ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 5, 2014
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕХАНИКА, ДИАГНОСТИКА, ИСПЫТАНИЯ
УДК 539.3+620.1
© 2014 г. Северов П.Б., Думанский A.M.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ СЛОИСТЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва
Проведено экспериментальное исследование механического поведения слоистого углепластика при квазистатическом и циклическом нагружении. Изучено однородное нелинейно-упругое с равномерным приращением касательного модуля деформирования углепластика. Выявлено условие начала развития процесса макроскопического разрушения. Выполнен анализ дискретно-непрерывных стадий разрушения, сопровождающихся высвобождением энергии. Построена диаграмма деформирования до полной утраты несущей способности материала. Предложенный подход может быть полезен при диагностике состояния элементов конструкций из композитов в процессе эксплуатации.
Нелинейный характер диаграммы деформирования слоистого углепластика предопределен нелинейными свойствами и количественным соотношением в укладке монослоев, входящих в состав композиционного материала [1, 2]. Нелинейное поведение монослоя зависит от угла ориентации волокон относительно оси приложения нагрузки. При растяжении и последующей разгрузке перекрестно-армированных образцов с небольшими углами ориентации волокон ±9 остаточные деформации не образуются, продольный касательный модуль Ехкас в конечной стадии диаграммы деформирования увеличивается на 10—15% по сравнению со значением Ехкас в начальной ее стадии. При таком же нагру-жении перекрестно-армированных образцов с углами ориентации волокон, близкими к ±45°, образуются остаточные деформации, Ехкас в процессе деформирования может уменьшаться до нуля и даже становиться отрицательным [2—4]. В работе приведены экспериментальные результаты исследования механического поведения слоистого углепластика КМУ-ЗЛ с укладкой [0°/ + 450/оЦ/ - 45°/0°/ + 45°/оЦ - 45°/0°]2i при статическом и циклическом нагружении. Направление вырезки образцов вдоль 0°. При статическом растяжении вплоть до разрушения образца основное внимание уделялось характеру диаграммы деформирования, изменению продольного касательного модуля Ехкас в процессе нагружения, моменту перехода от однородного к неоднородному деформированию по длине образца, заключительной стадии разрушения и механизмам разру-
Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3
шения (мгновенное расслоение, неустойчивость деформирования). При циклическом растяжении рассматривали вопросы накопления усталостных повреждений, изменения продольного модуля Ex в зависимости от числа циклов нагружения и диссипации энергии вследствие механического гистерезиса. Испытания проводили на электросер-вогидравлической установке INOVA ИК-6033, доукомплектованной современной системой сбора и обработки экспериментальной информации на базе электронной аппаратуры и программного продукта фирмы National Instruments США. Цель настоящей статьи — попытка описать наблюдаемые эффекты поведения слоистого углепластика на различных стадиях его деформирования при указанных видах нагружения.
Статическое нагружение. Статическое растяжение образцов прямоугольного поперечного сечения 10 х 5 мм с длиной рабочей зоны 100 мм из слоистого углепластика проводили в гидравлических захватах электросервогидравлической установки при постоянных скоростях перемещения плунжера v = 30 мкм/c и v = 12 мкм/с. Через каждые 0,5 с синхронно измеряли положение плунжера, силу и продольное удлинение образца, на боковой грани которого устанавливали экстензометр с базой 20 мм. На рис. 1 приведена диаграмма деформирования образца в координатах "продольная деформация ex — номинальное продольное напряжение ах", построенная по измеренным значениям силы и продольного удлинения (v = 30 мкм/с). Обозначенным на диаграмме характерным точкам соответствуют события: R — начало движения плунжера, F1 — последнее измерение до первого расслоения, f l — первое измерение после первого расслоения, F2 — последнее измерение до второго расслоения, f 2 — второе измерение после второго расслоения, F3 — последнее измерение до окончательного разрушения, Е — разделение на две части.
Исследование расслоения. Окончательному разрушению образца вне зоны экстен-зометра предшествовали происходящие "мгновенно" отделения 5—6 поверхностных слоев с его фронтальной плоскости и через несколько секунд 7 поверхностных слоев с противоположной плоскости. Данный вид разрушения описывается в литературе как расслоение образца из слоистого углепластика под действием межслойных растягивающих нормальных напряжений а , возникающих вблизи свободных кромок (направления осей: ох — по длине, oy — по ширине, oz — по толщине).
В эксперименте на статическое растяжение с управлением по перемещению при отсутствии проскальзывания ножек экстензометра значения измеряемого продольного удлинения в моменты времени непосредственно перед расслоением и сразу же после него, должны быть равны с точностью до приращения продольного удлинения по причине перемещения плунжера за время между измерениями. В этом случае точки Fl, f l и F2, f 2 должны попарно находиться на прямых линиях, параллельных оси ординат (рис. 1). Для пары точек F2, f 2 это выполняется удовлетворительно, а в паре Fl, f l точка fl сдвинулась влево по горизонтали вследствие незначительного уменьшения базы экстензометра. Продольная деформация ex и эффективное продольное напряжение ах (без учета пуассоновских эффектов) в "живой" части образца при его расслоениях непрерывно увеличиваются во времени вплоть до окончательного разрушения, что позволяет построить диаграмму деформирования внутренних слоев образца (рис. 2), претерпевших окончательное разрушение в точке F3 (v = 30 мкм/с).
При обработке диаграммы на рис. 2 получены следующие характеристики материала: ств = 690 МПа, предельное значение продольной деформации ех = 0,545%, Ех = 129,7 ГПа. Продольный модуль Ех определяли на визуально линейном участке перестроенной диаграммы деформирования до первого расслоения в точке Л. В независимом эксперименте [5] при строгом контроле соосности образца с направлением действия растягивающей нагрузки и измерении как продольной ех, так и поперечной деформации е^ при помощи фольговых тензодатчиков соответствующие характеристики этого же углепластика (образцы одной партии) оказались близкими ств = 670 МПа, ех = 0,517%, Ех = 127 ГПа.
Изменение продольного касательного модуля. Для анализа отклонения перестроенной диаграммы деформирования (рис. 2) от прямой линии вычисляли значения продольного касательного модуля Ех кас, зависимость которого от продольного напряжения ах представлена на рис. 3 (V = 30 мкм/с). К такому же результату приводит аналогичная обработка данных исходной диаграммы деформирования (рис. 1).
Рассмотрим поведение материала в рабочем диапазоне напряжений до первого расслоения. Этому диапазону напряжений соответствует как участок ^-1-^1 зависимости Ехкас от ах (рис. 3), так и участки Я-Г1 исходной (рис. 1) и перестроенной (рис. 2) диаграмм деформирования. Этот участок на рис. 3 состоит из двух последовательных участков: плавного ^-1 и резкого 1-Л увеличения Ехкас с явно выраженной точкой перехода 1 между ними. На участке плавного увеличения Ехкас наблюдается нелинейно-упругое поведение углепластика, так как касательный модуль не постоянен, а диаграмма нагружения до любого уровня напряжений в пределах этого участка строго совпадает с диаграммой последующей разгрузки. На этом участке в диапазоне изменения напряжений от 11 до 555 МПа касательный модуль почти линейно зависит от напряжения, эта зависимость имеет вид: Ехкас = 0,0182 х ах + 124,6. Одно из возможных объяснений плавного увеличения Ехкас слоистого углепластика с укладкой 26 слоев с углом ориентации волокон 0° и 8 слоев с углами ориентации волокон ±45° следует из положений, представленных в работе [2]. Увеличение Ехкас с такой структурой армирования есть следствие превышения числа слоев с углом ориентации волокон 0° над числом слоев с углами ориентации волокон ±45°. Увеличение Ехкас монослоя с углом ориентации 0° — результат поведения углеродного волокна. Уменьшение Ехкас монослоя с углом ориентации —45° или +45° — результат сдвига матрицы композита в направлении линии действия максимальных касательных напряжений вдоль волокон. Так как модуль не является непосредственно измеряемой величиной, а определяется из диаграммы деформирования делением приращения напряжения (измеряется сила) на приращение относительного удлинения (измеряется удлинение), то характер изменения касательного модуля полностью зависит от соотношения изменяющихся во времени силы и удлинения образца, синхронно измеряемых в процессе нагружеиия. При этом характер изменения наклона диаграммы также зависит от размеров зоны разрушения и расположения по отношению к ней измерителя удлинения.
Неустойчивость деформирования перед разрушением. Обратимся к данным статического растяжения образца при постоянной скорости перемещения плунжера V =12 мкм/сек. По аналогии с предыдущим образцом на рис. 4 и 5 приведены перестроенная диаграмма деформирования и зависимость продольного касательного модуля Ех кас от продольного напряжения ах. Разрушение происходило в зоне изменения геометрии образца (галтель) в два этапа: точка Л — поперечный разрыв большей части слоев, точка Г2 — долом оставшихся слоев с разделением образца на две части. Интересно отметить, что "мгновенному" разрыву большей части слоев предшествовал определенный этап S-F его подготовки, длившийся около 3 секунд (рис. 4). На этом этапе измеряемое усилие оставалось почти постоянным, а измеряемое удлинение образца на базе экстензометра 20 мм уменьшалось. Такое поведение углепластика перед разрушением можно объяснить неустойчивостью (саморазвитием) деформирования,
МПа
350
^хкас. ГПа
180 г
0,4 8„ %
120 60 0 -60
Я
¥1
Рис. 4
350 Рис. 5
700 а„ МПа
Рис. 4. Перестроенная диаграмма деформирования (v = 12 мкм/с)
Рис. 5. Зависимость продольного касательного модуля от продольного напряжения (v = 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.