Экспериментальное определение КИН при повороте трещины
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. Определение критического КИН при повороте трещины в однонаправленных и слоистых композитах
1. Цель работы: изучить методы оценки трещиностойкости композитов через критическую нагрузку при повороте трещины (вдоль волокон или слоев), которая возникает у кончика поперечного надреза.
Задачи выполнения работы:
- освоить простой и эффективный метод сравнительной оценки сопротивления композитов расслоению;
- оценить потенциальную прочность однонаправленного композита, определяемую множественным расщеплением около разрывов пучков волокон.
Теоретическая часть
Применение ЛМР к волокнистым композитам
Многочисленные попытки перенесения на полимерные композиты подходов и методов линейной механики разрушения, развитой для металлов, вполне естественны, так как дают возможность использовать накопленный методический опыт определения трещиностойкости, а также в связи с необходимостью сравнения композитов с традиционными материалами по характеристикам вязкости разрушения, полученным при стандартных испытаниях. Большое число работ посвящено экспериментальному и теоретическому анализу роста трещин в армированных пластиках вдоль своего первоначального направления (в частности, вдоль волокон), когда в качестве теоретической основы применяются различные модификации линейной и нелинейной механики роста трещин. Стандартизуемые экспериментальные методы основаны на возможности применения изотропных К-тарировок при вычислении коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в стандартных образцах из ортотропных слоистых или волокнистых композитов. На этом основан приведенный ниже метод оценки сопротивления композитов расслоению (или расщеплению) по критической нагрузке при начале поворота трещины вдоль слоев (или волокон) в изгибаемых балках с перпендикулярным слоям надрезом.
|
|
|
Оценка трещиностойкости композитов
Подход линейной механики разрушения к упругим композитам предполагает экспериментальное определение характеристик трещиностойкости композитов в силовой или энергетической постановках с последующей оценкой опасности дефектов типа сквозных трещин или расслоений по критическому значению КИН 
или по удельной работе разрушения 
В случаях распространения трещин вдоль направления первоначального надреза возможно перенесение на полимерные композиты известных концепций и методов механики разрушения, развитых для металлов. При достаточно линейных диаграммах деформирования можно определять критический коэффициент интенсивности напряжений (КИН) 
[ 
], а в общем, нелинейном случае - применять методы экспериментальной оценки критического значения J-интеграла Эшелби - Черепанова - Райса – J с – (лаб. раб. 2.10), которыйопределяет трещиностойкость материалов с размерностью удельной энергии 
. Основное преимущество концепции J-интеграла состоит в возможности его применения для широкого класса материалов и образцов – как с линейными, так и с существенно нелинейными диаграммами нагружения. Однако наиболее интересные для механики композитов случаи поворота трещины вдоль волокон или появления микротрещин расслоения около магистральной поперечной трещины – требует дополнительного обоснования.
|
|
|
На рис.3.1 приведены основные схемы испытаний композитных пластин со сквозными надрезами. Такие испытания проводятся при статическом или циклическом нагружении с целью обоснования прочности и ресурса углепластиковых панелей авиационного назначения. При структуре армирования общего вида (0/+45/90) трещина нормального отрыва (мода I) продолжает распространяться примерно вдоль первоначального направления нанесенного надреза. Правда, фронт трещины не остаётся плоским: происходят многочисленные расщепления, растрескивание матрицы, вытаскивание разорванных волокон – но это и есть «вязкое», а не хрупкое, разрушение, характеризуемое критическими значениями 
или 
Связь между этими параметрами трещиностойкости в случае распространения трещины вдоль первоначального направления сохраняется прежней: 
(лаб. раб. 2), если диаграмма нагружения удовлетворяет требованиям линейности. Формулы, справедливые для изотропных материалов, претерпевают модификацию и включают вместо технических констант (модуля Юнга и коэффициента Пуассона) четыре (в плоском случае) независимых компоненты тензора упругих модулей. Важный результат состоит в том, что при вычислении КИН в ортотропных материалах с достаточной точностью можно использовать результаты изотропных К-тарировок, а значит, для оценки трещиностойкости композитов нет необходимости точного определения всех четырёх упругих модулей.
|
|
|
Кроме растяжения с ростом трещины по моде I представляет практический интерес измерение трещиностойкости на пластинах с трещиной, нагруженных чистым сдвигом (мода II) в жестком шарнирном четырехзвеннике (рис.3.1, б). Как и в случае металлических пластин практически важно исследование роста наклонных трещин в композитах при комбинации мод I и II (рис.3.1, в).
|
|
|
Индекс I относится к развитию трещины по моде нормального отрыва, II – по моде поперечного сдвига в плоскости, III – по моде антиплоского, продольного сдвига.
Рис.3.1. Схемы испытаний плоских образцов с трещинами: по моде I – а; по моде II - б; при комбинации мод I и II – в
Для волокнистых композитов особый интерес представляет исследование роста трещин вдоль волокон. При этом возникают различные неожиданные эффекты: продольная трещина перескакивает через волокна, оставляя за собой тяжи (волокна-мостики – bridge - fibers), существенно повышающие трещиностойкость при расщеплении. При этом трещина не остается прямолинейной, а отклоняется в сторону нагруженного сечения, и развитие расслоений и расщеплений около отверстий или надрезов не является столь безопасным, как кажется на первый взгляд. При растяжении вдоль волокон отклонение трещины расщепления от продольного направления уменьшает нетто-сечение, что приводит, в конце концов, к окончательному разрушению.
Для наиболее интересных задач о расслоениях, решаемых в балочном приближении, известная для изотропных упругих материалов связь КИН со скоростью высвобождения энергии при росте трещины 
не доказана, поэтому различные экспериментальные методы определения либо 
, либо 
часто дают несопоставимые в традиционном понимании результаты.
Экспериментальное определение КИН при повороте трещины
Сопротивление композитов расслоению и расщеплению относится к числу их важнейших прочностных характеристик. С одной стороны, расщепление останавливает трещины, пытающиеся распространяться поперек волокон, и снижает концентрацию напряжений около отверстий. Но, с другой стороны, преждевременное расщепление превращает композит в пучок несвязанных волокон, что сильно снижает их прочность. Поворот трещины, т.е. зарождение трещин расщепления, происходит при некотором критическом значении КИН для нанесенного надреза. При этом касательные напряжения играют основную роль. Поэтому используется нижний индекс 
для обозначения критического КИН 
около поперечной макротрещины нормального отрыва, когда в её вершине зарождается микротрещина продольного расщепления.
Для определения трещиностойкости используют три основных типа плоских образцов с трещинами: полоски – на растяжение, балки – на изгиб и компактные, двухконсольные – на внецентренное растяжение. Наиболее простым оказался метод испытаний на 3-точечный (поперечный) или 4-х точечный (чистый) изгиб.
Образцы в виде балок вырезали: вдоль волокон из однонаправленных углепластиков или вдоль направления армирования несущих слоев в композитах с другой (ортогональной) укладкой. Можно выбрать два направления нанесения надреза:
1. Когда он полностью пересекает часть слоёв, и фронт трещины упирается в границу раздела между слоями (рис.3.2, б). В этом случае в вершине надреза возникает трещина расслоения.
2. Когда он частично пересекает все слои однонаправленного композита (рис.3.2, в). В этом случае возникает расщепление внутри слоев, а не между слоями, как в случае 1. Результаты для однонаправленного (но слоистого) композита для этих двух направлений нанесения надреза оказываются различными.
При испытаниях на изгиб (и на растяжение) записывается диаграмма нагружения – рис.3.3. Её можно строить в координатах «нагрузка – перемещение захвата» или «нагрузка – прогиб», но более точные результаты получаются при записи диаграммы «нагрузка – раскрытие трещины», которое измеряют специальным датчиком (рис.3.2, а), установленным на берегах трещины.
С учетом достаточно линейной диаграммы нагружения, определяемой линейным деформированием композитов при растяжении вдоль волокон (рис. 3.3) была обоснована простая методика оценки сопротивления композитов расслоению или расщеплению при изгибе надрезанных балок (рис.3.2, а) путём определения критического значения КИН – для нанесенного надреза в момент зарождения трещины расщепления, т. е. при начале поворота трещины вдоль слоев или вдоль волокон в однонаправленном композите. Основную методическую сложность представляет определение момента зарождения расщепления. Его можно наблюдать визуально, отмечая маркером на диаграмме момент начала поворота. Следуя стандартам ЛМР для металлов, логично остановиться на анализе диаграммы нагружения, и за критическую нагрузку начала расщепления принять соответствующую пересечению диаграммы с 5%-й секущей (см. лаб. раб. 2).
Рис.3.2. Схема испытаний и крепления датчика раскрытия надреза: 1 – упоры, прикрепленные к образцу; 2 – упругие скобы тензодатчика
Рис.3.3. Типичная диаграмма «нагрузка Р – прогиб v » для изгиба композитных образцов с надрезом поперек слоев
Повороту трещины (зарождению трещины расщепления) соответствует появление слабой нелинейности на диаграмме, и за условную критическую нагрузку следует принимать значение 
при пересечении диаграммы с исходящим из начала координат лучом ОА, имеющим тангенс угла наклона на 5% меньше, чем у начального линейного участка диаграммы. Образцы на трехточечный или четырехточечный изгиб должны соответствовать стандартным размерам для металлов, поэтому для них справедливы известные К-тарировки. Через значение рассчитывают критический КИН при поперечном (трехточечном) изгибе:
 
| (3.1) |
или при чистом (четырехточечном) изгибе:
| (3.2) |
На рис.3.4 приведен характер полученных экспериментальных зависимостей критического КИН 
от длины первоначального надреза для однонаправленного углепластика КМУ (0) – кривая 1 и для КМУ (0/90) – кривая 2.
Рис.3.4. Результаты определения сопротивления композитов расслоению в терминах критического значения КИН – 
Описанный метод удобен для сравнительных испытаний и для оценки потенциальной прочности однонаправленных волокнистых композитов с микродефектами длины 
: 
.
Дата добавления: 2020-11-23; просмотров: 300; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!