Исследования трещиностойкости армированных композиционных материалов по моде II с применение ENF-метода

Применительно к слоистым керамическим композиционным материалам, тре- щиностойкость характеризуется величинами критической скорости высвобождения упругой энергии деформации (GI, GII, GIII), соответствующими трем основным

Рис. 1. Основные виды смещения поверхностей трещины: нормальный отрыв (I), поперечный (II) и продольный (III) сдвиг

Скорость высвобождения упругой энергии G представляет собой потерю внутренней энергии dU на единицу ширина образца при бесконечно малом увеличении длины трещины da, растущей при приложении постоянного перемещения. Ско- видам смещения поверхности трещины (рис. 1). Характеристику G также называ- ют вязкостью разрушения. Данные характеристики по существу являются константами материала и используются для описания различных моделей разрушения.

рость высвобождения энергии может быть выражена:

1 dU b da

Величину G определяют экспериментально для каждого вида смещения поверхностей трещины. В общем случае, испытания ККМ на трещиностойкость сводятся к испытаниям образца с начальным расслоением. Для каждого типа смещения поверхности трещины используется соответствующая схема нагружения. В рамках настоящей работы рассмотрено экспериментальное определение и отработка методики испытаний трещиностойкости на относительно дешевых полимерных ком- позиционных материалах, армированных непрерывным волокном при смещении поверхности трещины по типу II.

Методика проведения испытаний

Методы определения характеристики трещиностойкости при смещении поверхности трещины по типу II (GIIc) основаны на испытаниях плоского образца с начальным расслоением, получаемым на стадии изготовления, на изгиб: трехточечный, консольный или четырехточечный (рис. 2).

End Notched Flexure (ENF)

End Loaded Split (ELS)

Four Point Bend ENF (-1ENF)

Рис. 2. Схемы нагружения для определения характеристик трещиностойкости по типу II

При использовании данных схем нагружения, реализуется поперечный сдвиг поверхности трещины. Использованный в рамках настоящей работы метод определения GIIc при трехточечном изгибе образца с начальным расслоением регламентирован ГОСТ 33685-2015 [1] и ASTM D7905 [2] и носит название End Notched Flexure (ENF). По результатам испытаний данным методом определяют значение GIIc только при первом смещении трещины, так как дальнейший рост трещины при данной схеме нагружения не стабилен.

Непосредственно перед испытанием для каждого образца определяют поправку на податливость путем серии нагружений на нагрузках, не превышающих нагрузку страгивания трещины. Для этого образец устанавливают в приспособление для трехточечного изгиба так, чтобы длина трещины составляла а0=15, 20, 25, 35 и 40 мм. Для каждого положения образца (т.е. различной длины трещины) определяют податливость С, мм/Н, согласно соотношению:

С = —

P

где ^- - перемещение нагружающей опоры, мм; Р- нагрузка, Н.

По полученным данным строят зависимость податливости образца (С) от куба длины начальной трещины (а3), по которой методом наименьших квадратов определяют коэффициенты С0 и m уравнения (рис. 3).

Рис. 3. Калибровка по податливости

После калибровки по податливости проводят испытания образца до смещения трещины. Скорость высвобождения упругой энергии деформации при смещении трещины по типу II определяется соотношением:

G

II

2               2/3    1/3

3 P ( С - С _о) m 2b

где C0, m – коэффициенты уравнения калибровочной зависимости, P – нагрузка, Н; b – ширина образца, мм; С – податливость образца, мм/Н

Экспериментальная часть

В рамках данной работы испытания образцов КМ на трещиностойкость при продольном сдвиге (тип II) проводились так называемым ENF методом на образцах из непрерывно армированного композиционного материала. В качестве наполнителя использовалась равнопрочная углеродная ткань УТО-1000, в качестве матрицы – связующее Т-26. На рисунке 4 представлен образец с начальным расслоением в испытательной оснастке. Каждый образец предварительно был нагружен с различным значением начальной длины трещины (а0=15, 20, 25, 35, 40 мм) для последующего определения зависимости податливости от длины трещины и вычисления поправки на податливость. Предварительные нагружения осуществлялись до нагрузки Р = 500 Н при расстоянии между опорами L = 100 мм.

Рис. 4. Образец ПКМ №4 с начальным расслоением в испытательной оснастке для испытаний на трещиностойкость по типу II

Податливость для каждого длины трещины определялась как отношение перемещения к нагрузке (2). Зависимость податливости от длины трещины для образца №1 (УТО1000/Т26) представлена на рисунке 5.

По уравнению полученной прямой определены коэффициенты С0 и m – поправки необходимые для расчета искомой характеристики GIIC (соотношение 3).

Рис. 5. Зависимость податливости образца от начальной длины трещины

Co-1,68‘10"8 m=0,00145

После определения указанных коэффициентов следовали непосредственно испытания на трещиностойкость. Образец устанавливался на опоры испытательной оснастки таким образом, чтобы длина начального расслоения а0 (в данном случае рас- стояние от опоры до вершины трещины) составляло 25 мм, и нагружается до момента смещения трещины. На рисунке 6 представлены диаграммы нагружения образцов исследуемого углепластика.

Рис. 6. Диаграмма нагружения образцов ПКМ с трещиной при трехточечном изгибе

Значения характеристики трещиностойкости определялись из соотношения (3) и представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты испытаний образцов углепластика (УТО1000/Т26) на трещино-стойкость при типу II

Метка образца	Ширина [mm]	Толщина [mm]	Макс.  На грузка [N]	Перемещение [mm]	Податливость С [mm/N]	GIIс, кДж/м2
№1 А0=25мм	25	4,3	1 548,6	2,96	0,00173	1,569
№2 А0=25мм	25	4,3	1 502,9	2,923	0,00172	1,679
№3 А0=25мм	25,1	4,2	1 705,4	3,437	0,00176	2,133
№4 А0=25мм	25,1	4,3	1 635,6	3,224	0,00171	1,291
№5 А0=25мм	25,1	4,3	1 611,2	3,033	0,00168	1,086
№6 А0=25мм	25	4,3	1 574,0	3,04	0,00174	1,208
№7 А0=25мм	25,1	4,3	1 560,2	2,997	0,00173	1,193
Среднее					0,00173	1,451
Коэффициент вариации, %					1,44439	20,228

Результаты работы

В рамках настоящей работы отработан метод определения характеристики тре-щиностойкости на полимерных компоици-онных материалах при смещении поверхности трещины по типу II. Метод показал свою работоспособность и достаточную стабильность получаемых результатов для полимерных композиционных материалов и может быть применяться для определения трещиностойкости керамических композиционных материалов типа C/SiC и SiC/SiC

Как было упомянуто ранее, характеристики трещиностойкости используются для описания различных моделей разрушения. Одной из таких моделей является так называемый «B-K критерий разрушения» [3]:

G = G, + ( G„ - G , )( G ,./ G_T) ⁿ       (4)

• c Ic IIc Ic II T

где GIc – критическая скорость высвобождения упругой энергии деформации при смещении трещины по типу I; GIIc – критическая скорость высвобождения упругой энергии деформации при смещении трещины по типу II; GT – общая действующая энергия; Gc – общая критическая энергия.

GT=GI+GII                 (5)

Gc=GIc+GIIc                (6)

Коэффициент η определяется как степень аппроксимирующей кривой зависимости Gc(GII/GT), приведенной на рисунке 7.

Рис. 7. Параметры «B-K» критерия разрушения

Таким образом, полученная в рамках настоящей работы характеристика (GII), в купе с ранее проведенными экспериментами по определению характеристик GIС и Gmix, пригодна для использования и фор- рованных композиционных материалов, в том числе керамических, что в последую- щем позволит провести расчетное моделирование роста трещины в образцах и деталях из керамического композиционного мирования указанного критерия для арми- материала.