Исследование усталостной прочности материалов при циклических нагрузках

ДИНАМИКА И ПРОЧНОСТЬ

УДК 678.017: 620.17

Т.М. Черникова, В.В. Иванов, В.И. Климов, Е.А. Михайлова

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

При решении задач обеспечения работоспособности конструкций из композиционных материалов существенная роль отводится неразрушающим методам контроля, позволяющим оценить качество изделий на этапах изготовления и эксплуатации, а также прогнозировать остаточный ресурс прочности. Особый интерес в этом отношении представляет метод, основанный на испускании импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ) при образовании микротрещин в материале, находящемся под нагрузкой. Тот факт, что параметры импульсов ЭМИ определяются кинетическими характеристиками повреждения композиционного материала [1], делает возмож-

ным установление качественных и количественных закономерностей развития этого процесса.

В настоящей работе проводилось исследование поведения композитов при циклическом сжатии с целью определения возможности использования метода ЭМИ для оценки усталостной прочности композитов.

Объектом проводимых исследований были образцы фе-нолоформальдегидных композиционных материалов (фенопластов) Ж13-010-89 (Ж-13) и Э39-0127-48 (Э-39). При подготовке образцов к исследованиям придерживались единой методики их приготовления, предварительной обработки и хранения. Для проведения измерений

образцы изготавливались партиями по 10 штук.

Изучение усталостной прочности проводилось на установке, подробно описанной работе [1]. Образцы с размерами 10x10x15 мм помещались в экранируемую ячейку для устранения электрических помех и нагружались в режиме одноосного сжатия циклически с частотой f= 0,001^0,005 Гц. Амплитуда циклов <Уа выбиралась в пределах (0,7^ 0,95) <Усж

(0'сж - разрушающее напряжение при сжатии). Показатель асимметрии циклов был равным

Г ~ . Л

нулю

R _ Отіп

_ 0

О

а ско-

V ~ max J рость нагружения и разгрузки в

Рис.1. Кинетические кривые накопления повреждений структуры композита Ж-13 при циклическом сжатии (—текущее время, время до раз-

рушения)

1 - а/асж = 0,9; 2 - а/с>сж = 0,91; 3 - а/стсж =

0,88; 4 - а/асж = 0,89

Рис. 2. Кинетические кривые накопления повреждений структуры композита Э-39 при циклическом сжатии

1 - ^/ссж = 0,93; 2 - ^/ссж = 0,92; 3 - ^/ссж = 0,91

74

Т.М. Черникова, В.В. Иванов, В.И. Климов, Е.А. Михайлова

Таблица

Основные механические характеристики композитов Ж-13, Э-39 при сжатии

Мате- риал Энергия активации разрушения По, Дж Структурный коэффициент У, м3 Предел прочности на сжатие сгж, Мпа Температура размягчения Тт, K Температура испытаний Т, K

Ж-13 1,54-10-19 9,1-10-29 173 473о 293

Э-39 1,55-10-19 9,2-10-29 210 530о 293

лишь несколько процентов от карбонатом кальция (Ж-13) и

всего объема образца, где лока- стеклопорошком (Э-39) - в ка-

Рис.3. Кривые усталости при одноосном циклическом сжатии образцов из композиционных материалов  - Ж-13 (эксперимент); • - Э-39 (эксперимент);

— - теория

пределах каждого цикла оставалась постоянной (<г = const) .

Число микроповреждений определялось в реальном масштабе времени по счетчику на основе счета числа импульсов электромагнитного излучения, выделяемых в процессе нагружения образцов. Типичные приведенные кинетические кривые накопления повреждений структуры композитов Ж-13 и Э-39 показаны на рис. 1, 2. Данные кинетические кривые, полученные при циклических режимах нагружения, практически мало отличаются по форме от кинетических кривых, получаемых при нагружении с постоянной скоростью вплоть до полного разрушения образцов. Это связано с тем, что в соответствии с моделью накопления повреждений структуры композитов, число микротрещин, накапливаемых за полупериод нагружения и за полупериод разгрузки (при условии, что скорость нагружения и скорость разгрузки одинаковы), теоретически совпадают. Поэтому качественно накопление повреждений в каждом цикле происходит таким образом, как если бы образец находился под воздействием непрерывно возрастающей нагрузки [1].

Существенным отличием циклического нагружения, однако, является то обстоятельство, что предельное число микротрещин N* при большом числе циклов оказывается в 10-15 раз больше, чем при однократном нагружении образца до полного его разрушения. Это связано с тем, что при нагружении образцов до полного их разрушения очень быстро образуется очаг, т.е. узкая область, которая по объему составляет

лизуется процесс накопления повреждений структуры и где этот процесс сразу переходит на стадию ускоренного трещино-образования и возникновения магистрального макроразрыва. При большом числе циклов нагружения-разгрузки, особенно при небольших амплитудах нагружения, стадия делокализо-ванного накопления микротрещин становится более продолжительной, что приводит к накоплению на этой стадии большого числа микротрещин, практически равномерно рассеянных по объему всего образца. При этом критическая концентрация их С* практически не зависит от режима нагружения и определяется лишь размером микротрещин.

На рис. 3 показаны кривые усталостной прочности образцов Ж-13 и Э-39 с новолачной фенолоформальдегидной смолой в качестве связующего,

честве наполнителя. Основные средневыборочные значения механических характеристик данных материалов, полученные по результатам испытаний, приведены в таблице [2].

Кривые усталостной прочности на рис. 3 композитов Ж-13 и Э-39 получены из выборок, включающих результаты испытаний 20 образцов (по 10 для каждого материала) при различных амплитудах сжимающей нагрузки (&тах = ). Сравнение

кривых усталости показывает, что при средней частоте циклической нагрузки / = 0,003 Гц число циклов до полного разрушения (пц) образцов с карбонатом кальция в качестве наполнителя оказывается при одних и тех же амплитудах нагрузки выше, чем для образцов, наполненных стеклопорошком, что обусловлено большей хрупкостью образцов Э-39.

Сплошные кривые на рис.3

получены расчетным путем, исходя из средневыборочных значений кинетических констант разрушения для каждого материала (табл. 1), по формуле [2]:

Пц = X ) /

/ [вхр(усд/кТ) - 1\ где т0 ~ 10-13 с - период тепловых колебаний молекул; Ьс = 21,5 - масштабный коэффициент; ио = ио(1 - Т/Тт);

~ = /(1 - Т / Тт ); ста - ампли-

туда меняющейся нагрузки; Па; / - частота нагружения, Гц; к

- постоянная Больцмана.

Рост частоты на два-три порядка приводит к увеличению числа циклов в такой же пропорции.

В настоящей работе приведены результаты экспериментального исследования усталостной прочности полимерных композиционных материалов с целью изучения возможности использования новых принципов прогноза разрушения на ос-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

нове регистрации импульсного электромагнитного излучения при нагружении композитов. Установлена достаточно удовлетворительная корреляция между расчетными и опытными значениями усталостной прочности фенопластов при сложных циклических режимах нагружения, что свидетельствует о возможности использования метода ЭМИ для прогнозирования разрушения композитов.

1. Климов В. И., Черникова Т. М. Контроль разрушения и долговечности полимерных композитов. -Кемерово: АИН. - 1997.- 151 с.

2. Иванов В.В., Климов В.И., Черникова Т.М. Кинетика разрушения и усталостная прочность полимерных композиций. - Кемерово: ГУ КузГТУ. -2003. - 233 с.

Авторы статьи:

Черникова Татьяна Макаровна

- канд. техн. наук, доц. каф. общей электротехники

Иванов Вадим Васильевич

- докт. техн. наук, проф. каф. теоретической и геотехнической механики

Климов Вячеслав Иванович

- канд. хим. наук

Михайлова Екатерина Александровна

- асс. каф. общей электротехники

УДК 678.017:620.17

Т.М. Черникова, В.В. Иванов, Е.А. Михайлова

О КИНЕТИКЕ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИХ РАСТЯЖЕНИИ

В настоящее время при решении задач прочности и долговечности конструкций из композиционных материалов большое значение имеет подробное изучение процессов разрушения, в качестве метода исследования которых может быть выбран метод регистрации импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ) [1,2].

Реализация потенциальных возможностей метода ЭМИ как средства диагностики и кинетики разрушения композиционных материалов сдерживается отсутствием общего подхода к изучению связи характеристики повреждаемости материала с параметрами ЭМИ. Однако методу ЭМИ присущи новые подходы, заключающиеся в непосредственной оценке влияния

дефекта на прочность контролируемого объекта [1,2], основанной на том, что если дефект развивается, то он излучает импульс и можно определить момент достижения трещиной критического размера, то есть фактически контролировать ход процесса.

В настоящее время среди различных теорий прочности материалов выделяется кинетическая теория разрушения, которая начала разрабатываться в 50-е гг. ленинградской научной школой во главе с С.Н. Журко-

вым. Согласно этой теории твердое тело представляет собой физическую среду, в которой действие внешней силы зависит от взаимодействия атомов, находящихся в тепловом движении. При этом важную роль играют неравномерность теплового движения. Разрушение рассматривается как необратимый процесс накопления субмикро- и микротрещин, возникающих в результате термо-флуктуационных разрывов межатомных связей в механически напряженном материале.

Рис.1. Исследуемые образцы фенопластов в форме лопаточки