Межслойное разрушение

Особенности структурных свойств композиционных материалов на основе углеродных и борных волокон с традиционными схемами армирования исследованы в работах [20, 25, 33, 59, 70]. Анализ и сопоставление полученных данных по угле- и боро-пластикам с аналогичными данными типичных стеклопластиков [39, 71] свидетельствуют о том, что использование высокомодульных волокон при традиционных схемах армирования способствует лишь резкому увеличению жесткости материала в направлениях армирования; при этом заметного возрастания других упругих и прочностных характеристик не происходит. Главной отличительной особенностью высокомодульных композиционных материалов является большая по сравнению со стеклопластиками анизотропия упругих свойств [25]. Для углепластиков увеличение анизотропии упругих свойств обусловлено также анизотропией самих армирующих волокон. Существенных различий по прочностной анизотропии между стеклопластиками и высокомодульными материалами нет, но абсолютные значения межслойной сдвиговой прочности и прочности на отрыв в трансверсальном направлении однонаправленных и ортогонально-армированных углепластиков в 1,5—3 раза ниже аналогичных характеристик стеклопластиков.

Рис. 7.10. Зависимость межслойной сдвиговой прочности (МПа) K"X (1, 2) и

Материалы на основе углеродных волокон, вискеризованных нитевидными кристаллами карбида кремния, и эпоксидных, а также полиамидных связующих описаны в работах [19, 20, 25]. Использование указанных волокон в материалах, как показано в работе [102], приводит к резкому увеличению прочности на сдвиг, причем возрастание сдвиговой прочности пропорционально объемному содержанию нитевидных кристаллов. Влияние содержания нитевидных кристаллов на некоторые свойства при изгибе углепластиков, изготовленных на основе эпоксидного связующего Эпон 828, характеризуют данные, приведенные в табл. 7.7. Для межслойной сдвиговой прочности эти данные во многом условны. Они получены методом трехточечного изгиба образцов при llh = 3 и не характеризуют фак-

29. Жигун И. Г., Якушин В. А., Ивонин Ю. Н. Анализ методов определения межслойной сдвиговой прочности композитных материалов. — Механика полимеров, 1976, № 4, с. 640— 648.

Жигун И. Г., Якушин В. А., Ивонин Ю. Н., Анализ методов определения межслойной сдвиговой прочности композитных материалов, Мех. полим., № 4 (1976).

поверхности раздела [10], как видно из рис. 12. На этом рисунке показано, что при увеличении межслойной сдвиговой прочности от 5,5 до 11,2 и 16,6 103• фунт/дюйм2 (см. рис. а, б и в соответственно) поверхность разрушения содержит все меньшее количество вытащенных волокон и большее количество смолы, оставшейся на вытащенных из тела образца волокнах.

Если предполагать, что межслойное сдвиговое разрушение возникает в плоскости, в которой касательные напряжения достигают максимума, а остальные напряжения пренебрежимо малы по сравнению с касательными, то вид разрушения можно считать идентичным разрушению от внутрислойных касательных напряжений. Тогда для предсказания межслойной сдвиговой прочности можно использовать уравнения разд. IV, относящиеся к внутри-слойной прочности пластика. В полуэмпирическом методе поправочные коэффициенты уравнения (29) следует выбирать из экспериментов на поперечный изгиб короткой балки.

Корреляция с теорией экспериментальных данных по межслойной сдвиговой прочности, полученных при испытаниях на поперечный изгиб коротких балок, затрудняется тем, что и ширина, и толщина балки влияют на межслойную сдвиговую прочность. Это влияние проиллюстрировано на рис. 41.

Рис. 41. Зависимость межслойной сдвиговой прочности Sil2S от отношения п пролета балки к ее ширине.

Разрушение однонаправленного композита при изгибе может произойти от растяжения, сжатия или сдвига. Возможна также комбинация этих разрушений. Экспериментальные данные обнаруживают линейную зависимость прочности при изгибе от объемного содержания волокон (рис. 42) и от межслойной сдвиговой прочности [56]. Используем эти факты для установления критерия изгибной прочности.

Отметим, что, если первым выполняется условие (40а), прочность при изгибе совпадает с межслойной сдвиговой прочностью. Измеряемая величина прочности при изгибе обычно бывает больше прочностей при продольном растяжении или сжатии. Это означает, по-видимому, что первое разрушение, которое удается обнаружить, соответствует разрыву более чем одного крайнего ^наиболее нагруженного слоя. Достаточно сказать, что разрушение ^однонаправленного волокнистого композита при изгибе — сложное явление, требующее точных методов анализа для надежного предсказания напряженного состояния и связанного с ним процесса разрушения.

III. Межслойное разрушение связующего в композите (4);

разрушения только первые семь можно считать разрушениями в соединении. Эти семь типов входят в первые четыре из пяти более общих категорий разрушения: I — когезионное; II — по склеиваемой поверхности; III — межслошюе; ГУ — разрушение армирующего слоя; V — разрушение композита. Если разрушение по поверхности раздела клеевого слоя и склеиваемого материала происходит в микромасштабе, то это явление обычно в расчетах не учитывают. Когда технология склеивания или качество материала неудовлетворительны, это явление может происходить в макромасштабе и свидетельствовать о необходимости повышения уровня контроля качества при изготовлении соединения, так как уровни разрушающих нагрузок в этих случаях обычно очень низки. Когезионное разрушение (внутри адгезионного слоя) является хрупким или вязким в зависимости от типа применяемого клея. Межслойное разрушение (не относящееся к кромочным эффектам) может быть вызвано недостатками в технологии изготовления композита, пустотами, расслоениями или термическими напряжениями. Эти причины учитываются интегрально— по их влиянию на прочность полимерной прослойки при растяжении и сдвиге. Три вида микроразрушения армирующего слоя обычно рассматривают в макромасштабе как один и тот же вид разрушения.

Обсуждаться будет только случай однонаправленного армирования, поскольку по усталости таких композитов проводились наиболее подробные исследования. К тому же наибольший акцент будет сделан на обсуждение результатов испытаний образцов на одноосное нагружение параллельно направлению укладки волокон, так как в этих экспериментах имеет место однородное напряженное состояние и интерпретировать такие результаты проще всего. В большинстве случаев увеличение угла между направлением приложения нагрузки и направлением армирования приводит к понижению усталостной прочности композитов и к изменению вида разрушения, а испытания на изгиб делают более выраженным межслойное разрушение сдвигом.

более низких уровнях напряжений композитов на основе этих волокон. Анизотропия волокон, плохая адгезия матрицы к волокну и возможное межслойное разрушение также являются факторами, воздействующими на прочность при сжатии. В работе [7] для учета анизотропии волокон рассматриваются деформации сдвига в волокне1). Искривление волокон исследовано в работе [8]. В этих же работах рассмотрено влияние нарушения связи между волокнами и матрицей. Слабая адгезия матрицы к волокну может снизить прочность при сжатии до чрезвычайно низкого уровня. Однако дать количественную

Рис. 2.10. Межслойное разрушение при усталостном нагружении образца слоистого боропластика [0е/ + 45°/0°/ - 45°]. с круговым отверстием [45]

направлении +45°, не перерезав волокон прилегающего слоя, ориентированных под углом —45°. Таким образом работает механизм, предложенный ранее для композита со схемой армирования [0°/90°]s. Однако вероятность разрыва волокон композита [±45°k, ориентированных в направлении —45°, выше, чем для волокон ортогонально армированного композита, ориентированных в направлении, перпендикулярном оси нагружения, из-за высоких касательных напряжений в плоскости. Усталостное нагружение образца из композита со схемой армирования [±45°]s с поперечным надрезом приводит к нарушению сцепления между слоями, ориентированными в разных направлениях, и, следовательно, распространению *грещины в направлении ориентации арматуры (±45°)s уже не препятствует взаимное стеснение деформаций этими слоями. Межслойное разрушение, начинающееся у свободных кромок, имеет тенденцию распространяться внутрь (к оси) образца, как показано на рис. 2.17 [47], и в конце концов

На рис. 2.29 показаны типичные зависимости, полученные при помощи предложенного анализа. Верхний график иллюстрирует характерное изменение протяженности а зоны межслойного разрушения при изменении средних напряжений сг, приложенных к композиту. Межслойное разрушение начинается только после того, как напряжения между слоями достигнут уровня ау, соответствующего появлению неупругой области на границе трещины в слое. При дальнейшем росте напряжений вплоть до уровня Ос (рис. 2.29) размер неупругой области увеличивается. При ас нарушится связь между слоями с трещиной и смежными слоями (начинается процесс расслоения). При этом в большинстве случаев еще возможно дальнейшее увеличение средних напряжений в композите. Как правило, рост напряжений выше уровня ас составляет 10ч- 100% в зависимости от свойств материала. Окончательно, при напряжении аа рост области расслоения становится неустойчивым, и последующее малое приращение приложенных напряжений приводит к полному разрушению композита. Напряжение ad считается напряжением, приводящим к разрушению слоистого композита от нарушения межслойных адгезионных связей, при условии, что в композите существуют слои с начальными трещинами. Подобное представление процесса межслойного разрушения аналогично рассмотренному ранее процессу распространения трещины в направлении на-гружения (рис. 2.27).

показан случай, когда смежный слой разрушится раньше (при cT0
циклов с использованием соответственно пересчитанных механических характеристик материала. Предположим, что рассматриваемый слоистый композит содержит начальную поперечную сквозную трещину длиной 2а. Тогда первые несколько циклов нагруже-ния при заданных отношениях напряжений и амплитуды максимального напряжения не приведут к существенным изменениям напряженного состояния у кончика трещины. Последующее длительное воздействие циклической нагрузки вызовет изменения в матрице, волокнах и поверхности раздела. Этот процесс описывается уравнениями (2.6), (2.7). Наступает момент, когда характеристики жесткости и прочности композита изменяются настолько, что появляется возможность распространения трещины в направлении нагружения, как показано на рис. 2.27. Вначале рост трещины устойчив — это было показано ранее. Следовательно, геометрия образовавшейся трещины такова, что материал еще может безопасно подвергаться дальнейшему нагружению. При этом продолжается уменьшение модулей упругости и прочности, что, вероятно, вызывает ускорение роста трещины. В конечном итоге после многократного повторения циклов нагружения свойства материала ухудшаются настолько, что при амплитудном значении напряжения трещина прорастает катастрофически и наступает усталостное разрушение. Однако следует иметь в виду, что в результате действия механизмов, тормозящих разрушение, как в случае слоистого композита со схемой армирования [0°/90°]s, усталостное испытание может закончиться разрушением образца вследствие падения его прочностных свойств. В процессе усталостного нагружения могут, кроме указанного, проявиться и другие механизмы разрушения, такие, как разрушение волокон в окрестности кончика трещины из-за высокой концентрации напряжений. За этим может последовать распространение поперечной трещины, как показано на рис. 2.31, или межслойное разрушение (расслоение) вблизи надреза (рис. 2.16), или вдоль свободных кромок образца (рис. 2.17). В любом из этих случаев развитие процесса разрушения поддается предсказанию. Получив количественную оценку протяженности области разрушения (определяемой как а или а), можно установить соотношения da/dN или da/dN и сравнить их с экспериментальными данными.

Ранее упоминалось, что предложенный анализ не позволяет учитывать очень существенное влияние последовательности укладки слоев композита по толщине и межслойное разрушение. Однако известно (см., например, [16]), что предельная нагрузка и вид разрушения композитов при статическом и усталостном нагружениях сильно зависят от

упомянутых эффектов. Типичное межслойное разрушение вблизи трещины можно наблюдать на рис. 2.10 и 2.16. Все это касается только усталости при нагружении растяжением. Однако более опасной, как отмечено в работе [53], может быть усталость при сжатии. Дело в том, что любое ухудшение ха-