книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов

крутильных колебаний с высокой частотой и малой амплитудой. В специализированном программном обеспечении WaveMatrix задавались параметры нагружения: скорость перемещения активного захвата 0,2 мм/мин на растяжение, частота крутильных колебаний от 5 до 30 Гц с амплитудой а от 0,5 до 1,5°.

Рис. 4.4. Образец однонаправленной стеклопластиковой арматуры, установленный в захваты испытательной системы

В результате проведения испытаний были получены новые экспериментальные данные, отражающие влияние дополнительных вибрационных воздействий на реализацию закритической стадии деформирования однонаправленных полимерных композиционных материалов. В качестве примера на рис. 4.5 приведены диаграммы растяжения образцов однонаправленного стеклопластика без вибраций 1 и с дополнительными вибрационными воздействиями с частотой 20 Гц и амплитудой угла закручивания 0,5 градуса. Результаты испытаний с различными параметрами

81

вибрационных воздействий со смещением по оси абсцисс на 1 мм приведены на рис. 4.6.

Рис. 4.5. Диаграммы нагружения композиционных образцов-стержней: 1 – без наложения дополнительных вибраций; 2 – с вибрационным воздействием при 20 Гц, φа 0,5

Рис. 4.6. Характерные диаграммы нагружения композиционных образцов-стержней: 1 – при одноосном растяжении;

2 – с вибрационным воздействием при 20 Гц, φа 0,5 ; 3 – с вибрационным воздействием при 10 Гц, φа 1,0

Отмечено, что образцы, нагруженные без дополнительных крутильных колебаний, разрушались динамически при дости-

82

жении максимальной нагрузки, что сопровождается выбросом накопленной в процессе деформирования энергии. Дополнительные вибрационные воздействия приводят к снижению жесткости образца и могут оказывать стабилизирующее влияние на реализацию закритической стадии деформирования и процессы разрушения образцов-стержней стеклопластиковой арматуры. Переход к динамическому механизму разрушения у образцов, подвергнутых крутильным колебаниям, происходил при меньших значениях прикладываемой нагрузки и, следовательно, при меньшей величине упругой энергии, запасенной к моменту разрушения. Таким образом, на основе полученных опытных данных можно сделать вывод о стабилизирующем влиянии параметров дополнительных крутильных колебаний на поведение композиционных материалов в процессе разрушения на закритической стадии деформирования.

4.2. Влияние предварительных ударных воздействий на проявление закритической стадии деформирования композиционных материалов

Рассмотрены различные способы реализации дополнительных ударных воздействий и их влияние на процессы деформирования и разрушения, а также на остаточные механические свойства композиционных материалов. Рассмотрено три варианта реализации комбинированных воздействий: ударный трехточечный изгиб падающим грузом с последующим квазистатическим растяжением, сосредоточенный поперечный удар и сжатие до полного разрушения, предварительное динамическое и статическое растяжение. В результате анализа существующих методик исследований и стандартов испытаний разработана и апробирована методика экспериментального исследования влияния предварительных ударных воздействий различной интенсивности на реализацию закритической стадии деформирования композиционных материалов [79].

83

Методика включала в себя предварительное ударное воздействие падающим грузом с последующим квазистатическим сжатием образцов-пластин углепластиковых композиционных материалов. Для реализации таких режимов нагружения использовались испытательные системы Instron CEAST 9350 (ударные воздействия) и Instron 5989 (квазистатическое сжатие). Испытания проводились на углепластиковых образцахпластинах, изготовленных методами 3D-ткачества, размерами 150×100×4 мм (рис. 4.7). Реализовано 3 уровня потенциальной энергии предварительного ударного воздействия (30, 40 и 50 Дж). Результаты испытаний представлены в виде диаграмм нагружения образцов-пластин с различной интенсивностью ударного воздействия (рис. 4.8).

Рис. 4.7. Фотографии образца-пластины в испытательной камере CEAST 9350 (а) и образца при квазистатическом сжатии после удара (б)

Дополнительное предварительное ударное воздействие значительно влияет на поведение образцов-пластин композиционного материала на закритической стадии деформирования и процесс разрушения. Несмотря на то, что ударное воздействие снижало значения максимальной разрушающей нагрузки при сжатии

84

(в среднем на 10–15 %), последующая реализация участка равновесного закритического деформирования имеет более выраженный и протяженный характер.

Рис. 4.8. Диаграммы нагружения образцов-пластин: 1 – без ударного воздействия; 2 – удар 30 Дж; 3 – 40 Дж; 4 –50 Дж; штриховой линией обозначены зоны динамического разрушения

Такое поведение материала может оказывать благоприятное влияние на равновесное протекание процессов разрушения, что при рассмотрении элементов конструкций, изготовленных из композиционных материалов, будет способствовать снижению катастрофичности разрушения и повышению живучести изделий в аварийных ситуациях, когда разрушение не сопровождается выбросами накопленной упругой энергии.

Проведено исследование поверхностей изломов образцов композиционных материалов при испытаниях после дополнительных ударных воздействий различной интенсивности. Объектом являлись образцы-пластины углепластиковых композитов 3D-ткачества, подвергнутые предварительному ударному воздействию и последующему квазистатическому сжатию. Фотографии изломов образцов приведены на рис. 4.9.

85

5. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ РАВНОВЕСНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ТЕЛ С ТРЕЩИНАМИ

ИТРЕЩИНОПОДОБНЫМИ ДЕФЕКТАМИ

СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДХОДОВ МЕХАНИКИ ЗАКРИТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

5.1.Установление общих закономерностей закритической стадии деформирования

и характера поведения тел с трещинами

Прогнозирование процессов разрушения, оценка живучести и безопасности конструкций требуют изучения процессов возникновения и развития трещин и трещиноподобных дефектов в процессе нагружения или эксплуатации. Особого внимания заслуживает анализ условий, при которых реализуется равновесное развитие и распространение трещин. Поведение тел с трещинами в условиях снижения нагрузки при увеличивающихся перемещениях (величин раскрытия или длины трещины) рассматривается по аналогии с закономерностями закритического поведения образцов материалов в испытаниях. С этой целью проведены экспериментальные исследования на плоских образцах алюминиевого сплава в виде полос с центральным симметричным надрезом и предварительной усталостной трещиной.

В качестве материала для испытаний выбран лист алюминиевого сплава Д16Т толщиной 2 мм. Образцы изготавливались методом абразивной резки, эскиз представлен на рис. 5.1. Предварительные усталостные трещины выращивались при циклическом нагружении (растяжение-сжатие) с различными параметрами циклов (уменьшение амплитуды и размаха нагрузки) для минимизации зоны пластического деформирования в области вершины трещины.

Испытания проводились на сервогидравлической испытательной системе Instron 8801 с использованием датчика раскрытия трещины COD Instron 2670-122 (рис. 5.2). Технические характеристики датчика: база измерения составляет 10 мм, диапазон измере-

87

ний до 4 мм, линейность менее ±0,2 % от полной измерительной шкалы, гистерезис менее ±0,2 % при 60 % от полной шкалы, повторяемость менее ±0,1 % от полной шкалы, температура использования датчика лежит в диапазоне от –200 до +200 °С.

На рис. 5.3 приведены фотографии образца с равновесно растущей трещиной в процессе испытания (начальная длина усталостной трещины 9,1 мм).

Рис. 5.3. Фотографии образца с равновесно растущей трещиной в процессе испытания

88

Построены графики изменения нагрузки от величины раскрытия трещины, получены значения максимальных нагрузок (табл. 5.1). Полученные значения величин раскрытия трещины использовались для расчета длины трещины с помощью построенной полиномиальной функции

y 59,69x5 149,08x4 118,92x3 61,99x2 6,94x 18,58 .

Таблица 5.1

Значения предельной нагрузки и начальных длин трещин

Врезультате построены графики зависимости изменения нагрузки от длины трещины в процессе одноосного растяжения для разных начальных длин усталостной трещины (рис. 5.4).

Впроцессе одноосного растяжения наблюдалось ступенчатое разрушение образцов, что сопровождалось попеременным переходом от равновесного роста к динамическому распространению

89

трещины. На каждом этапе равновесного развития трещины возможно остановить испытание и тем самым приостановить процесс распространения трещины. На рис. 5.4 все графики, кроме кривой 2, приведены до первого срыва на диаграмме. Кривая 2 представлена полностью до момента макроразрушения образца.

Рис. 5.4. Зависимость величины нагрузки от длины трещины при одноосном растяжении для образцов с разной длиной начальной усталостной трещины: 1 – 6,6 мм; 2 – 7,7 мм; 3 – 8,7 мм; 4 – 9,1 мм;

5 – 10,5 мм; 6 – 17,9 мм; 7 – 20,5 мм; 8 – 24,9 мм

Необходимо отметить, что все кривые для образцов с различной длиной начальной усталостной трещины на участке снижения нагрузки достаточно хорошо совпадают. Таким образом, по аналогии с рассматриваемыми в работах авторов закономерностями закритического деформирования при обеспечении достаточной жесткости нагружающей системы по отношению к зоне распространения трещины представляется возможным получить полные диаграммы растяжения образцов с малыми начальными

90