книги / Прикладная механика композитов
..pdfПовреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации 111
пластики на эпоксидном связующем, хотя многие из приве денных результатов с успехом применимы и для композитов с металлической матрицей. Подробные экспериментальные данные, приведенные далее, по большей части заимствованы из работ [12] и [32].
Начнем наше обсуждение с описания процесса поврежде ния в случае, когда в спектре циклического нагружения пре обладает растягивающая нагрузка. В литературе этот случай рассматривается как усталость при циклическом растяжении (tension — tension fatigue). Следует отметить, что включение в цикл сжимающей нагрузки приводит к появлению ряда своеобразных видов разрушения и, вероятно, некоторых спе цифических процессов роста и взаимодействия трещин. В то же время считают, что в сущности все виды разрушения, которые встречаются при растяжении или сжатии, по-види мому, наблюдаются в той или иной степени и только при циклическом растяжении.
Это важное наблюдение основано по крайней мере на двух главных предпосылках. Во-первых, если образец состоит из ряда различно ориентированных слоев, то некоторые из них будут в общем находиться под действим двухбсного на гружения, несмотря на то что к данному образцу в направ лении одной оси может быть приложена только растягиваю щая нагрузка. Несмотря на равенство коэффициентов Пуас сона, некоторые из слоев будут подвергаться трансверсаль ному сжатию при одноосном растяжении образца в пло скости армирования. Следовательно, если слоистый композит общего вида находится в состоянии одноосного растяжения, то напряжение в слоях будет в общем двухосным и может включать сжимающие компоненты. Во-вторых, общность ви дов повреждения, наблюдаемых при растяжении, обуслов лена сложным напряженным состоянием, развивающимся у кромок и границ слоистого композита. Хорошо известно, что межслойные напряжения образуются на границе слоев у сво бодных кромок в результате выполнения условий равновесия у кромок й двухосного напряженного состояния в отдельных слоях внутри пакета [23, 24] *>.
Известно, что изменение направления приложенной на грузки меняет знак объемных напряжений, действующих у свободных кромок слоистого композита. В то же время вследствие сложного характера этого напряженного состоя ния системы повреждений, развивающиеся при растяжении или сжатии, не имеют специфических отличительных черт.
п Смотри также статью К. Гераковича в настоящем сборнике.— Прим.
перев.
112 |
К. Рейфснайдер |
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}.
К. |
'* Г1о техническим причинам и по согласованию с редактором тома 2 |
Гераковичем фотографии к работам К. Рейфснайдера, М. Хайера и |
|
К. |
Гераковича опущены. — Прим. ред. |
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
114 |
К. Рейфснайдер |
гается |
из рис. 2, наибольшее изменение жесткости может |
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
блюдалось |
расслоение кромок на границах раздела слоев |
90°/ + 45° |
Начало расслоения на этой стадии нагружения яв |
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