Экспериментальное изучение предельных деформаций и разрушение стеклопластиков с концентраторами напряжений

PNRPU MECHANICS BULLETIN

Влияние концентраторов на глобальное поведение структур композиционных материалов вызывает значительное снижение прочности и срока службы составных структур. Наличие отверстия в образце можно использовать для моделирования других сложных форм повреждений, таких как удары или сквозные трещины [1– 4]. В научной литературе отечественными и зарубежными авторами [5; 6] отмечается, что сложность структуры композиционных материалов приводит к необходимости рассматривать дефекты на различных масштабных уровнях и на разных стадиях изготовления структурных компонентов, материалов и изделий. В работах приведенных авторов было отмечено, что разрушение обычно наблюдается в области, не совпадающей с точкой максимального коэффициента концентрации осредненных напряжений.

Особый интерес представляет установление связи между масштабным эффектом и параметром структурной неоднородности материала. Чем больше размеры образца, тем больше в нем может быть всякого рода дефектов – пустот, включений, участков с различными внутренними и внешними повреждениями. Поскольку отверстия разного размера вовлекают в работу различные объемы материала, которые, в свою очередь, включают в себя разное количество элементов структуры, процессы деформирования могут вести себя по-разному, особенно, когда размер отверстия сопоставим с величиной структурного элемента. Для структурно- неоднородных материалов в зону концентрации напряжений попадает разное количество структурных элементов, реализуются различные механизмы разрушения этих элементов. С размером структурного элемента связан масштабный эффект (эффект абсолютного размера, англ. scale effect), учет которого необходим при постановке модельных экспериментов [7–11].

В целом термин «эффект абсолютного размера» относится к влиянию размера образца на механические характеристики, такие как прочность. Размерные эффекты в горной инженерии представляли особый интерес в течение последних четырех десятилетий, и было проведено много исследований для понимания этого явления. Для прогнозирования разрушения бетона фундаментальное значение имеет эффект размера материала [12; 13]. Номинальная прочность всегда уменьшается с увеличением размера образца. Механическое поведение бетона характеризуется квазихрупкостью в лабораторных условиях, но в достаточно больших масштабах имеет тенденцию становиться совершенно хрупким [14]. Вопрос о размерном эффекте материала стал решающим при проектировании бетонных конструкций, для которых установлено различие между масштабами в лабораторных испытаниях. Среди различных теорий размерного эффекта материала Базант [14] установил, что детерминированный размерный эффект на номинальную прочность вызван наличием большой зоны разрушения (FPZ) характерного размера, которая всегда предшествует дискретным макротрещинам. Размерные эффекты не ограничиваются горными породами. Ре- зультаты, полученные в работе [15], дают прямое доказательство того, что ширина образца C/SiC оказывает большое влияние на механические свойства. В работе [11] отмечено влияние масштабного эффекта на прочностные характеристики и даны рекомендации выбору оптимального соотношения ширины образца и размера отверстия для композиционного материала PET (rPET) при статических испытаниях. В работе [16] приведены исследования, позволяющие оценить то, как концентрация напряжений и деформаций в ортотропных композитных пластинах влияют на размер и форму отверстия, количество слоев, ориентацию волокон и кривизну пластины с помощью расчетных данных.

Оценка прочности образцов с отверстиями является сложной̆ задачей̆ даже при простом нагружении из-за взаимодействия различных видов повреждений. Распределение напряжений вокруг отверстий оценивается с помощью вычислительных методов и экспериментального анализа напряжений. Важным научным направлением являются эксперименты с применением комбинированных способов исследования разрушения композитных объектов с концентраторами в виде отверстий, вырезов и выточек для анализа напряженно-деформированного состояния материала [17–20]. В работах многих авторов отмечается перспективность совместного использования видеосистемы бесконтактного измерения и анализа полей̆ перемещений и деформаций для анализа механического поведения композитов при различных видах квазистатического и циклического нагружения [21–29]. Также одним из эффективных методов диагностики структурной̆ целостности и обнаружения развивающихся дефектов под воздействием нагрузки в конструкционных материалах является метод акустической̆ эмиссии (АЭ). Изучение процессов накопления повреждений в композитах дает понимание о стадийности разрушения структурно-неоднородных материалов, что, в свою очередь, необходимо при создании ответственных конструкций и сооружений из композиционных материалов [30–36].

Таким образом, полученные в работе результаты в области экспериментальной механики композитов имеют существенное значение для развития моделей и методов прочностного анализа элементов ответственных композитных конструкций. Основная цель исследования в накоплении экспериментальных данных об особенностях механического поведения современных композиционных материалов с концентраторами напряжений, в частности, оценка влияния размера отверстия на степень снижения несущей способности композитов, а также исследование механического поведения и масштабного фактора на геометрически подобных образцах.

1.    Материал и методика

С целью оценки влияния размера отверстия на степень снижения несущей способности композитного объекта был рассмотрен стеклотекстолит СТЭФ. Это слоистый армированный стеклопластик, полученный методом горячего прессования стеклотканей, пропитанных термореактивным связующим на основе совмещенных эпоксидной и фенолформальдегидной смол. Испытания проводились на электромеханической системе Instron 5882 c использованием камер Prosilica 50 мм. Сплошные образцы (4×25×150 мм) были испытаны для определения основных механических свойств со скоростью удлинения u′0=2 мм/мин. Продольная и поперечная деформация регистрировалась с использованием дополнительного модуля программного обеспечения видеосистемы «виртуальный экстензометр». Всего на образец устанавливалось по два «виртуальных экстензометра» справа и слева от отверстия в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2, b. Для отработки методики и оценки влияния структурного элемента проводились испытания образцов (4×25×150 мм) на одноосное растяжение с разной величиной диаметра сквозного отверстия d=2, 4, 6, 8, 10, 12 мм со скоростью удлинения u′0=2 мм/мин.

Программа исследований по оценке влияния структурных и размерных параметров композитных образцов с концентратором напряжений в форме сквозного кругового отверстия включала в себя проведение механических испытаний на одноосное растяжение трех групп образцов-полосок с различным диаметром отверстия ( d ) 2, 4 и 6 мм. Следует отметить, что при подборе ширины ( h ) и длины ( l ) рабочей части образца соблюдалось подобие геометрических размеров. В частности, ширина рабочей части равна шести диаметрам отверстия ( h =6 d ), длина рабочей части – четырнадцати диаметрам отверстия ( h =14 d ), при этом толщина образца была неизменна (табл. 1). Стоит отметить, что верхний предел размера по ширине образца, как правило, максимум около 50 мм. Это ограничение связано с предельным размером захвата испытательной системы. Кинематическое нагружение реализовано при постоянной скорости перемещения траверсы испытательной системы u ′ 0 =0,28 мм/мин (для образцов с d =2 мм), u ′ 0 =0,56 мм/мин ( d =4 мм) и u ′ 0 =0,84 мм/мин ( d =6 мм) (0,04 мин^-1).

Таблица 1

Геометрические размеры композитного образца

Table 1

Geometric dimensions of the composite specimen

№ п/п	Диаметр отверстия, мм	Ширина рабочей части, мм	Длина рабочей части, мм	Общая длина, мм	Скорость нагружения, мм/мин
	d	h =6 d	l =14 d	L	0,01^ l
1	2	12	28	88	0,28
2	4	24	56	153	0,56
3	6	36	84	184	0,84

Цифровая оптическая система использовалась для регистрации деформации на структурно-неоднородной поверхности композитного образца. Значение среднего напряжения σ определялось как отношение приложен- ной силы к толщине образца (H) и 5 диаметрам (d) в соответствии с формулой (1). Стоит отметить, что расчет среднего напряжения σ образца с концентратором осуществляется за вычетом отверстия из общей ширины (в сечении образца с наименьшей площадью).

σ=

P

H ⋅ 5 d ^.

Для регистрации сигналов акустической эмиссии использовалась многоканальная система AMSY-6. В испытаниях был применен широкополосный датчик АЕ144А с рабочим диапазоном частот до 500 кГц и предусилитель с коэффициентом усиления 34 дБ. Частота дискретизации данных составила 10 МГц, пороговое значение регистрации сигналов АЭ – 40 дБ. В качестве информативных параметров использовались энергетический параметр, амплитуда сигналов и частота спектрального максимума (характеристика быстрого преобразования Фурье). Энергетический параметр сигналов АЭ рассчитывался с помощью специальной программной опции в единицах энергии (eu).

После проведения механических испытаний образцы были исследованы с применением оптического стереомикроскопа Carl Zeiss Stereo Discoverу V12 с 63х увеличением.

2.    Результаты и обсуждение 2.1.    Оценка влияния размера концентратора напряжений при изучении процессов неупругого деформирования и разрушения

Прочность композитного образца уменьшается с увеличением диаметра отверстия. Отличительный характер поведения наблюдается на восходящих и ниспадающих участках, что свидетельствует о разных механизмах разрушения структурных элементов. В табл. 2 записаны значения максимальной нагрузки ( P ) и соответствующее перемещение ( U ).

Анализ поврежденности композиционного материала вследствие развития макротрещин проводился с использованием микроскопа. В области больших деформаций вокруг отверстия с обеих сторон наблюдается разрыв волокон, свидетельство этого приведено на фо- тографиях поверхности образца (рис. 1). Также наблюдается растрескивание матрицы и расслоение. После разрушения матрицы в материале происходит отслоение волокон и впоследствии их разрушение.

Таблица 2

Значения максимальной нагрузки ( P ) и соответствующее перемещение ( U ) для образцов различного диаметра d 1 - d 6

Table 2

Maximum load ( P ) and corresponding displacement ( U ) values for specimens with different diameters d 1 - d 6

Обозначение	d , мм	P , кН	U , мм
d 0	0	28,3	4,4
d 1	2	24,5	4,3
d 2	4	19,9	3,3
d 3	6	17,4	3,0
d 4	8	15,1	2,8
d 5	10	14,1	2,3
d 6	12	12,2	2,1

Начальные участки кривых P~U совпадают, модуль упругости не зависит от размера диаметра. Как видно из полученных результатов, приведенных на рис. 2, несущая способность композитного образца уменьшается с увеличением диаметра отверстия. Отличительный характер поведения наблюдается на восходящих и ниспадающих участках, что свидетельствует о разных механизмах разрушения структурных элементов.

Для дополнительной оценки влияния размера концентратора напряжений относительно параметров структуры слоисто-волокнистого композиционного материала при изучении процессов неупругого деформирования и разрушения ниже приведены неоднородные поля продольных деформаций на поверхности образца (рис. 3). Поля получены при уровнях нагрузки 100, 75, 50 % от Р max , причем Р max совпадает с σ max .

В области малого отверстия при d =2 мм наблюдается характерная неоднородность в области отверстия при уровне деформаций 75 % от P max . В остальных случаях ( d =4, 6, 8, 10 и 12 мм) неоднородность проявляется при 50 % от P max . Слева и справа от отверстия зафиксированы зоны с максимальным значением деформаций, снизу и сверху присутствуют зоны разгрузки.

d = 2 мм

d = 4 мм

d = 6 мм

d = 8 мм

d = 10 мм

d = 12 мм

Рис. 1. Фотографии структуры стеклопластика после разрушения образца

Fig. 1. Photographs of the fiberglass structure after sample fracture

а

b

Рис. 2. Диаграмма нагружения ( а ) и деформирования ( b ) для образцов с различными диаметрами отверстия при испытаниях на одноосное растяжение

Fig. 2. Loading ( a ) and deformation diagram ( b ) for specimens with different hole diameters in uniaxial tensile tests

σ =130,2 МПа

σ =195,5 МПа

σ =260,6 МПа

σ =113,2 МПа

σ =112,7 МПа

σ =168,8 МПа

σ =225,6 МПа

σ =168,4 МПа

' ,4 '  - ' - I в -----

σ =224,5 МПа

σ =111,4 МПа

50 % P max

σ =166,7 МПа

75 % P max

σ =222,6 МПа 100 % P max

σ =104,9 МПа

σ =112,0 МПа 50 % P max

σ =157,2 МПа

σ =166,2 МПа

75 % P max

σ =210,1 МПа

σ =221,5 МПа 100 % P max

Рис. 3. Неоднородные поля продольных деформаций на поверхности стеклопластиковых образцов с концентраторами разного диаметра

Fig. 3. Inhomogeneous longitudinal strain fields on the surface of fiberglass specimens with concentrators of different diameters

С помощью системы AMSY-6 регистрировались сигналы акустической эмиссии. Перед началом испытания была произведена калибровка и подобрано оборудование. Использовались широкочастотный пьезоэлектрический датчик AE144А (частотный диапазон 50–450 кГц) и предусилитель (коэффициент усиления 34 дБ). Частота дискретизации данных составляла 10 МГц, пороговое значение при регистрации сигналов АЭ – 40 дБ.

Каждый сигнал представляет собой одно событие акустической эмиссии и содержит в себе определенные характеристики, которые позволяют провести комплексный параметрический анализ. В работе были использованы энергетический параметр, количество сигналов, пиковые амплитуда и частота.

Кумулятивная энергия – суммарная энергия за все предыдущие временные промежутки. Исходя из значений кумулятивной энергии, можно судить о процессе накопления повреждений в материале. На рис. 4 представлена диаграмма зависимости кумулятивной энергии от времени образцов с разным диаметров отверстий. Максимальное значение кумулятивной энергии было зафиксировано у образцов с отверстием 4 мм, далее при увеличении диаметра, значения снижаются. У образцов с диаметром отверстия 0, 2 и 6 мм значения находятся

а

Рис. 5. Диаграмма зависимости пиковых амплитуд ( а ) и пиковых частот ( b ) сигналов АЭ от времени, совмещенная с диаграммой нагружения образца без отверстия

на одном уровне, так же, как и у образцов с диаметром отверстия 8, 10 и 12 мм.

Также были построены зависимости пиковых амплитуд и пиковых частот сигналов АЭ (рис. 5–7). По значениям пиковых амплитуд сигналов можно также отметить снижение количества сигналов при увеличении отверстия на образцах, при этом сигналы с высоким значением амплитуды (более 75 дБ) фиксируются раньше при увеличении отверстия.

Есшп-10' S.

80 ^u

60 -

40 -

20 -

0 -

Диаметр отверстия, мм:

50             100            150             t, s

Рис. 4. Диаграмма зависимости кумулятивной энергии от времени образцов с разными отверстиями

Fig. 4. Diagram of cumulative energy dependence on time of samples with different holes

b

Fig. 5. Time dependence diagram of peak amplitudes ( a ) and peak frequencies ( b ) of AE signals, combined with the loading diagram of the specimen without a hole

d

f

e

Рис. 6. Диаграмма зависимости пиковых амплитуд от времени, совмещенная с диаграммой нагружения образцов с отверстием 2 мм ( а ), 4 мм ( b ), 6 мм ( c ), 8 мм ( d ), 10 мм ( e ), 12 мм ( f )

Fig. 6. Time dependence diagram of peak amplitudes combined with the loading diagram of specimens with a 2 mm ( a ), 4 mm ( b ), 6 mm ( c ), 8 mm ( d ), 10 mm ( e ), 12 mm ( f ) hole

d

f

e

Рис. 7. Диаграмма зависимости пиковых частот от времени, совмещенная с диаграммой нагружения образцов с отверстием 2 мм ( а ), 4 мм ( b ), 6 мм ( c ), 8 мм ( d ), 10 мм ( e ), 12 мм ( f )

Fig. 7. The diagram of peak frequencies dependence on time combined with the loading diagram of specimens with a hole of 2 mm ( a ), 4 mm ( b ), 6 mm ( c ), 8 mm ( d ), 10 mm ( e ), 12 mm ( f )

Значения пиковых частот преимущественно присутствуют в низком диапазоне частот, который соответствует такому механизму разрушения, как растрескивание матрицы. В среднем и высоком диапазоне частот зафиксированы единичные сигналы, при этом при увеличении отверстия сигналов в этих диапазонах частот все меньше и меньше.

Исследование влияния расположения отверстия относительно структурного элемента плетения на снижение несущей способности композитных образцов с концентратором напряжений проводилось на основании образцов из первой части работы (образцы одного размера с разными диаметрами отверстий, пункт 2.1). Площадь ячейки для стеклопластика составила– 4 мм² – S 1 . Отношение площади ячейки в образце СТЭФ к площади отверстия – коэффициент ( k ), отражающий влияние концентратора на несущую способность материала. Увеличение коэффициента – если площадь ячейки превышает площадь отверстия (коэффициент больше 1), это может привести к увеличению несущей способности образца (табл. 3).

Таблица 3

Расположение отверстия относительно структурного элемента плетения

Location of the hole in relation to the weave structural element

Table 3

Параметр	Значение
Диаметр отверстия, мм	d = 2	d = 4	d = 6	d = 8	d = 10	d = 12
Площадь отверстия – S 2 мм2	3,14	12,57	28,27	50,27	78,54	113,10
k = s 1 s 2	1,27	0,32	0,14	0,08	0,05	0,04

Большая площадь материала вокруг отверстия обеспечивает большую жесткость и устойчивость к нагрузкам, что способствует повышению несущей способности. Уменьшение коэффициента – если площадь ячейки меньше площади отверстия (коэффициент меньше 1), это может снизить несущую способность образца. Уменьшенная площадь материала вокруг отверстия может уменьшить его жесткость и устойчивость к нагрузкам, что может привести к уменьшению несущей способности.

• 2.2.    Изучение эффектов проявления масштабного фактора прочности на процессы инициирования и развития дефектов в области концентраторов напряжений в структурно-неоднородном материале

На рис. 8 приведены характерные диаграммы деформирования для образцов с диаметром отверстия 2, 4 и 6 мм. Пунктирной линией отмечен сплошной образец. Начальные участки кривых σ~ε совпадают, можно предположить, что модуль упругости не зависит от масштабирования образца. Было показано, что упругий участок композитных образцов следует закону подобия, в то время как предельное значение среднего напряжения σ при разрушении увеличивается по мере уменьшения диаметра образца. В ходе исследований обнаружен масштабный эффект, по мере увеличения диаметра отверстия несущая способность снижается. Также по полученным данным видно, что с увеличением скорости деформации наклон кривой «напряжение – деформация» на стадии пластической деформации постепенно уменьшается, а напряжение значительно изменяется (17 %). Прочность при растяжении увеличивается с ростом скорости деформации.

Рис. 8. Диаграммы деформирования образцов при испытании на одноосное растяжение

Использование полученных экспериментальных данных необходимо для усовершенствования моделей механического поведения конструкций из композиционных материалов в зонах конструктивных особенностей. Исходя из полученных результатов, сделан вывод о необходимости дальнейших исследований. Требуется дополнительно рассмотреть различные соотношения диаметра отверстия и размера структурного элемента. Осуществить оценку механизмов повреждения композитов различной структуры в зонах концентрации напряжений.

Рис. 9. График зависимости параметра ξ от предельного значения среднего напряжения σ max для СТЭФ

Fig. 9. Graph of dependence of the parameter ξ on the limiting value of the average voltage σ max for STEF

Fig. 8. Deformation diagrams of specimens in uniaxial tensile test

Для количественного анализа выделим в композите некоторый характерный размер неоднородности для данного материала ( δ ). Размер структурного элемента ( δ ) для стеклопластика составил δ =4 мм (ширина переплетения). Можно отметить, что на образцах с шириной 12 мм наблюдается преимущественно расслоение и растрескивание матрицы, тогда как на образцах шириной 36 мм причиной разрушения послужил разрыв волокон.

С целью оценки влияния масштабного эффекта была получена диаграмма зависимости предельного значения среднего напряжения ( σ max ) от параметра неоднородности (ξ) для образцов с разным диаметром отверстия ( d ) (рис. 9). Параметр неоднородности (ξ) зависит от диаметра отверстия ( d ) и от размера структурного элемента δ , вычисляется по формуле:

ξ = ^d . (2) δ

Для стеклопластика (рис. 9) получены данные в диапазоне параметра неоднородности ξ от 0,5 до 1,5. При указанных значениях структурного параметра неоднородности (ξ) масштабный эффект присутствует. Полученные результаты свидетельствуют, что предельное значение среднего напряжения не является константой материала, а зависит от размера структурного элемента.

Для оценки эффекта проявления масштабного фактора прочности на процессы инициирования и развития дефектов в области концентраторов напряжений в структурно-неоднородном материале получены поля неоднородных деформаций (рис. 10) при уровнях нагрузки 100, 75, 50, 25 % от Р max . Стоит отметить, что на характер распределения полей влияния масштабного эффекта не отмечено.

σ =50,4 МПа σ =100,5 МПа

25 % Р max    50 % P max

σ =150,7 МПа 75 % P max

σ =201,0 МПа 100 % P max

Рис. 10. Неоднородные поля продольных деформаций на поверхности стеклопластиковых геометрически подобных образцов

Fig. 10. Inhomogeneous longitudinal strain fields on the surface of fiberglass geometrically similar specimens

По данным акустической эмиссии был проведен параметрический анализ на основе энергетического параметра, количества сигналов, пиковой амплитуды и пиковой частоты.

Энергетический параметр представлен в виде кумулятивной энергии сигналов (рис. 11). У всех типов образцов характер кумулятивной энергии схожий – при разрушении образца наблюдается всплеск энергетического параметра, превосходящий значение энергии предыдущих сигналов на несколько порядков. Можно отметить, что у образцов шириной 36 мм, как с отверстием, так и нет, значения кумулятивной энергии на два порядка ниже, чем у образцов шириной 12 и 24 мм.

На рис. 12 представлены типичные зависимости количества сигналов АЭ от времени, совмещенные с диа- граммой нагружения. У образцов шириной 12 мм наблюдается значительный рост количества сигналов при достижении максимальной нагрузки. У образцов шириной 24 мм, как с отверстием, так и нет, зарегистрирован постепенный рост количества сигналов с увеличением при приближении к максимальной нагрузке. У образцов шириной 36 мм в начале испытания значение количества сигналов возрастает, затем уменьшается в течение всего испытания, при приближении к максимальной нагрузке вновь возрастает, достигая значений, близких к первоначальному пику.

d                                                        e

Рис. 11. Диаграммы зависимости кумулятивной энергии от времени, совмещенные с диаграммой нагружения образцов без отверстия шириной 12 мм ( а ), 24 мм ( b ), 36 мм ( d ), с отверстием 3 мм и шириной 24 мм ( d ), отверстием 6 мм и шириной 36 мм ( e )

Fig. 11. Diagrams of cumulative energy dependence on time, combined with the diagram of loading of specimens without a hole 12 mm wide ( a ), 24 mm wide ( b ), 36 mm wide ( d ), with a hole 3 mm and 24 mm wide ( d ), with a hole 6 mm and 36 mm wide ( e )

d

e

Рис. 12. Диаграммы зависимости количества сигналов АЭ от времени, совмещенные с диаграммой нагружения образцов без отверстия шириной 12 мм ( а ), 24 мм ( b ), 36 мм ( d ), с отверстием 3 мм и шириной 24 мм ( d ), отверстием 6 мм и шириной 36 мм ( e )

Fig. 12. Time dependence diagrams of the number of AE signals, combined with the loading diagram of specimens without a 12 mm wide hole ( a ), 24 mm wide ( b ), 36 mm wide ( d ), with a 3 mm hole and 24 mm wide ( d ), with a 6 mm hole and 36 mm wide ( e )

d

e

Рис. 13. Диаграммы зависимости пиковых амплитуд от времени, совмещенные с диаграммой нагружения образцов без отверстия шириной 12 мм ( а ), 24 мм ( b ), 36 мм ( d ), с отверстием 3 мм и шириной 24 мм ( d ), отверстием 6 мм и шириной 36 мм ( e )

Fig. 13. Diagrams of peak amplitudes dependence on time, combined with the diagram of loading of specimens without a hole 12 mm wide ( a ), 24 mm wide ( b ), 36 mm wide ( d ), with a hole of 3 mm and 24 mm wide ( d ), with a hole of 6 mm and 36 mm wide ( e )

На рис. 13 представлены диаграммы зависимости пиковых амплитуд сигналов от времени. У образцов шириной 24 мм зафиксированы высокие значения амплитуды (выше 75 дБ) уже в начале испытания. У образцов шириной 36 мм в начале испытания присутствуют сигналы амплитудой выше 75 дБ, затем уровень значений падает и увеличивается только при достижении нагрузки ~ 20 кН.

Кроме стандартного параметрического анализа сигналов акустической эмиссии была произведена оценка количества выбрасываемых сигналов акустической эмиссии (рис. 14).

между образцами с диаметром отверстия 2 и 6 мм более чем в 3 раза), а затем интенсивность снижается, что видно на диаграмме. Так как образцы разрушались в зоне отверстия, данную зависимость можно связать с уменьшением площади рабочей зоны за счет увеличения отверстия.

Сигналы в низкочастотном диапазоне также можно разделить на несколько интервалов (рис. 15), что было показано на гистограммах распределения частот спектрального максимума. Процентное соотношение сигналов на этих интервалах у образцов всех видов примерно одинаковое.

Рис. 14. Зависимость количества сигналов акустической эмиссии от диаметра отверстия в образцах

Рис. 15. Распределение частот спектрального максимума для образцов с разным диаметром отверстий

• Fig. 14.    Dependence of the number of acoustic emission signals on the hole diameter in the samples

Было отмечено, что при увеличении диаметра отверстия количество сигналов уменьшается. При этом снижение значений сначала идет интенсивно (разница

• Fig. 15.    Frequency distribution of the spectral maximum for samples with different hole diameters

Разрушение образцов с отверстиями произошло в зоне концентратора напряжений, поперек оси нагружения. Характер распространения трещины не изменя- ется при увеличении отверстия. На верхних слоях отмечаются локальные отслоения вследствие растрескивания матрицы (рис. 16).

Для геометрически подобных образцов была построена гистограмма распределения частот спектрального максимума (рис. 17). Так как в диапазоне средний и высоких частот зафиксировано менее 0,005 % сигналов, рассматривались сигналы в низкочастотном диапазоне, который можно соотнести с таким механизмом разрушения, как растрескивание матрицы. Для более наглядной визуализации результатов были построены круговые диаграммы (рис. 18), показывающие соотношения каждого интервала частот у разных видов образцов. У образцов с отверстиями больше половины сигналов зафиксировано в интервале 100–130 кГц. У образцов без отверстий преобладающим является интервал с самыми низкими частотами – 20–80 кГц.

d

f

e

Рис. 16. Снимки стереомикроскопа образцов после разрушения с отверстием 2 мм ( а ), 4 мм ( b ), 6 мм ( c ), 8 мм ( d ), 10 мм ( e ), 12 мм ( f )

Fig. 16. Stereomicroscope images of specimens after fracture with a 2 mm ( a ), 4 mm ( b ), 6 mm ( c ), 8 mm ( d ), 10 mm ( e ), 12 mm ( f ) hole

Рис. 17. Гистограмма распределения частот спектрального максимума сигналов АЭ

Fig. 17. Histogram of frequency distribution of spectral maximum of AE signals

а

b

c

d

• ■    20-80 kHz

• ■    100-130 kHz

• ■    140-180 kHz

• ■    185-200 kHz

  

  e

  
  

Рис. 18. Диаграммы соотношения количества сигналов в интервалах низкочастотного диапазона образцов без отверстия шириной

12 мм ( а ), 24 мм ( b ), 36 мм ( d ), с отверстием 3 мм и шириной 24 мм ( d ), отверстием 6 мм и шириной 36 мм ( e )

Fig. 18. Diagrams of the ratio of the number of signals in the intervals of the low-frequency range of samples without a hole width of 12 mm ( a ), 24 mm ( b ), 36 mm ( d ), with a hole of 3 mm and width of 24 mm ( d ), with a hole of 6 mm and width of 36 mm ( e )

d                                      e                                      f

Рис. 19. Снимки стереомикроскопа образцов после разрушения без отверстия шириной 12 мм ( а ), 24 мм ( b ), 36 мм ( c ), с отверстием 1,5 мм и шириной 12 мм ( d ) с отверстием 3 мм и шириной 24 мм ( e ), отверстием 6 мм и шириной 36 мм ( f )

Fig. 19. Stereomicroscope images of specimens after fracture with no hole 12 mm wide ( a ), 24 mm wide ( b ), 36 mm wide ( c ), with 1.5 mm hole and 12 mm wide ( d ) with 3 mm hole and 24 mm wide ( e ), 6 mm hole and 36 mm wide ( f )

По данным микроструктурных исследований были отмечены различия в разрушении образцов с отверстиями и сплошных образцов. Образцы без отверстий разрушились в захватной зоне, при этом растрескивания матрицы зафиксированы вдоль укладки волокон (рис. 19, а–c). У образцов с отверстиями разрушение произошло в зоне концентратора напряжений, также вблизи области разрушения можно отметить растрескивания матрицы перпен- дикулярно укладке волокон (рис. 19, d–f). На снимках с микроскопа была увеличена насыщенность для более наглядной демонстрации результатов.

Анализируя данные микроструктурного анализа и данные, полученные при регистрации сигналов акустической эмиссии, можно сделать предположение о том, что при растрескивании матрицы вдоль укладки волокон сигналы АЭ имеют более низкую частоту в отличии от сигналов, полученных при растрескивании матрицы перпендикулярно укладке волокон.

Заключение

Проведены серии экспериментов на образцах стеклопластика одной геометрии и с разной величиной диаметра сквозного отверстия ( d =2, 4, 6, 8, 10, 12 мм) и на образцах стеклопластика с диаметром отверстия d= 2, 4 и 6 мм, при этом соблюдалось подобие геометрических размеров (ширины и длины). Испытания проводились при совместном использовании испытательной системы, метода корреляции цифровых изображений (DIC), метода акустической эмиссии (АЭ) и оптической микроскопии.

По результатам испытаний установлено, что с увеличением диаметра отверстия происходит снижение несущей способности образцов с концентратором. В случаях