ми, поскольку такой же вид повреждений будет развиваться и при квазистатическом нагружении с целью определения проч­ ности.

Остаточная прочность во время относительно устойчивого (протекающего с малой скоростью) развития процесса по­ вреждения в период, составляющий большую часть средней области диаграммы срока службы, также изменяется незна­ чительно. По мере слияния, локализации, роста повреждений

Рис. 7. Схема наложения кривой 1 накопления повреждений на кривые 2 остаточной прочности и 3 срока службы для типичного слоистого ком­ позита; области I, II, III те же, что и на рис. 1, 8.

и возрастания скорости их зарождения к концу срока служ­ бы образца остаточная прочность начинает довольно быстро падать, вплоть до величины, равной амплитуде приложенного напряжения. В этот момент происходит разрушение образца, определяющее срок его службы. Как было уже сказано, от­ клонение нагрузки в область сжатия при циклическом нагру­ жении может привести к местной или общей неустойчивости как форме развития повреждения и разрушения.

Подобные явления чрезвычайно чувствительны к геомет­ рии изделия и очень трудно поддаются описанию в общем виде. Однако следует упомянуть, что развитие повреждения такого вида протекает гораздо быстрее, когда слоистый ма­ териал работает в условиях растяжения — сжатия.

В областях с однородным распределением деформаций в композите образуются сетки трещин, если уровень деформа­ ции или ее амплитуда при циклическом нагружении достаточ­ но велики, чтобы, как это было указано выше, вызвать появле­ ние одной трещины. Наступление такого характерного состоя­ ния повреждения (CDS) для данного слоистого композита за­ висит от свойств слоистого композита, свойств слоя, толщины слоя и последовательности укладки слоев.

(Ь)

Рис. 8. Предсказанное (а) и наблюдаемое экспериментально (Ь) харак­ терное состояние повреждения при растрескивании матрицы в эпоксидном графитопластике с укладкой [0, 90, ±45]s.

Появление сеток трещин можно прогнозировать, исходя из любого обоснованного представления локальных напряже­ ний методами механики и некоторой теории, подобной, напри­ мер, предложенной автором [27]. Предсказанная система трещин сопоставлена на рис. 8 с картиной растрескивания, наблюдаемой на образце. Некоторые основополагающие прин­ ципы перераспределения напряжений, вызванного появле­ нием в матрице трещин, можно сформулировать на основа­ нии обычного послойного анализа напряжений и экспери­ ментальных наблюдений. На рис. 9 изображена типичная ситуация, возникающая, когда в матрице слоев с ориен­ тацией ±0° относительно направления нагружения появ­

Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации 127

ляются трещины, вызывающие перераспределение напряже­ ний в прилегающей области, выделенной штриховой линией.

Основную причину подобного перераспределения напря­ жений можно установить, рассматривая квазистатическую прочность слоистого композита, поскольку такие же трещи­ ны образуются до наступления разрушения и под действием квазистатической нагрузки. Наиболее общий метод инженер­ ной оценки величины прочности слоистого композита при ста­ тическом нагружении, не связанной с расслоением кромок, состоит в расчете напряжений в слое на основании теории слоистых сред, применении некоторого критерия предельного состояния для прогнозирования разрушения «первого слоя» (обычно это трещина в матрице), определении соответствен­ но уменьшенных модулей сдвига и Юнга поврежденного слоя, пересчете напряжений в слое, проверке выполнения условия разрушения «второго слоя» и т. д. до предсказания

растает примерно на 14%. Важно отметить, что при этом жесткость композита в целом меняется почти точно на такую же величину. Аналогичная картина наблюдалась в большом числе случаев, изученных автором. Отсюда следует, что остаточные свойства слоистого композита, которые опре­ деляются слоями с ориентацией 0° и их напряженным со­ стоянием, можно непосредственно оценить, измеряя измене­ ния жесткости композита, вызванные развитием поврежде-

растягивающей нагрузки, значительно облегчают начало и распространение расслоения в сжимающей части цикла. Как следствие этого нередко обнаруживается, что срок службы образца при максимальной амплитуде напряжения, равной 60 % от предельного значения для статического нагружения при R = 0,1, такой же, как и при амплитуде 45% от пре­ дельного напряжения для R = —1 , например, для распро­ страненных типов слоистых углепластиков на эпоксидном связующем. Этот вид разрушения пока находится в стадии изучения.

3.Механика повреждения

Впредыдущем разделе обсуждались виды повреждения слоистых композитов под действием квазистатических или циклических нагрузок. Причем типы укладок и режимы на­ гружения были типичными для распространенных элементов

конструкций из композитов и условий их эксплуатации. В данном разделе сделана попытка обобщить вопросы мик­ ромеханики, связанные с рассмотренными видами повреж­ дения, с целью развития представлений о значении процесса образования повреждений. Кроме того, представленные дан­

повреждения.

Предмет микромеханики весьма обширен. Количество публикуемых работ вплоть до настоящего времени велико и свидетельствует о проведении интенсивных исследований в этой области. Многие аспекты, которые далее будут лишь слегка затронуты, представляют собой хорошо развитые или интенсивно развивающиеся направления. Читателю, желаю­ щему ознакомиться подробнее с одним из таких направле­ ний, целесообразно тщательно просмотреть изданные работы, отобрав наиболее поздние из них. Цель нашего обсуждения состоит в том, чтобы выделить сущность проблемы и развить основополагающие концепции, связанные с процессом разви­ тия повреждения и его последствиями при циклическом на­ гружении слоистого композита.

3.1. РАССЛОЕНИЕ

Начнем с расслоения; рост области расслоения является главной заботой проектировщиков конструкций из компози­ тов и представляет собой вид разрушения, встречающийся во многих ситуациях. Кромки, вырезы и другие геометриче­ ские разрывы поверхности являются очагами возникновения