Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розроблення методу оцінювання опірності руйнуванню композиційних матеріалів

01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла

Гвоздюк Микола Мар'янович

ЛЬВІВ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник ІВАНИЦЬКИЙ Ярослав Лаврентійович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів), завідувач відділу конструкційної міцності матеріалів у робочих середовищах

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник СИЛОВАНЮК Віктор Петрович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів), провідний науковий співробітник відділу фізичних основ міцності

доктор технічних наук, доцент КУНДРАТ Микола Михайлович, Національний університет водного господарства та природокористування (Рівне), професор кафедри обчислювальної математики

Захист відбудеться "19” жовтня 2011р. о 16⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.226.02 Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (79601, Львів, вул. Наукова, 5).

Автореферат розісланий "16” вересня 2011р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Погрелюк І.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток сучасної науки і техніки значною мірою пов'язаний з використанням нових конструкційних матеріалів для забезпечення надійної і тривалої роботи елементів конструкцій. Перевагою конструкцій із композиційних матеріалів (КМ) є мала вага за високої питомої міцності та жорсткості, низька теплопровідність, стійкість до впливу агресивних середовищ, підвищена живучість тощо.

Тому є особливо актуальними дослідження міцності та надійності композитів як повноцінних замінників традиційних матеріалів у багатьох сучасних галузях промисловості та техніки (авіа та ракетобудуванні, кораблебудуванні, елементах конструкцій хіміко-технологічного обладнання).

Значний внесок у вирішення цієї проблеми зробили вітчизняні і зарубіжні вчені: Ашкеназі Є.К., Андрейків О.Є., Бережницький Л.Т., Болотін В.В., Гузь А.Н., Дзако М., Дхаран С.К.Н., Зайцев Г.П., Лєхніцкий С.Г., Єкоборі Т., Божидарник В.В., Делявський М.В., Іваницький Я.Л., Стащук М.Г., Мілейко С.Т., Браутман Л., Крок Р., Панасюк В.В., Серенсен С.В., Фудзії Т., Сміт К., Тамуж В.П., Тарнопольський Ю.М., Черепанов Г.П., Малмейстер А.К., Ярема С.Я. та ін.

Аналіз літератури і інженерна практика доводить, що руйнування конструкцій із КМ, в основному, відбувається за механізмом зародження і поширення тріщиноподібних дефектів в одному із компонентів (матриця, арматура, поверхня розділу) композита. При цьому конструкції із КМ втрачають свої службові характеристики внаслідок порушення герметичності, що понижує несучу здатність виробу, аж до катастрофічного руйнування.

На сьогодні дослідження із визначення характеристик опору руйнуванню КМ проводять з використанням підходів лінійної механіки руйнування (ЛМР) для ізотропних матеріалів. Але для композитів, яким характерна значна анізотропія властивостей, просте перенесення методів ЛМР є не зовсім коректним. Тому для вивчення такого класу матеріалів важливо вибрати та розробити підхід, який би враховував анізотропію КМ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано у відділі конструкційної міцності матеріалів у робочих середовищах Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка, де здобувач був виконавцем держбюджетної теми НАН України "Розробка методів прогнозування росту втомних тріщин в конструкційних матеріалах при складному напруженому стані", номер державної реєстрації 0103U003346 (2003-2005 рр.), а також відповідальним виконавцем теми "Розроблення теорії та засобів оцінки руйнування тонколистових композиційних матеріалів за полями локальних деформацій методами спекл-метрології" у рамках державної програми "Фундаментальні проблеми створення матеріалів з наперед заданими властивостями, методів їх з'єднання та обробки", номер державної реєстрації 0107U004074 (2007-2009 рр., продовжена до 2011р.).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розроблення енергетичного критерію оцінювання гранично-рівноважного стану і експериментальних методик для визначення характеристик опірності руйнуванню (тріщиностійкості) КМ з полімерною і металевою матрицями за експлуатаційних умов.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі основні завдання:

· сформулювати енергетичний критерій гранично-рівноважного стану тонколистових полімерних КМ з тріщиною;

· розробити експериментальну методику визначення характеристик опірності руйнуванню КМ за величиною пружно-пластичних переміщень і деформацій біля концентраторів напружень методами та засобами цифрової спекл-кореляції;

композиційний матеріал опірність руйнування

· обґрунтувати можливість застосування підходів ЛМР для оцінювання опірності руйнуванню однонаправлених ортотропних КМ;

· розробити спосіб дослідження та технічні засоби із визначення характеристик тріщиностійкості тонколистових композитів у трансверсальному напрямку;

· встановити зміну міцності і тріщиностійкості шаруватого однонаправленого волокнистого композита алюміній-бор залежно від термообробки та корозивного середовища.

Об'єкт дослідження - волокнисті і шаруваті КМ з дефектами типу тріщин.

Предмет дослідження - параметри опірності руйнуванню (тріщиностійкості) КМ з тріщиноподібними дефектами.

Методи дослідження. Для оцінки гранично-рівноважного стану тонколистових полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) використовували методи математичного моделювання, експериментальні методи механіки руйнування з визначення статичної тріщиностійкості, прямий метод визначення енергії руйнування досліджуваних композитів, а також метод цифрової спекл-кореляції для вимірювання переміщень деформованої поверхні зразка в околі вершини концентратора напружень.

Наукова новизна одержаних результатів:

· на основі балансу енергій пружно-пластичних деформацій і руйнування матеріалу біля вершини тріщиноподібного дефекту розроблено енергетичний критерій для оцінки гранично-рівноважного стану тонколистових полімерних композитів з тріщиною;

· розроблено розрахунково-експериментальну методику та технічні засоби для визначення характеристик опірності руйнуванню КМ за статичного розтягу з використанням побудованих методом цифрової кореляції спекл-зображень полів переміщень та деформацій матеріалу зони передруйнування;

· запропоновано спосіб дослідження та технічні засоби для визначення характеристик тріщиностійкості тонколистових полімерних КМ у трансверсальному напрямку.

Практичне значення отриманих результатів. За допомогою розробленого теоретико-експериментального підходу визначено характеристики тріщиностійкості та встановлено значення критичного навантаження і кута початкового напряму росту тріщини для ряду шаруватих ПКМ, наданих АНТК ім. О.К. Антонова. На основі розробленої експериментальної методики з визначення тріщиностійкості тонколистових полімерних композитів у трансверсальному напрямку оптимізовано товщину стінки та об'ємний вміст армуючої компоненти трубопроводу обприскувача штангового ОП-2000-2 виробництва ВАТ "Завод Львівсільмаш", що підвищило термін безаварійної експлуатації в 1,5-2 рази. Цю методику використано на підприємстві НВО "Склопластик" для визначення оптимальних параметрів конструкційних шарів КМ на основі поліефірної смоли, армованої скловолокном типу ЛВВ-СП та МБС, що дало змогу підвищити надійність тришарових склопластикових трубопроводів.

Результати роботи з визначення оптимальної довжини анкерування високоміцною вуглепластиковою стрічкою для зміцнення залізобетонних балок з тріщинами використані під час реконструкції шляхопроводу у с. Вістова Івано-Франківської області на 76+548 км автодороги Стрий-Чернівці.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які стосуються змісту дисертаційної роботи, отримані здобувачем самостійно. Серед 16-ти наукових праць за темою дисертації, роботи [4,6] опубліковані без співавторів. У публікаціях [1,3,12] здобувачем запропоновано розрахунково-експериментальну методику визначення енергії руйнування композита з використанням методу цифрової спекл-кореляції. У працях [5,13] дисертанту належить розробка енергетичного підходу до оцінки гранично-рівноважного стану ортотропної пластини з тріщиною. У роботах [7,9,10,11,14,15,16] сформульовано задачу, спроектовано зразки та розроблено методологію виконання експериментальних досліджень з визначення тріщиностійкості тонколистових полімерних композитів у трансверсальному напрямку. У працях [2,8] автором розроблено методику експериментальних досліджень однонаправлених волокнистих КМ із визначення впливу термообробки та корозивного середовища на їх тріщиностійкість.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й окремі результати дисертації доповідались на: I Всесоюзному симпозіумі "Механіка і фізика руйнування композитних матеріалів і конструкцій" (Україна, Ужгород, 1989р.); 5-му Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Україна, Львів, 2001р.); 14-й Європейській конференції з механіки руйнування матеріалів (ECF-14) (Польща, Краків, 2002р.); Міжнародній конференції-виставці "Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів” (Україна, Львів, 2006, 2008 рр.); Міжнародній конференції "Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій" (Україна, Львів, 1999, 2004, 2009 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 16 наукових праць, зокрема 9 - у рецензованих наукових виданнях з переліку фахових видань ВАК України, а також авторському свідоцтві і препринті.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку літератури та додатків. Загальний обсяг роботи становить 130 сторінок, що містить 73 рисунки, 18 таблиць, списку використаних літературних джерел (126 найменувань) і 2 додатки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми визначення характеристик опірності руйнуванню конструкційних КМ, сформульовано мету досліджень та основні завдання роботи. Показано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Встановлено особистий внесок здобувача у наукових публікаціях та рівень апробації результатів дисертації.

У першому розділі розглянуто та систематизовано основні літературні дані про типи, технологію виготовлення та класифікацію КМ. Проаналізовано види руйнування композитів за різних схем армування. Наведено основні положення механіки руйнування та обґрунтовано можливість її застосування для дослідження тріщиностійкості композитів. На підставі аналізу літературного огляду експериментальних робіт з визначення характеристик опірності руйнуванню композитів сформульовано методологію оцінки параметрів тріщиностійкості із врахуванням напружено-деформованого стану біля вершини концентратора.

У другому розділі сформульовано енергетичний критерій для оцінювання гранично-рівноважного стану тонколистових композитів з надрізом та розроблено експериментальну методику визначення енергії руйнування композита за полями локальних деформацій, побудованих методом цифрової кореляції спекл-зображень полів переміщень у зоні передруйнування.

Використовуючи закон збереження енергії, встановили, що гранично-рівноважний стан навантаженої розтягом пластини з нахиленою тріщиною (рис.1) настає за умови досягнення енергією пружно-пластичних деформацій у зоні передруйнування критичного значення , яке є характеристикою матеріалу за заданих умов навантаження:

, (1)

де ; ; А - робота зовнішніх сил; W - енергія деформування матеріалу у зоні передруйнування; Г - енергія руйнування; - кут нахилу тріщини до лінії дії сили; - кут старту тріщини; - кут нахилу тріщини до головної осі ортотропії композиту; - граничне навантаження; - питома енергія руйнування. Енергію пластичних деформацій у зоні передруйнування визначали як суму двох складових:

, (2)

де , - відповідно розкриття і зсув берегів тріщини, а ₀ та ₀ - середні значення напружень зчеплення у зоні передруйнування біля вершини тріщини за розтягу та зсуву згідно з _с-моделлю Леонова - Панасюка.

Рис. 1. Схема навантаження пластини з тріщиною.

Коли зона передруйнування мала порівняно з розмірами зразка і довжиною надрізу, відомі співвідношення між величинами , біля вершини тріщини і коефіцієнтами інтенсивності напружень (КІН) , такі:

,, (3)

де - коефіцієнт Пуаcсона матеріалу.

Вважаючи, що тріщина підростатиме у напрямку найбільшої пошкодженості матеріалу (), встановили аналітичні співвідношення для визначення гранично-рівноважного стану пластини з центральною нахиленою тріщиною завдовжки 2l (рис. 1)

, (4)

та напряму старту тріщини

. (5)

КІН K_I i K_II знаходимо за співвідношеннями

; (6)

,

де , - нормальні та дотичні напруження на продовженні тріщини, яким відповідають симетричні і кососиметричні напружені стани; - дійсна частина комплексного числа . Анізотропію матеріалу визначають комплексні параметри , які є коренями характеристичного рівняння відповідної задачі теорії пружності і залежать від орієнтації обраної системи координат.

Для отримання базових характеристик критерію (4), (5) розроблено експериментальну методику з визначення питомої енергії руйнування .

Застосовуючи метод суперпозиції, енергію руйнування виразимо як суму енергій руйнування за нормального відриву та поперечного зсуву

, (7)

які визначаються згідно зі співвідношеннями:

, , (8)

де , - критичні значення розкриття між берегами модельної тріщини та зсуву біля її вершини у зоні передруйнування за умов реалізації мішаного руйнування; - довжина зони передруйнування; - функції розподілу переміщень у зоні передруйнування відповідно до механізму руйнування; .

Підставивши значення і у формулу (7), отримали вираз:

. (9)

Для визначення характеристик критерію і розроблено експериментальну методику, яка охоплює метод цифрової кореляції спекл-зображень полів переміщень матеріалу в зоні передруйнування.

Експериментальні дослідження проводили за силовою схемою одновісного розтягу плоского зразка з нахиленим надрізом. В результаті розтягування такого зразка біля його вершини виникає складний напружено-деформований стан.

Під час навантаження зразка, методом цифрової кореляції спекл-зображень (рис. 2) реєстрували поле пружно-пластичних переміщень точок деформованої поверхні зразка біля вершини надрізу.

Рис. 2. Схема експериментальної установки для реєстрації поля переміщень поверхні зразка (за статичного навантаження) оптико-цифровим корелятором: 1 - зразок КМ; 2 - лазерний модуль ЛМР-630-25; 3 - відеокамера; 4 - персональний комп'ютер.

За відомою базою вимірювання визначали деформацію у двох взаємно перпендикулярних напрямках: вздовж лінії початкового надрізу _х (х) та перпендикулярно до неї _у (х).

За значеннями _х (х) і _у (х) отримали розподіл еквівалентної щодо бази вимірювання деформації (х). Звідси, за розмір умовної зони передруйнування L_p на продовженні лінії надрізу приймали довжину відрізка від вершини до точки, у якій сумарна деформація становить 0,2%. За величинами деформацій _х і _у знаходили напруження із діаграм розтягу і зсуву плоского зразка без концентратора, які відповідають даним деформаціям. Ці напруження вважаємо адекватними величинам ₀ та ₀ в _с-моделі. Далі визначали критичні значення _Іс з експерименту за силовою схемою розтягу плоского зразка з центральним надрізом, а критичне значення _ІІс - за силовою схемою консольного згину спеціального балкового зразка двотаврового профілю з надрізом на нейтральній осі.

Критичні значення розкриття та зсуву біля вершини надрізу для мішаного механізму руйнування і за різних кутів (15; 30; 45; 60; 75) визначали за полями переміщень, побудованих методом цифрової спекл-кореляції (ЦСК). На цій основі побудовані функції і . Використовуючи результати експерименту енергію руйнування можна обчислити за формулою (9).

Розроблений теоретико-експериментальний підхід використано для визначення характеристик тріщиностійкості тонколистових ортотропних епоксифенольних склопластиків ЕФ 32-301 та 27-63С з концентратором, армованих неперервним скловолокном з об'ємним вмістом арматури .

Рис. 3. Залежність деформації зони передруйнування композита ЕФ 32-301 від баз вимірювання.

Для даних матеріалів, у яких волокна армування розміщені вздовж лінії дії сили навантаження, будували діаграми розтягу та зсуву плоских зразків без надрізу. Під час дослідження плоских зразків з надрізом методом ЦСК визначили оптимальну базу вимірювання b_{і (}і=1,2) (рис. 3) еквівалентної деформації біля вершини надрізу, яка для цих композиційних матеріалів дорівнює 1,5мм.

Паралельно будували розподіл деформацій біля концентратора напружень досліджуваних склопластиків за різного об'ємного вмісту арматури , який характеризується віддалю між армуючими волокнами.

Показано, що за , коли ця віддаль більша діаметра волокна d, деформація композита в околі вершини надрізу неоднорідна (рис. 4). Якщо віддаль між волокнами менша d (>10%), то деформацію можна вважати однорідною, що дозволяє використовувати підходи лінійної механіки руйнування для оцінки міцності та тріщиностійкості ортотропних композитів.

Рис. 4. Розподіл деформацій у зоні передруйнування композита ЕФ 32-301 залежно від об'ємного вмісту волокна () та баз вимірювання (b_1,b₂).

Далі будували розподіл переміщень і деформацій (рис. 5) поверхні зразка біля вершини центрального надрізу, розташованого під різними кутами до напрямку дії сили навантаження прикладеного вздовж волокон армування ( = 15; 30; 45; 60; 75). За результатами досліджень встановлено значення ₀, ₀, L_p, , (рис. 5; 6) та побудовано залежність питомої енергії руйнування від кута нахилу надрізу (рис. 7а). Результати досліджень для композита ЕФ 32-301 наведені в таблиці.

15°	300	310	2,6	0,46	0,140	280
30°	340	290	3,2	0,82	0,116	200
45°	475	275	4,1	1,28	0,072	150
60°	530	255	5,0	1,45	0,065	126
75°	565	230	5,7	1,55	0,042	111

Використовуючи отримані значення енергії руйнування та співвідношення (6), обчислили за формулою (4) граничні навантаження за різних кутів орієнтації надрізу відносно лінії дії сили (крива 1 на рис. 7б). Аналогічні розрахунки виконали за відомим силовим підходом (крива 2).

Рис. 5. Розподіл деформацій біля вершини надрізу композита ЕФ 32-301 за різних кутів .

Рис. 6. Діаграма критичних значень розкриття та зсуву берегів надрізу для композита ЕФ 32-301 за мішаного (І+ІІ) руйнування.

а) б)

Рис. 7. Залежність енергії руйнування (а) та граничного навантаження Р_{* (}б) за різних кутів для композиту ЕФ 32-301: 1 - енергетичний підхід, 2 - силовий; _ - експериментальні дані.

Результати розрахунку критичного зусилля за двома підходами порівняно із значенням критичного навантаження Р_*, яке визначене з експерименту (точки). Експериментальні значення критичних навантажень за розтягу ортотропної композитної пластини з нахиленим надрізом добре корелюють з даними, одержаними за розробленим енергетичним підходом. У випадку розрахунків за силовим підходом спостерігається розбіжність, оскільки не враховані дотичні напруження. Розрахункові значення руйнівного навантаження для кутів нахилу надрізу більші за експериментальні на 40…50%, а для - на 25…30%. За нормального відриву (б= 90°), вони практично рівні між собою.

Аналогічні дослідження виконано для тришарового композиту, в якого зовнішніми шарами є алюмінієві пластини товщиною 1 мм. Середній шар - епоксиднофенольний пластик типу ЕФ-32, армований дисперсними частинками (скляні кульки діаметром 0,2 мм) і об'ємним вмістом арматури 30%. Товщина тришарового пакета - 4,0 мм.

Експериментально визначили енергію руйнування для КМ за різних кутів б нахилу надрізу (рис.8) та порівняли з результатами, отриманими прямим методом, який базується на вимірюванні довжини підростаючої тріщини та встановленні незворотної роботи, затраченої зовнішніми силами на утворення одиниці нової поверхні. Експериментальні дослідження засвідчують задовільний збіг значень енергії руйнування, встановлених за двома підходами.

Використовуючи рівняння (5), обчислили залежність кута початкового напрямку старту тріщини в від орієнтації вихідного надрізу б для композитної пластини за розтягу (суцільна лінія на рис.9). Розрахункові результати добре корелюють із даними прямого вимірюванням кута на інструментальному мікроскопі.

Рис. 8. Залежність енергії руйнування від кута нахилу надрізу для тришарового композита: - метод ЦСК; _ - пряме вимірювання.

Рис. 9. Залежність кута старту тріщини від орієнтації вихідного надрізу для тришарового композита: лінії - розрахунок; точки - експеримент.

Паралельно провели розрахунок за - критерієм (штрихова лінія на рис. 9). Для кутів нахилу б<45° спостерігається розбіжність, пов'язана зі збільшенням зсувної складової під час руйнування, яку тут не враховуємо. Для кутів нахилу б>45° результати за двома підходами збігаються.

Отже, розроблений критерій та експериментальну методику для визначення характеристик тріщиностійкості тонколистових КМ можна використовувати для оцінювання несучої здатності елементів конструкцій з тріщинами. Встановлено, що для ортотропних однонаправлених КМ за складного напруженого стану енергія руйнування залежить від кута орієнтації надрізу відносно лінії дії сили. Для хаотично армованих композитів (квазіізотропні матеріали) цей вплив незначний. Тому для ортотропних матеріалів з довільно орієнтованою тріщиною гранично-рівноважний стан доцільно оцінювати, використовуючи енергетичний підхід механіки руйнування, а у випадку нормального відриву (б=90°) та для квазіізотропних КМ - силовий.

У третьому розділі розроблено спосіб і методику дослідження для визначення характеристик тріщиностійкості тонколистових полімерних композитів з поверхневими дефектами. Запропонований спосіб полягає у випробуванні розтягом тришарового плоского зразка, в якого середній шар є досліджуваний композит, а два приклеєні зовнішні - допоміжні пластини-накладки з поліметилметакрилату (ПММА). На передній накладці зразка дисковою фрезою товщиною 0,2 мм, заточеною під кутом 60^о, наносили напівколовий поверхневий надріз на глибину 0,70,8 товщини накладки. З досягненням критичного зусилля розтягу із вершини надрізу стартує тріщина (дзеркальна зона ПММА), яка поширюється у досліджуваний матеріал (рис. 10).

Рис. 10. Схема і фотографія поверхні руйнування зразка: 1 - полімерний композит; 2 - пластини ПММА; 3 - поверхневий надріз; 4 - дзеркальна зона.

Під час експерименту за допомогою аналогово-цифрового перетворювача (АЦП), записували на персональний комп'ютер (ПК) діаграму в координатах "навантаження - розкриття берегів надрізу", з наступним обчисленням критичного КІН:

, (10)

де Р_с - критичне навантаження розтягу; b і t - ширина і товщина зразка; а і 2l - глибина і довжина поверхневого надрізу; Е₁ і Е₂ - модулі пружності ПММА і композита.

Досліджували дві партії із трьох полімерних КМ. Перша - зразки різної товщини з однаковим об'ємним вмістом арматури,. Друга - зразки з різним об'ємним вмістом армуючого волокна за однакової товщини 2,5 мм. Результати випробувань показані на рис. 11.

a) б)

Рис. 11. Залежність критичного КІН від товщини (а) та об'ємного вмісту армуючого волокна (б): 1 - МБС (конструкційний); 2 - МБС+ЛВВ-СП (захисний); 3 - ЛВВ-СП (футерувальний).

Для кожного із досліджуваних матеріалів встановлено оптимальне значення критичного КІН відносно товщини та об'ємного вмісту армуючого елементу.

Отримані результати дали змогу оптимізувати об'ємний вміст армуючих волокон (V_f =38…42%) та товщину конструкційних шарів (д=2,5…3мм) для трьох типів склопластиків, які використовують під час виготовлення тришарових трубопроводів із полімерних композитів на підприємстві НВО "Склопластик". Цю методику захищено авторським свідоцтвом та деклараційним патентом України на корисну модель.

Четвертий розділ присвячений визначенню міцності та тріщиностійкості шаруватого композита з металевою матрицею алюміній-бор (Al-B), який використовують у несучих конструкціях космічних апаратів і авіаційній техніці.

Бороалюмінієвий волокнистий КМ характеризується високою питомою міцністю і жорсткістю за малої ваги, а також стабільністю механічних характеристик за підвищених температур.

Випробовували розтягом плоскі зразки і визначали міцність композита вздовж і поперек волокон армування: матриця із алюмінієвого сплаву М40, армована неперервними волокнами бору, діаметром 140 мк. Об'ємний вміст волокна V_f = 35%. Досліджено вплив температури відпалу з постійним часом витримки год на міцність за розтягу композита Al-B. Встановлено оптимальну температуру відпалу для цього матеріалу (рис. 12).

Рис. 12. Залежність міцності бороалюмінію від температури відпалу: 1 - паралельно волокнам армування; 2 - поперек волокон армування.

Міцність бороалюмінію вздовж та поперек волокон зростає із підвищенням температури відпалу і досягнувши максимуму при Т = 450С, спадає.

Це пояснюється ефектом зміцнення зони границі розділу волокно-матриця і притупленням гострих концентраторів внаслідок дифузії бора в алюміній.

Подальше підвищення температури відпалу призводить до деструкції матриці і перехідної зони, що зменшує міцність КМ.

Експерименти з визначення тріщиностійкості шаруватого одно-направленого композита Al-B виконували за силовою схемою одновісного розтягу плоских зразків з центральним надрізом та балкових зразків з боковим надрізом за триточкового згину.

Досліджено вплив часу відпалу при Т = 450С на тріщиностійкість композита Al-B за розтягу плоских зразків з надрізом, орієнтованим поперек волокон армування, та згину балкових зразків з надрізом поперек та вздовж арматури. Встановлено, що зі збільшенням часу відпалу КМ підвищується його тріщиностійкість поперек арматури як за розтягу, так і за згину. Досягнувши максимуму при год., характеристика тріщиностійкості понижується.

Тріщиностійкость бороалюмінію поперек волокон підвищується, по-перше, в результаті росту та окрихчення перехідної зони волокно-матриця і збільшення кількості концентраторів (розривів волокон, які не лежать у площині головної тріщини). В околі кожного розриву формується пластично-деформована зона і для старту головної тріщини необхідно затратити додаткову енергію. По-друге, затуплення вершини головної тріщини обумовлено утворенням паралельно волокнам бору зсувних мікротріщин у крихкій перехідній зоні.

За орієнтації надрізу вздовж волокон армування параметр плавно зменшується зі збільшенням часу витримки при Т = 450С (рис.13).

В результаті проведених експериментальних досліджень встановлено, що тріщиностійкість за згину КМ алюміній-бор з надрізом поперек волокон після витримки зразків у 3% -му водному розчині NaCl поступово зростає до максимуму при ф = 10³ год., а далі різко спадає. Це пояснюється тим, що корозійний процес (електрохімічна корозія в результаті функціонування гальванічної пари волокна бору-матриця) затуплює вершину концентратора шляхом формування там розпушеної зони матриці, знижуючи концентрацію напружень.

Рис. 13. Вплив часу витримки за на КМ Al-B: 1 - надріз поперек волокон армування; 2 - паралельно волокнам армування.

За розташування концентратора вздовж волокон армування тріщиностійкість композита практично не змінюється, але після досягнення часу витримки ф=10³ год. - знижується. Тріщиностійкість для двох випадків орієнтації надрізу після 10000 год. витримки у 3% -му водному розчині NaCl зменшується через значне корозійне пошкодження матеріалу в цілому.

На основі розробленої у дисертаційній роботі експериментальної методики з визначення в'язкості руйнування композитного балкового зразка за схемою триточкового згину запропоновано спосіб зміцнення елементів конструкцій із композиційних матеріалів з тріщинами, який використаний під час розробки технології продовження ресурсу надійної роботи залізобетонних балок мостових конструкцій з дефектами (тріщини, сколи), які виникли в процесі тривалої експлуатації.

Суть технології підсилення будівельних конструкцій полягає у наклеюванні на поверхню залізобетонних балок стрічок із високоміцного вуглепластикового композита за допомогою спеціального адгезиву на епоксидній основі. Важливо не тільки забезпечити міцность стрічки, але і вибрати та обґрунтувати оптимальну довжину зони приклейки (анкерування) до залізобетонної балки. З цією метою виконано серію напівнатурних експериментів із моделювання зсуву вуглепластикової стрічки на великогабаритних бетонних зразках розміром 1100х500х150 мм. Вуглепластикові стрічки кріпили на зразках з різною довжиною зони анкерування. Для цього використовували універсальну розривну машину ЦДМПУ-200. На рис. 14 подано фото зразків, схема навантаження та побудована залежність критичного зусилля зсуву від довжини анкерування зміцнювальної стрічки. Для поліпшення адгезивного зв'язку стрічки і балки додатково анкерували зону приклейки вуглецевим полотном, внаслідок чого зусилля зсуву зростає. Експериментальні дані добре корелюють з розрахунковими. Існує оптимальна довжина зони анкерування композитної стрічки, яка забезпечує під навантаженням адгезивний зв'язок із залізобетоном аж до її руйнування. Запропонований спосіб використаний для підсилення високоміцними вуглепластиковими стрічками "Sika Carbodur-М” залізобетонних балок прогону під час реконструкції шляхопроводу у с. Вістова Ів. Франківської обл. на 76 км автодороги Стрий-Чернівці.

а) б)

Рис. 14. Фото зразків (а) та залежність критичного зусилля зсуву від довжини анкерування (б): Р - критичне зусилля на реальній балці; Р* - критичне зусилля на модельному зразку (лінії - розрахунок; символи - експеримент).

Основні результати і висновки

1. Сформульовано енергетичний критерій для визначення гранично-рівноважного стану тонколистових композитів з надрізом на основі балансу енергій пружно-пластичного деформування та руйнування матеріалу.

2. Розроблено експериментальну методику та технічні засоби для визначення характеристик опірності руйнуванню композитних матеріалів під час статичного розтягу за розподілами полів переміщень та деформацій у зоні передруйнування, побудованих методом цифрової кореляції спекл-зображень.

3. Показано, що для однонаправлених ортотропних КМ з об'ємним вмістом арматури V_f > 10% і віддалю між волокнами армування менше діаметра волокна, деформація біля вершини надрізу однорідна, що дає змогу використовувати підходи ЛМР, визначаючи характеристики тріщиностійкості.

4. Встановлено, що для ортотропних однонаправлених композитів за складного напруженого стану енергія руйнування залежить від кута орієнтації надрізу відносно лінії дії сили, а для хаотично армованих - ця залежність незначна. Показано, що критичні значення навантаження розтягом ортотропної композитної пластини з косим надрізом, отримані за розробленим енергетичним підходом, добре корелюють з експериментом. За силовим підходом, коли не враховують дотичні напруження, значення руйнівного навантаження для кутів нахилу надрізу перевищують експериментальні на 40…50%, а для - на 20…30%. За нормального відриву (б= 90°) вони практично збігаються.

5. Визначено оптимальну товщину та об'ємний вміст арматури конструкційних шарів тришарової склопластикової труби за максимальної опірності поширенню поверхневих концентраторів у трансверсальному напрямку. Результати досліджень використано у виробництві багатошарових трубопроводів із полімерних композитів на підприємстві НВО "Склопластик”.

6. Встановлено, що міцність композиційного матеріалу Al-B вздовж та поперек волокон армування із підвищенням температури відпалу при ф = 0,5 год., зростає на 25…30%, і досягає максимуму при Т=450С. Це спричинено зміцненням границі розділу волокно-матриця і притупленням гострих концентраторів через дифузію бору в алюміній. З тривалістю відпалу бороалюмінію при Т=450С його тріщиностійкість підвищується поперек арматури і досягає максимуму при год. Показано, що тріщиностійкість композита алюміній-бор з надрізом поперек волокон після витримки зразків у 3% -му водному розчині NaCl зростає до максимуму при ф = 10³ год., а далі різко спадає, що обумовлено значною об'ємною корозійною пошкоджуваністю матеріалу.

7. Результати досліджень з визначення оптимальної довжини зони анкерування композитної стрічки до балки використано у вигляді рекомендацій для підсилення високоміцними вуглепластиковими стрічками "Sika Carbodur-М” залізобетонних балок прогону під час реконструкції шляхопроводу у с. Вістова Ів. Франківської обл. на 76 км автодороги Стрий-Чернівці.

Основні публікації за матеріалами дисертаційної роботи

1. Іваницький Я.Л. Визначення енергії руйнування композиту з використанням методу цифрової спекл-кореляції/ Іваницький Я.Л., Муравський Л.І., Гембара О.В., Гвоздюк М.М., Половинко Т.І. // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2010. - №3. - С.85-91.

2. Гвоздюк М. Дослідження впливу корозивного середовища на міцність та тріщиностійкість композиту алюміній-бор/Гвоздюк М., Ленковський Т. // Фізико-механічна механіка матеріалів. - 2008. - Спецвипуск 7. - С.218-220.

3. Муравський Л.І. Визначення поверхневих деформацій композитів методами цифрової спекл-кореляції/ Муравський Л.І., Гвоздюк М.М., Половинко Т.І. // Фізико-хімічна механіка матеріалів - 2007. - №4. - С.103-106.

4. Гвоздюк М. Впливу водного розчину натрію хлориду на тріщиностійкість матеріалу армованого коротким скловолокном/ Гвоздюк М. // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2006. - Спецвипуск 5. - С.513-515.

5. Гвоздюк М.М. Енергетичний підхід до оцінки гранично-рівноважного стану ортротопних тіл з тріщинами/ Гембара О.В. // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2004. - №5. - С.53-56.

6. Гвоздюк М.М. Застосування методу пружної податливості під час визначення КІН для елементів будівельних конструкцій з поверхневими дефектами / Гвоздюк М.М. // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій. - Львів: Каменяр, 2002. - вип. №5. - С.219-223.

7. Гвоздюк М.М. Методика дослідження тріщиностійкості шаруватих полімерних композиційних матеріалів / Гвоздюк М.М., Іваницький Я.Л. // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій. - 2000. - вип.4. - С.276-281.

8. Гвоздюк Н.М. Влияние коррозионной среды на трещиностойкость композиционного материала алюминий-бор/ Гвоздюк Н.М., Максимович Г.Г., Филиповский А.В., Чапля М.Э., Михеев Р.К. // Физико-химическая механика материалов. - 1985. - № 6. - С.43-46.

9. Чапля М.Э. Новая методика исследования роста поверхностных трещин в слоистых полимерных композиционных материалах/ Чапля М.Э., Гвоздюк Н.М. // Физико-химическая механика материалов. - 1984. - №1. - С.84-87.

10. А. с. № 1029034. Способ исследования трещинообразования в материале / Панасюк В.В., Андрейкив А.Е., Бережницкий Л.Т., Чапля М.Э., Гвоздюк Н.М., Власов П.В. - Б.И. - 1983. - № 26.

11. Методические рекомендации. Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей. Определение характеристик трещиностойкости полимерных комопозиционных материалов при статическом нагружении / Андрейкив А.Е., Бережницкий Л.Т., Чапля М.Э., Гвоздюк Н.М. - Львов: Изд. ФМИ им. Г.В. Карпенка НАН Украины, 1984. - 78 с.

12. Муравський Л. Моделювання та експериментальна верифікація прогнозування напрямку пощирення тріщини у шаруватих композитах/ Муравський Л., Гембара О., Гвоздюк М., Половинко Т., Болейчук В. // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій: праці Міжнар. наук. - техн. конф. - Львів: Фіз.-мех. ін-ут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2009. - С.479-484.

13. Андрейків О. Енергетичний критерій поширення тріщини в анізотропних тілах/ Андрейків О., Гембара О., Гвоздюк М. // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій: праці Міжнар. наук.-техн. конф. - Львів: Фіз.-мех. ін-ут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2004. - С. 207-212.

14. Гвоздюк М. Експериментальний метод визначення коефіцієнта інтенсивності напружень для поверхневих дефектів/ Гвоздюк М., Іваницький Я., Гембара О. // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій: праці Міжнар. наук.-техн. конф. - Львів: Фіз. - мех. ін-ут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2004. - С.855-858.

15. Andreykiv O. Ye. Definition of fracture toughness of the composit polymeric materials, reinforced by unidirectional fibres. / Andreykiv O. Ye., Hvozdiuk M. M., Rudavskyi D. V. // 14 th European Conference on Fracture Mechanics (ECF-14): Cracow, Poland, September 2002. - P 81-88.

16. Гвоздюк М. Оптимізація товщини шаруватого композитного матеріалу з позиції механіки руйнування / Гвоздюк М., Іваницький Я., Король В. // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій: праці Міжнар. наук.-техн. конф. - Львів: Фіз.-мех. ін-ут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 1999. - С.61-63.

Анотація

Гвоздюк М.М. Розроблення методу оцінювання опірності руйнуванню композиційних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла. - Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2011.

Дисертація присвячена питанням оцінювання гранично-рівноважного стану і опірності руйнуванню анізотропних матеріалів, послаблених тріщинами. Сформульовано енергетичний критерій з визначення граничної рівноваги тонколистових композитів з надрізом на основі балансу енергій пружно-пластичних деформацій та руйнування матеріалу. Основу критерію складають рівняння для визначення критичного навантаження і рівняння для знаходження напрямку початкового старту тріщини. Розроблено методики та технічне забезпечення для визначення характеристик в'язкості руйнування різного класу композитів за статичного навантаження.

Запропоновано новий підхід з визначення пружно-пластичних переміщень біля вершини надрізу на основі застосування методу цифрової кореляції спекл-зображень деформованої поверхні плоского композитного зразка за розтягу.

Розроблено спосіб дослідження та технічні засоби з визначення характеристик тріщиностійкості тонколистових композитів з поверхневими дефектами, які поширюються по товщині матеріалу. Встановлено оптимальну товщину та об'ємний вміст арматури конструкційних шарів тришарового склопластикового трубопроводу.

Досліджено міцність та тріщиностійкість бороалюмінію. Визначено оптимальну температуру відпалу композита Al-B, яка спричиняє збільшення його міцності та в'язкості руйнування. Показано вплив корозивного середовища на тріщиностійкість бороалюмінію.

Запропоновано спосіб зміцнення композитних балок з тріщинами, який використаний для підсилення залізобетонних балок прогону високоміцними вуглепластиковими стрічками під час реконструкції мостового переходу.

Ключові слова: композитні матеріали, гранично-рівноважний стан, енергетичний підхід, цифрова спекл-кореляція зображень, в'язкість руйнування.

Аннотация

Гвоздюк Н.М. Разработка метода оценки сопротивления разрушению композиционных материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела. - Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины, Львов, 2011.

Диссертация посвящена вопросам оценивания предельно-равновесного состояния и сопротивляемости разрушению анизотропных материалов, ослабленных трещинами. Сформулирован энергетический критерий для определения предельного равновесия тонколистовых композитов с надрезом на основе баланса энергий упруго-пластического деформирования и разрушения материала. Основу критерия составляют уравнения для определения критической нагрузки и уравнения для нахождения направления начального старта трещины. Разработаны методики и техническое обеспечение для определения характеристик вязкости разрушения разного класса композитов при статической нагрузке.

Предложен новый подход определения упруго-пластических перемещений возле вершины надреза на основе применения метода цифровой корреляции спекл-изображений деформированной поверхности плоского композиционного образца при растяжении.

Разработан способ исследования и техническое оборудование для определения характеристик трещиностойкости тонколистовых композитов с поверхностными дефектами, которые распространяются по толщине материала. В основе способа положено испытание на растяжение трехслойного плоского образца, средний слой - исследуемый композит, а два внешние - приклеенные к нему пластины из полиметилметакрилата (ПММА). На передней пластине ПММА дисковой фрезой толщиной 0,2 мм наносили поверхностный полукруговой надрез, из вершины которого при растяжении стартует трещина и проходит сквозь средний слой, разрушая его. В результате экспериментальных исследований установлена оптимальная толщина и процентное содержание армирующих волокон конструкционных слоев трехслойного стеклопластикового продуктопровода.

Изучено влияние времени отжига (Т=450С) на трещиностойкость ортотропного композиционного материала AL-B при растяжении и трехтотечном изгибе с ориентацией надреза параллельно и перпендикулярно волокнам армирования. Установлено, что увеличение времени отжига композита до 4 ч. приводит к росту вязкости разрушения с концентратором поперек волокон армирования. А при положении надреза параллельно волокнам арматуры трещиностойкость постепенно уменьшается с увеличением времени отжига. Показано влияние коррозионной среды на трещиностойкость бороалюминия.

Предложен способ упрочнения композитных балок с трещинами, который применен для усиления углепластиковыми лентами железобетонных балок пролета при реконструкции мостового перехода.

Ключевые слова: композитные материалы, предельно-равновесное состояние, энергетический подход, цифровая спекл-корреляция изображений, вязкость разрушения.

Abstract

Hvozdiuk M.M. Development of the method for assessing fracture resistance of composite materials. - A manuscript.

Thesis for a Degree of Candidate of Sciences (Engineering) in speciality 01.02.04 - Mechanics of Deformable Solids. - H. V. Karpenko Physico-Mechanical Institute NASU, Lviv, 2011.

Thesis covers the problem of assessing the limiting-equilibrium state and fracture resistance of anisotropic materials, weakened by cracks. The energy criterion for evaluation of the limiting equilibrium of thin-walled composites with a notch based on the balance of energies of elasto-plastic deformations and fracture of material was formulated. The equations for evaluation of the critical value of loading and the equations for finding the direction of the initial crack start form the criterion basis. The methods and technical means for evaluation of the technical characteristics of fracture toughness of different types of composites under static loading are developed.

A new approach to determination of the elasto-plastic displacements at the notch tip using the method of speckl images digital correlation of the deformed surface of a plane composite specimen under tension is proposed.

The investigation method and technical means for determining the crack growth resistance characteristics of thin-walled composites with surface defects that propagate along the material thickness are developed. The optimal thickness and the volume content of the reinforcement of structural layers of a three-layered plastic glass pipeline was established.

The strength and crack growth resistance of boron aluminium were investigated. The optimal annealing temperature of Al-B composite that leads to its higher strength and fracture toughness was evaluated. The influence of corrosive environment on the crack growth resistance of boron aluminium is shown.

The method of the cracked composite beams strengthening used for reinforcement of iron-concrete beams of flights with high-strength carbon plastic strips during bridge passage reconstruction is proposed.

Key words: composite materials, limiting-equilibrium state, energy approach, digital speckl correlation of images, fracture toughness.

Размещено на Allbest.ru

...