книги / Развитие усталостных трещин в материалах и конструкциях

температурная нестационарность была небольшой. Испытания велись при симметричном растяжении — сжатии (образцы вырезались вдоль утка, частота нагружения составляла 650 цикл/мин), а также

топропускания, что свидетельствовало о связи этой оптической ха­ рактеристики с поврежденностыо стеклопластика. К моменту раз­ рушения светопропускание уменьшалось в 5— 1 0 раз. Кинетика рассматриваемого процесса в основном зависела от исходных уста­ лостных свойств стеклопластика и от уровня напряжений.

При изучении усталости металлов повреждение часто принимается пропорциональным относительной длительности нагружения, а иногда и отождествляется с ней [108]. С этих позиций может быть осуществлен и подход к анализу полученных результатов. Для этой цели представим рассмотренные экспериментальные данные в ином масштабе — длительность нагружения выразим в нормированном виде ti/N, где N — долговечность. Тогда изменение светопропускания с накоплением числа циклов нагружения будет иметь вид, ука­ занный на рис. 50.

Все результаты, полученные в условиях, когда изменение тем­ пературы в процессе испытаний было небольшим, образуют единую область, характерную наличием выраженной связи между длитель­ ностью нагружения и снижением светопропускания. Влияние на указанную зависимость вида деформирования и уровня напряжений не обнаружено. Таким образом, если считать, что между накоплен­ ным повреждением и величиной n/N существует линейная зависи­ мость, то снижение светопропускания должно быть прямо пропор­ ционально повреждению.

Рассмотренные закономерности изменения оптических свойств стеклопластика получены в условиях ограниченного саморазогрева. Если же в процессе испытаний температура существенно повыша­ лась, это вызывало уменьшение исходных прочностных свойств и увеличение повреждающего действия каждого последующего цик­ ла нагружения. Изменение светопропускания при этом носило не­ линейный характер. На рис. 51 представлены кривые зависимости светопропускания от длительности нагружения при испытании стеклопластика в условиях, когда тепловыделение приводило к су­ щественному разогреву. Увеличение амплитуды напряжения повы­ шало гистерезисные потери и, как следствие, температурную неста­ ционарность. Скорость накопления повреждений в этом случае возрастала с накоплением числа циклов нагружения, и зависимость изменения светопропускания тем более отличалась от линейной, чем быстрее повышалась температура, т. е. чем выше было напряжение

влияние на описанные выше закономерности. На рис. 46 показано •изменение светопропускания с возрастанием накопленного числа

.циклов нагружения при испытании стеклопластиков на консоль­ ный изгиб с различным соотношением т/о между касательными на­ пряжениями в нейтральной плоскости и нормальными на поверх­

в поверхностных слоях, где кинетика микроразрушений обусловлена

.макронапряжениями о, и в небольшом объеме, прилегающем к ней­ тральной плоскости, где касательные напряжения достигают максимальной величины.

Если касательные напряжения не могут вызвать появления магистральной трещины по межслойной плоскости, то разрушение стеклопластика происходит следующим образом. В поверхностных слоях начинают накапливаться микродефекты (микротрещины и расслоения), вызывающие уменьшение модуля упругости Е> вслед­ ствие чего происходит перераспределение напряжений по толщине •образца. Это интенсифицирует процессы накопления повреждений в более глубоких слоях, т. е. объемы, охватываемые повреждением, постепенно увеличиваются. В этом случае изменение светопропуска­ ния (см. рис. 46, кривая 1) происходит примерно так, как и при испы­ таниях на чистый изгиб или растяжение — сжатие (см. рис. 49).

Если же сопротивление усталости материала на сдвиг мало или же касательные напряжения велики, то окончательное разру­ шение (сдвиг) может произойти задолго до того, как поверхностные слои потеряют несущую способность. Тогда снижение светопропус- -кания будет существенно меньшим (см. рис, 46, кривая 3), и оно не может служить показателем поврежденности стеклопластика. Таким -образом, использование оптического метода в критериальных под­ ходах к оценке поврежденности стеклопластика должно быть согла­ совано с механизмом разрушения.

При известной зависимости между снижением светопропуска­ ния и усталостным повреждением оценка последнего по данным -фотометрических измерений в процессе циклического нагружения не представляет затруднений, если условия испытаний остаются неизменными, а разрушение происходит вследствие рассеянного на­ копления дефектов по всему напрягаемому объему. Сведения о струк­ турных особенностях стеклопластика и оптических свойствах его компонентов в этом случае не используются.

Если же оптический метод оценки усталостного повреждения применяется в условиях, когда имеются данные о зависимости между величинами Ф и nIN для одного стеклопластика, а необходимо со-

ставить прогноз о зависимости между теми же величинами для друго­ го стеклопластика, отличающегося от исходного по некоторым по­ казателям, входящим в уравнения (4.13) и (4.14), то порядок расче­ тов должен быть иным.

Предположим, что имеются необходимые данные для оптических,

исходных оптических свойств смолы и стекла. Что же касается остальных параметров, то их влияние на взаимосвязь между по­ вреждением и значением t принципиально не исключено, однако такие данные в настоящее время отсутствуют. При необходимости соответствующие поправки могут быть внесены в порядок расчетов.

Таким образом, если исходить из рассмотренного предположения, то показателем накопленного повреждения может служить величи­ на tlt которой соответствует определенное значение длительности^ нагружения (n/N)é:

ti = ts (Yl.i) = ^2 ['l'i ((n/N)t)],

где — функция, обратная XF2. При таком значении t расчетное* светопропускание стеклопластика, в отношении которого состав­ ляется прогноз, будет

= ^3 (ti) = ^3 {ф2 ['Fl <(л/А0,)]}.

Это выражение позволяет определить функцию lF4 (рис. 52)„ связывающую относительную длительность нагружения n/N со* снижением светопропускания стеклопластика:

Заметим, что общий вид функций Ч; 2 и lF3 представлен урав­ нением (4.21), в которое необходимо ввести конкретные значения отдельных величин.

Таким образом, основываясь на данных о кинетике накопле­ ния повреждений в исходном стеклопластике и сведениях об оптиче­ ских свойствах компонентов, можно составить прогноз изменения диффузного светопропускания стеклопластика, отличающегося от исходного по каким-либо параметрам, входящим в уравнения (4.13) и (4.14). Это позволит оценивать поврежденность при циклическом нагружении по данным фотометрических измерений.

Рассмотрим подробнее, как влияют характеристики стеклоплас­ тика и его компонентов на связь интегральных оптических свойств

смикроразрушениями.

Взависимости от свойств компонентов стеклопластика, режи­ мов нагружения и влияния других факторов разрушение может про­ являться преимущественно в виде расслоений, трещинообразования или в совместном протекании этих процессов. Особенности механиз­ ма разрушения учитываются выражением (4.14), которое, характе­ ризуя рассеивающую способность материала, содержит количествен­

Сопоставим рассеивающую способность sn и sn двух стеклоплас­ тиков, у которых развиваются соответственно только расслоения

t\ ( 4 = 0 ) или только трещины 4 № = 0 ), причем количествен­ ные показатели дефектов равны t\ — t2 — /' Используя выражение (4.16), определяем

.При тех исходных величинах показателей преломления, которые рассматриваются ниже, это различие не превышает 1%. Столь же малое различие наблюдается и во влиянии трещин и расслоений на

.диффузное светопропускание. Следовательно, показатели ^ и t2 отличаются по отношению к светопропусканию аддитивностью, что позволяет использовать единую количественную характеристику дефектов t = tx + t2. Следует, однако, учесть, что диффузное све­ топропускание и поврежденность могут быть связаны с характером микроповреждений различным образом. Например, ориентация дефектов должна предположительно оказывать меньшее влияние на диффузное светопропускание, чем на накопленное повреждение. В связи с этим необходимо проведение дополнительных эсперимен* тальных исследований по выявлению особенностей указанной связи.

Из общей теории фотометрии известно, что оптическая плот­ ность материала в значительной мере зависит от числа центров

рассеивания, встречающихся на пути лучистого потока, следова­ тельно, светопропускание в большей мере будет зависеть от поврежденности у стеклопластика с большей толщиной. На рис. 53 показано, как должно уменьшаться светопропускание стеклоплас­ тиков различной толщины h при возрастании количества расслое­

ния, толщина стеклопластика должна быть оптимальной, обеспе­ чивающей как достаточную близость зависимости Ф — t к ли­ нейной в области относительных долговечностей nIN = 0,2 -г- 0,8, так и снижение светопропускания не менее чем в 2—3 раза к моменту разрушения.

Влияние толщины h следует учитывать и в другом аспекте — в" связи с несовершенством технологии изготовления. Если не обеспечивается равенство толщины в одной партии образцов, фото­ метрические измерения в этом случае содержат погрешности, ко­ торые можно уменьшить, если результаты корректировать следую­ щим образом. Используя выражения (4.13), (4.14), (4.19) — (4.21), определяют количество расслоений и трещин ^ + t2, принимая для

упрощения расчетов tx = t2. Затем находят, каким должно было быть светопропускание стеклопластика, если бы его толщина равня­ лась какому-то заранее обусловленному значению Л* (например, среднему по всей выборке). При недостатке сведений о свойствах компонентов может быть использован упрощенный подход, основан­ ный на применении закона Бугера, устанавливающего связь между

выше была проверена расчетным путем и экспериментально. Соглас­

= Ь (Фл,/ФО и h2 представлено кривыми 1—4 на рис. 54, постро­ енными по данным рис. 53 для кл = 1 мм. Если толщина материала варьирует в небольших пределах, то вместо кривых можно исполь­ зовать подобранную на основе закона Бугера соответствующую линейную зависимость, например прямую 5, дающую точный резуль­ тат для среднего значения толщины (в данном случае А* = 10 мм). Неточность 6 при ДЛ*/Л* = 0,1 ч- 0,15 не превышает нескольких процентов, что следует считать приемлемым при корректировке фотометрических измерений в условиях, когда оптические свой­ ства компонентов стеклопластиков неизвестны.

На рис. 55 представлены экспериментальные результаты (точки)

изависимости, построенные по выражениям (4.21) (сплошная линия)

и(4.24) (штриховая линия). Сопоставление указанных данных подтверждает возможность применения упрощенного подхода при обработке результатов изменений, когда влияние различия в толщи­ не материала на светопропускание оценивается на основе закона Бугера.

Значительное влияние на оптические свойства стеклопластика

оказывают показатели преломления наполнителя П\ и связующего

тем меньше будет изменяться поток диффузного пропускания при появлении новых оптических неоднородностей (дефектов). На рис. 56 показано, как уменьшается светопропускание при появлении рас­ слоений для различных значений

При больших значениях g уменьшение светолропускания к мо-: менту разрушения стеклопластика может быть столь незначитель­ ным, что точность измерений окажется недостаточной. При малых g светопропускание существенно изменяется уже на первых стади­ ях нагружения; дальнейшее появление дефектов ведет к появлению значительной нелинейности в исследуемой зависимости, что также

следует подбирать толщину материала в соответствии с указанными выше соображениями.

Так как при циклическом нагружении стеклопластиков наблюда­ ется повышенное рассеяние энергии, температура в процессе испыта­ ний возрастает. Это обстоятельство необходимо учитывать в связи сг различным влиянием температуры на показатели преломления щ ищ. При близких значениях п\ и пъ светопропускание существенно за­

висит от величины g = щ — п\ (рис. 56), поэтому изменение темпе ратуры при саморазогреве может заметным образом повлиять на результаты измерений. Следовательно, если циклические испытания проводятся в условиях нестационарного температурного режима, экспериментальные данные необходимо корректировать, предвари­ тельно исследовав связь между изменениями температуры и свето­ пропускания.

Таким образом, управляя толщиной стеклопластика, составом, геометрией структуры, свойствами компонентов и режимом нагруже-

ния, можно подобрать для большинства прозрачных и полупрозрач­ ных смол, армированных стекловолокном, такие условия исследо­ ваний, которые позволят выявить особенности разрушения и накоп­ ления повреждений по вторичным эффектам, связанным с изменени­ ем рассеяния лучистых потоков.

Рассмотренные выше зависимости относятся к случаю, когда лу­ чистый поток является видимым, т. е. находится в диапазоне элек­ тромагнитных волн длиной 380—760 нм. Использование излучений, лежащих в более коротковолновом или инфракрасном диапазонах, может привести к обнаружению новых закономерностей, так как на характер, взаимодействия излучения с частицами оказывает влия­ ние соотношение между размерами этих частиц и длинами волн облучающего потока. В некоторых случаях, когда развиваются де­ фекты преимущественно одного поперечного размера, может ока­ заться : полезным использование монохроматического излучения.

1. Абрамов С. Г Б о й к о Е. М., Гусева Т. А ., Лавров А. В, Прочность тканевых стеклопластиков при межслойном сдвиге.— В кн.: Свойства полиэфир­ ных стеклопластиков и методы их контроля. Л. : Судостроение, 1970, вып. 2,

с.79—86.

2.Альперин В. И. Расчет светопропускания стеклопластиков.— Пласт, массы, 1966, № 2, с. 48-52.

3.Андреевская Г .Д . Высокопрочные ориентированные стеклопластики.— М. : Наука. 1966.— 372 с.

4.Ашкенази Е. К., Поздняков А. А. Испытание стеклопластиков на усталость.— Завод, лаб., 1961, 27, № 10, с. 1288—1293.

5.Балаковский О. Б., Павловский В. Э. Двухскоростная программная машина

для испытаний на усталость.— Завод, лаб., 1965, 31, № 7, с. 880—882.

6.Биргер И. А . Детерминированные и статистические модели суммирования повреждений.— Пробл. прочности, 1978, № 11, с. 3—11.

7.Богданов В. В. Методы исследования технологических свойств пластмасс.— Л. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1978.— 174 с.

8.Бороданев H . М., Жданович М. П., Савченко Н. И. Об одной теоретической

модели процесса развития усталостной трещины.— Пробл. прочности, 1977,

№ 4, с. 26—28.

9.Бразерс, Юкава. Распространение усталостной трещины в низколегирован­ ных термообработанных сталях : Теоретические основы инженерных расче­

тов — Тр. Амер. о-ва инженеров-механиков. Сер. Д, 1967, 89, № 1, с. 24—34.

10.Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов.— М. : Маши­ ностроение, 1964.— 276 с.

11.Верховский А. В ., Андропов В. П. Метод неплоских сечений.— М. : Машгиз, 1971._ 245 с.

12.Вигдорчик В. М .м Чекурова Г, А. О критическом напряжении развития тре­ щины.— Пробл. прочности, 1974, № 5, с. 73—75.

13.Волков С. Д. Проблема прочности и механика разрушения.— Пробл. прочнос­

ти, 1978, № 7, с. 3— 10.

14.Волощенко М . В., Торопов А. ИЛогарева 3. И. и dp. Изотермическая за­ калка чугуна с шаровидным графитом.— Металловедение и терм, обраб^ металлов, 1966, № 4, с. 43—48.

15.Гальперин М. Я . Характеристики выносливости металлов на двух стадия^ усталостного разрушения и различных базах испытаний.— Пробл. прочности, 1978, Ко 5, с. 22-35.

16.Гарф М. Э., Буглов Е. Г., Павловский В. Э. Об особенностях накопления усталостного повреждения при спектрах нестационарной напряженности, распространяющейся ниже исходного предела усталости,— Вести, машино­ строения, 19(54, Ко 6, с. 23—25.