Слоистому растрескиванию

лого диаметра, таких, как Е-стекло, локальное изгибное стеснение деформаций у вершины трещины не может быть значительным и область разрушения все-таки распространяется параллельно волокнам с ориентацией 0°. Подобное явление хорошо иллюстрируется рис. 2.16 [46], на котором показан вид разрушения слоистого стеклопластика [Oc/90°]s после усталостного и последующего статического нагружений.

Рис. 2.16. Усталостное разрушение (а, б) и разрушение при статическом нагружении после усталостных испытаний (в) образца слоистого стеклопластика (Е-стекло) [0°/90°]s (с разрешения Кендалла [46]).

3.2.2.1. Первое разрушение слоя1). Рассмотрим одноосное растяжение слоистого стеклопластика с взаимно ортогональной укладкой армирующих волокон. (Схема армирования [0°/90°]s, направление арматуры слоев 0° совпадает с направлением действия нагрузки.) Диаграмма о(е) такого материала (рис. 3.3) состоит из двух линейных участков. Деформация, соответствующая точке перелома на диаграмме 0(е), приблизительно равна предельной деформации при растяжении однонаправленного материала перпендикулярно направлению армирования. На микрофотографии поперечного сечения образца, нагруженного выше точки перелома (рис. 3.4), хорошо различимы трещины в слоях с ориентацией 90°. Очевидно, изменение угла наклона диаграммы вызвано разруше-

Рис. З.З.Типичные кривые 0(е) для нагрузки — разгрузки слоистого стеклопластика с ортогональной схемой армирования [0°/90°]s. Разгрузка начинается в точках А, В, С.

Рис. 4.13. Предельные кривые, полученные сечением взаимно ортогональными плоскостями поверхности прочности слоистого стеклопластика [90°/±30°/90°] s, построенной по критерию Пуппо — Эвенсена [42], ф результаты экспериментов (напряжения в Н/мм2). а — плоскость ох, 0„ (тад = 0); б — плоскость ау, т;Х1/ (а* = 0);

к нагрузке на изгиб. При чистом растяжении модуль упругости снижается примерно на 25%. По литературным данным, модуль упругости при сдвиге снижается на 40% (например, у полиэфирного слоистого стеклопластика модуль упругости G = 50 000 кГ/см2 при 20° снижается до G = 30 000 кГ/сж2 при 60° С). На рис. 48 представлена температурная зависимость модуля упругости эпоксидного и полиэфирного стеклопластиков. Сравнение этих кривых показывает, что у полиэфирного стеклопластика более резкое падение модуля упругости обусловлено близостью к температуре размягчения смолы. Насколько велико влияние термомеханического поведения смолы на свойства слоистого пластика, показывают кривые на рис. 49.

Рис. 64. Зависимость усталостной прочности полиэфирного слоистого стеклопластика от значения модуля упругости Е при различных температурах [4]. Стеклянная ткань ИПЛАСТ 35, аппретированная воланом, ненасыщенная полиэфирная смола Полилит 8000. 70 вес. % стекла. Испытательное оборудование Шенк Флато 6, изгиб плоского стержня, симметричный цикл, f = 30 000 об/мин. 1 — N = 10- 10е циклов; 2 — N = 1 • 107 циклов

[4, 5, 8, 15, 16 и 17]. Кривые Вёлера для эпоксидного слоистого стеклопластика приведены на рис. 70.

Рис. 70. Кривые Вёлера эпоксидного слоистого стеклопластика [15 ]:

долговечность N полиэфирного слоистого стеклопластика, нагружаемого попеременным растяжением—сжатием при напряжении 700 и 800 кПсм* [4]. Стеклянная ткань ИПЛАСТ 35, аппретированная Верланом MZ, смола CHS Полиэфир 104, содержание армирующих элементов 70%, испытательное оборудование Шенк 300, попеременное растяжение — сжатие:

полиэфирного слоистого стеклопластика

А — материал с высокой сопротивляемостью слоистому растрескиванию; В — материал, имеющий склонность к слоистому растрескиванию.

вне чего в растягиваемом по толщине пояске возникает сложное напряженное состояние вблизи границы проплавления шва. Усталостные трещины возникают обычно на границе сплавления шва, учитывая концентрацию напряжений, и последовательно распространяются перпендикулярно к поверхности листа. Такая трещина, встречая на определенной глубине расслоение или материал с низкой сопротивляемостью слоистому растрескиванию, может изменить направление на параллельное поверхности листа и при значительном ускорении распространения привести к раннему разрушению соединения.

Это различие объясняется повышенной склонностью ниобиевой стали к слоистому растрескиванию. Следовательно, для материала, предрасположенного к слоистому растрескиванию, характерны повышенная скорость разрушения при нагрузках, приложенных в направлении Z, а также более низкие граничные величины амплитуды коэффициента интенсивности напряжений КТн (рис. 4). Такой материал характеризуется меньшей долговечностью и усталостной прочностью до возникновения трещины (рис. 4), вследствие чего усталостные повреждения будут образовываться при более низком уровне напряжений, чем уровень, необходимый для возникновения усталостных повреждений при нагрузках, действующих в направлении X и У. Это значит, что при случайных нагрузках, действующих на судовые конструкции, напряжения ниже усталостной прочности материала могут быть причиной накопления усталостных повреждений и раннего возникновения усталостной трещины, если узел конструкции состоит из материала с низкой сопротивляемостью слоистому растрескиванию и нагружен в направлении Z.

Таким образом, анизотропия механических свойств стальных листов, вызывающая склонность к слоистому растрескиванию во время сварки конструкции, может приводить к снижению сопротивления конструкции усталостному разрушению. Проведенные исследования показали, что слоистое растрескивание — это не только сварочная технологическая проблема, но и явление, оказывающее влияние на безопасность конструкции, которое следует учитывать в прочностном анализе при проектировании конструкции заданной долговечности.

Склонность к слоистому растрескиванию зависит от химического состава и ртачального состояния материала перед прокаткой и в значительной степени может быть проконтролирована металлургиче-

ским путем. Существенное значение имеет выбор в качестве ответственных узлов судовых конструкций материала с высокой сопротивляемостью слоистому растрескиванию с целью исключения усталостных трещин, возникающих не только в силу высокой концентрации напряжений, но и в связи с низкой сопротивляемостью разрушению материала, нагруженного перпендикулярно к плоскости прокатки. Материал ответственных узлов конструкции должен быть исследован на сопротивляемость развитию усталостных трещин под действием нагрузок, направленных по толщине листа для оценки степени анизотропии материала и прогнозирования усталостного поведения конструкции.

* Описаны образцы и испытательное оборудование, использованные для исследования статической и циклической трещиностоикости сталей (гл. 2), трещиностоикости сварных соединений (гл. 3) и сопротивления сталей слоистому растрескиванию (гл. 4).

Характеристики сопротивления слоистому растрескиванию и характеристики механических свойств листового проката в направлении толщины (Z-направление) определяли на образцах, представленных на рис. 2.5. В целом площади сечений образцов изменялись в пределах от 7 до 2500 мм2, а их длины в пределах от 10 до 500 мм. Испытания призматических образцов для определения характеристик механических свойств листового проката в Z-направлении проводили с использованием специального приспособления (рис. 2.6). Образец для предотвращения смещения центрировали в захватах матрицы. Растягивающее усилие от нагружающей траверсы испытательной машины передавали на образец через пуансон. В процессе

Рис. 2.5, Образцы для определения характеристик механических свойств и сопротивления слоистому растрескиванию листового проката в Z-направ-

Рис. 2.6. Приспособление для испытаний призматических образцов при определении характеристик сопротивления листового проката слоистому растрескиванию.

СЛОИСТОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ