книги / Развитие усталостных трещин в материалах и конструкциях

делается в отношении деформации. У одних стеклопластиков шири­ на петли гистерезиса уменьшается с накоплением повреждений [40, 163], у других — увеличивается [70], иногда экстремум такой за­ висимости соответствует промежуточным периодам нагружения [30].

Деформационные и энергетические критерии разрушения стек­ лопластиков основаны на исследованиях в области усталости метал­ лов, где подобные разработки получили широкое распространение [123].

Однако, несмотря на достигнутые в указанном направлении ус­ пехи, имеются и принципиальные возражения в отношении энерге­ тического подхода к решению критериальных задач усталости мате­ риалов. Согласно высказанным в работе [131] представлениям, рассеяние энергии, являясь интегральным показателем локальных пластических деформаций, не обладает преимуществами по сравнению с таким же осредненным показателем как напряжение первого рода, так как развитие разрушений определяется не средними деформа­ циями, а местными максимальными, связанными с напряжениями первого и второго рода.

Внимание, которое уделяется энергетическому подходу, объяс­ няется характером разрушения многих стеклопластиков. Накопле­ ние повреждений при циклическом нагружении происходит в основ­ ном за счет увеличения количества микродефектов, т. е. показатели, отражающие изменение свойств стеклопластика, должны быть ин­ тегральными [58]. Появление расслоений и микротрещин сопровож­ дается энергетическими затратами, поэтому и предполагалось, что из возможных интегральных показателей поврежденности наиболее оправданными являются те, которые основаны на энергетическом подходе, учитывающем рассеяние и поглощение энергии в процессе деформирования. Однако за исключением отдельных работ, где для некоторых частных случаев указано на тесную связь между усталост­ ными свойствами и внутренним трением материалов, в том числе армированных полимеров [81, 82], в целом задача разработки энер­ гетических критериев разрушения стеклопластиков остается еще. не решенной.

У стеклопластиков и конструкций из них при циклическом на­ гружении меняются также и другие свойства и показатели — умень­ шаются статическая прочность [31, 101, 159, 172, 174, 179] и частота собственных колебаний [38, 102, 104], изменяется кинетика саморазогрева [68—70, 97, 111].

На рис. 42 представлены кривые, показывающие, что по мере накопления повреждений скорость роста температуры саморазогрева увеличивается. Опыты проводились на образцах из стекло­ текстолита, вырезанного вдоль утка ткани. Испытания велись при постоянной амплитуде напряжения до момента, когда температура

достигала 55° С. После этого машина останавливалась и образец охлаждался до комнатной температуры. Количество циклов в одном таком блоке обозначено через я*, где Я — номер блока.

Длительность нагружения п необходимая для повышения тем­ пературы до 55° С, постоянно уменьшалась, что свидетельствовало о накоплении усталостных повреждений. Чем интенсивнее шел этот процесс, тем меньшей была величина п^.

Помимо рассмотренных показателей поврежденности использу­ ется ряд других, отражающих различные стороны явлений, проис­

в стеклопластиках должен быть комплексным, предусматривающим исследования различных аспектов разрушения и накопления повреж­ дений на макро- и микроуровнях. При этом следует сочетать тради­ ционные методы, получившие развитие при испытаниях других материалов, с новыми, учитывающими специфику строения и свой­ ства стеклопластиков.

Для изучения кинетики разрушения стеклопластиков и диагнос­ тики его усталостных свойств могут найти применение различные физические поля или излучения [59,90]. Имеющийся в этом направ­ лении опыт может быть использован и в области усталости стекло­ пластиков. Особый интерес представляют методы исследования пара­ метров поглощения, рассеяния и отражения в высокочастотных диапазонах упругих и электромагнитных колебаний (ультразвуко­ вые, микрорадиоволновые, рентгенографические, оптические и дру­ гие методы [4, 7, 23, 77, 78, 83; 127, 128]). Однако возможности большинства этих методов для исследования кинетики разрушения стеклопластиков и накопления усталостных повреждений при цик­ лическом нагружении пока не*выявлены, что и обусловливает нёобходимость дальнейшего развития.соответствующих исследований.

ИЗ

§2. НАКОПЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ В СТЕКЛОПЛАСТИКАХ

ВСВЯЗИ С ХАРАКТЕРОМ НАГРУЖЕНИЯ

Проблема прочности и разрушения стеклопластиков при циклическом нагружении отличается большим разнообразием тео­ ретических и экспериментальных задач. Общее представление об основных направлениях в подходах к решению этих задач может быть

с вероятностью разрушения стеклопластика при малых уровнях на­ пряжений, влиянием межслоевых касательных напряжений на ки­ нетику разрушения и долговечность и накоплением повреждений при нестационарном нагружении.

Большое значение для развития представлений о механизме раз­ рушения армированных полимеров, расчета несущей способности конструкций, а также планирования и проведения исследований закономерностей накопления повреждений в нестационарных усло­ виях, имитирующих эксплуатационные, приобретает вопрос о фор­ ме кривых усталости в области многоцикловой усталости и существо­ вании физического предела выносливости.

Известно, что конструкционные стали имеют явно выраженный предел выносливости, равный напряжению в зоне перехода левой ветви кривой усталости в горизонтальный участок. Точке перегиба обычно соответствуют долговечности не более нескольких миллио­ нов циклов. Считается, что если образец за это время не разрушился, то он не разрушится и при сколь угодно большой длительности на­ гружения.

Определение предела выносливости для армированных поли­ меров связано со значительными трудностями, поскольку перелом кривых усталости часто не обнаруживается при долговечностях, принятых за базовые для металлов.

На рис. 43 показаны кривые усталости стеклотекстолита при чистом симметричном изгибе с частотой 1 0 0 0 цикл/мин (формы об­

Кривые различаются по положению и наклону, что свидетель­ ствует о зависимости кинетики разрушения не только от структуры

и свойств компонентов, но и от уровня напряжений. В области боль­ ших долговечностей предел ограниченной выносливости по основе tf-i.ocii примерно в два раза выше, чем по утку. С уменьшением базы испытаний отношение пределов ограниченной выносливости <*-1.осц/0 -|,ут уменьшается (рис.44), стремясь к значению 1,6,относя­ щемуся к однократному приложению нагрузок. Увеличениеанизотропии прочности при действии циклических нагрузок известно также из литературных данных |98].

Кривые усталости, приведенные на рис. 43, не имеют горизон­

ностями нагружения 10® циклов. Для реализации таких долговечнос­ тей необходима работа машины в непрерывном режиме 1500—2000 ч на каждый образец. Частота нагружения не всегда может быть увеличена из-за повышенного тепловыделения и зависимости свойств стеклопластика от температуры [36]. В связи с большой трудоем­ костью и высокой стоимостью подобные испытания являются уни­ кальными, а существование предела выносливости на больших базах: или отсутствие такового экспериментально трудно доказуемо.

В одной из серий настоящих испытаний на усталость были отмечены разрушения при долговечностях 5 107 циклов. Близкий к этому результат был получен также при исследовании кинетики накопления повреждений оптическим методом, который подробно рассмотрен в § 3 и 4. Напряжения при симметричном чистом изгибе одного из образцов были выбраны несколько ниже предела ограни­ ченной выносливости, соответствующего базе 107 циклов. При

Экспериментальные данные при различных отношениях т /о представлены на рис. 45 в координатах ст и N. При испытаниях наблю­ дались разрушения как от нормальных, так и от касательных на­ пряжений. В первом случае разрушение начиналось с поверхност­ ных слоев, постепенно распространяясь на большую часть попереч­ ного сечения образца, во втором случае происходил сдвиг вблизи нейтральной плоскости. Представленные на рис. 45 эксперименталь­

стеклопластиков; в этом случае нормальные напряжения на поверх­ ности образца тем более отличаются от номинальных, чем выше ка­ сательные напряжения в межслойных плоскостях.

Рассмотрим более подробно влияние отдельных факторов, свя­ занных с обнаруженной закономерностью.

Для применявшихся образцов напряженное состояние в месте разрушения отличалось от того, на основании которого были выве­ дены простейшие формулы. Уточнение расчетных напряжений было достигнуто на основе приемов, используемых в гипотезе неплоских сечений [11]. Конкретные выражения, по которым оценивались напряжения, содержатся в работе [79], посвященной анализу напря­ женного состояния анизотропной пластины с галтелями, изгибаемой поперечной силой.

Определенные таким путем напряжения оказываются несколько выше, чем при подсчете с •использованием формул для стержней с постоянным сечением. При коротком плече приложения силы эти

ния). Наибольшее различие в расчетных напряжениях имеет место при изгибе с коротким плечом приложения возбуждающего усилия. Нормальные напряжения а* в поверхностном слое стеклопластика распределены неравномерно по ширине образца, в связи с чем учи­ тывалось их максимальное значение. Следует, однако, иметь в виду, что градиент напряжений может в процессе испытаний уменьшаться, снижая тем самым расчетную поправку.

Эпюра распределения напряжений по высоте поперечного сече­ ния образца нелинейна |4] и зависит от деформаций сдвига [1211. В наиболее неблагоприятном случае, когда перерезывающие силы максимальны, рост нормальных напряжений по указанной причине составлял около 2%.

Таким образом, если учесть сделанные выше поправки, то рас­ четные нормальные напряжения в поверхностных слоях стеклоплас­ тика будут выше номинальных, использованных при построении кривых усталости, на 12% (короткое плечо) и на 3% (длинное плечо).

На рис. 45 приведены кривые усталости (3 и 4) с учетом попра­ вок на напряжение при испытании соответственно с малыми и боль­ шими перерезывающими силами. Эти кривые расположены ближе друг к другу, чем исходные. Однако остающееся расхождение все же достаточно велико, чтобы его можно было не учитывать. Рассмот­ рим в связи с этим влияние температуры и накопления усталостных повреждений на изменение некоторых характеристик стеклопласти­ ка в процессе испытаний.

Воздействие сдвигового деформирования на напряженное со­ стояние стеклопластика проявляется тем сильнее, чем больше меня­ ется отношение модулей ЕЮ. При циклическом нагружении эти мо­ дули изменяются вследствие повышения температуры и увеличения поврежденности стеклопластика. Наблюдавшийся рост температуры за основной период нагружения (90% от долговечности N) состав­ лял 20—40° С, что вызывало изменение отношения ЕЮ не более чем на 1 0 —2 0 %. Соответствующая поправка в величине нормально­ го напряжения была незначительна, т. е. следует считать, что влия­ нием указанного повышения температуры на максимальные напря­ жения в рассматриваемых опытах можно пренебречь.

Подобный вывод можно также сделать на основании результатов испытаний при пониженных нормальных напряжениях. В этих ус­ ловиях разогрев был небольшим, тем не менее сопротивление уста­ лости уменьшалось при увеличении касательных напряжений.

Необходимо, однако, учесть, что локальные перегревы в местах нарушения связей между волокнами и смолой и в вершинах микро­ трещин выше среднего повышения температуры всего объема мате-

риала [37J, поэтому в отдельных микрообъемах повреждающее действие рассматриваемых касательных напряжений более значи­ тельно, однако количественно оценить его в настоящих опытах не представлялось возможным.

Рассмотрим особенности кинетики накопления повреждений

встеклопластиках в связи с воздействием касательных напряжений.

Вмакромасштабе повреждения при циклическом нагружении накапливаются как в поверхностных слоях, где действуют нормаль­ ные напряжения, так и во внутренних, где значительное воздействие оказывают касательные напря­ жения. При приложении возбуж­ дающего усилия на коротком плече касательные напряжения по величине приближаются к разрушающим, поэтому повреж­ дения объемов стеклопластика, прилегающих к нейтральной плоскости, по-видимому, сущест­ венны.

Некоторое представление о кинетике накопления усталост­

ных повреждений дает рис. 46, где показана зависимость изме­ нения диффузного светопропускания Ф стеклопластика от чис­ ла циклов нагружения п. Умень­ шение светопропускания тесно связано с рассеянным накопле­

нием дефектов, т. е. может служить показателем поврежденности стеклопластика.

При разрушении от нормальных напряжений, когда повреждение постепенно распространялось на весь объем материала, светопропускание уменьшалось в несколько раз (кривые 1 и 2 — соответ­ ственно малые и большие касательные напряжения). При разруше­ нии от сдвига повреждения поверхностных волокон были небольши­ ми, в связи с чем и падение светопропускания не превышало 20—30% (кривая 5).

Если прочность на сдвиг стеклопластика была достаточно высо­ кой, то накопление повреждений в наружных слоях шло быстрее, чем во внутренних, и разрушение начиналось с поверхности. Однако и в этом случае воздействие касательных напряжений не могло не вызывать микроразрушений срединных слоев, что должно было ока­ зывать влияние на перераспределение нормальных напряжений, уменьшение светопропускания и долговечность.

По мере падения жесткости поврежденных наружных слоев стек­ лопластика повышаются нормальные напряжения во внутренних слоях, где действуют также касательные напряжения. В такой пере­ ходной зоне должен проявляться эффект их совместного воздействия, причем тем более заметный, чем больше отличается распределение нормальных напряжений по высоте образца от первоначального;

Анализируя роль переменных касательных напряжений, отме­ тим также их возможное влияние вследствие взаимодействия с микроструктурными касательными напряжениями, величина и рас­ пределение которых по объему коррелируют с нормальными напря­ жениями.

Микроструктурные касательные напряжения играют определен­ ную роль в микромеханизме разрушения композиционных материа­ лов [182]. При многоцикловой усталости, когда нормальные напря-. жения в волокнах малы и не вызывают их разрушения, процесс усталостного повреждения обусловлен не только нормальными на­ пряжениями, но и касательными, в особенности на поверхностях раздела компонентов в местах с нарушенной или ослабленной адгезией. Совместное воздействие касательных напряжений, появление ко­ торых обусловлено сдвиговым деформированием и структурной не­ однородностью, должно вызывать снижение сопротивления усталос­ ти стеклопластика, которое и было обнаружено экспериментально.

Рассмотренные выше особенности накопления усталостных по­ вреждений относились к условиям стационарного нагружения, когда амплитуда напряжений поддерживалась постоянной за время всего испытания. В эксплуатационных условиях изделия из компо­ зиционных материалов часто подвергаются воздействию случайных или периодических нестационарных нагрузок. Оценка долговечности в таких случаях может производиться на основе подходов, приме­ няемых для металлических конструкционных материалов путем сопоставления нагруженности и сопротивления усталости.

Нагруженность представляется в виде закономерного чередовав ния напряжений с различными амплитудами и асимметрией. Для перехода от случайного к детерминированному нагружению разра­ ботаны специальные приемы, порядок использования которых широко освещен в литературе [61,113]. При анализе прочности метал­ лов, подвергающихся действию нестационарных нагрузок, иссле­ дуются вопросы, связанные с оценкой долговечности: кинетика на­ копления повреждений; влияние порядка чередования напряжений различного уровня (в частности, сопоставление долговечностей при случайном и программном нагружении); влияние напряжений, лежащих ниже предела выносливости; влияние формы спектра вос­

производимых напряжений; явления упрочнения и разупрочнения и др.

Применительно к стеклопластикам литературные сведения по указанным вопросам весьма ограничены [75, 157J. Рассмотрим не­ которые данные о накоплении повреждений в стеклопластиках при нестационарном нагружении [133, 134].

Испытания проводились в условиях чистого симметричного из­ гиба по 5- и 6 -ступенчатым программам. Размеры применявшихся образцов даны на рис. 41, свойства материала — в табл. 44, исход­ ные кривые усталости — на рис. 43. Частота нагружения составля­

уровням напряжений при программных испытаниях обусловливают­ ся как исходным спектром распределения нагрузок, так и харак­ теристиками программ, назначаемыми в соответствии с известными закономерностями накопления повреждений при нестационарном нагружении. Такими характеристиками являются: число уровней напряжений в блоке программы, величина верхнего оверх и ниж­ него а,„,ж напряжений, число циклов нагружения на каждом изуровней.

В зависимости от соотношения параметров В1и В2 интенсивностинакопления повреждений могут различным образом распределяться по уровням напряжений. При Вх = В2 накопленные повреждения на всех уровнях напряжений будут одинаковы. Это условие положе­ но в основу двух программ, сведения о которых представлены в; табл. 45. Повреждения, отождествлявшиеся с относительной дли­ тельностью действия нагрузок, почти равномерно распределялись по пяти уровням напряжений, воспроизводившихся при испытании