Машиностроение ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

Результаты эксперимента и Их обсуждение

На рис. 2 представлены диаграмма нагружения (зависимость изменения на­пряжения о от времени t) и совмещенные с ней параметры акустической эмиссии, полученные в результате испытаний об­разцов из гетинакса при одноосном рас­тяжении.

Анализ представленных данных по­казывает следующее.

В начальный период нагружения (участок ОА) материал образца находит­ся в режиме отсутствия повреждаемости, что подтверждается полным отсутствием импульсов АЭ всех четырех параметрах акустического образа. Данный участок диаграммы представляет зону развития упругой деформации всего комплекса на - гружения, включая захваты.

Зона АВ характеризуется наличием большого количества сигналов неболь­шой амплитуды (порядка 0,2В) и значи­тельной интенсивности, что свидетельст­вует о микрорасслоении в матрице мате­риала и расщеплении пучков волокон. Присутствие сигналов с максимальной амплитудой (до 1В) является доказатель­ством того, что в образце также происхо­дит развитие имеющихся и образование новых дефектов в виде микротрещин. Об этом свидетельствует также рост пара­метров сигналов АЭ, характеризующих интегральную повреждаемость образца - суммарный счет (55 имп.) и суммарная энергия (0,35 В с).

Участок ВС можно рассматривать как стадию образования и роста магист­ральной разрушающей трещины. В пре­делах данного участка наблюдается ин­тенсивный рост суммарного счета и сум­марной энергии сигналов, которые при практически постоянной интенсивности имеют невысокую амплитуду (порядка 0,2В), что свидетельствует о дальнейшем увеличении интегральной повреждаемо­сти образца. Наличие сигналов АЭ с ам­плитудой до 0,6 В можно идентифициро­вать с разрывом адгезионных связей ме­жду матрицей и армирующими волокна­ми данного материала и разрывом от­дельных волокон.

Как известно [1,2,9,10] из механики разрушения композиционных материалов причиной разрушения армированных и слоистых пластиков может быть как раз­рушение волокон (в случае гетинакса бу­мажных) или матрицы, а также наруше­ние их сцепления. Таким образом, проч­ность материала определяется прочност­ными характеристиками трех его струк­турных элементов - матрицы, волокон и адгезионного сцепления. Процесс разви­тия микротрещины связан и с разрывом отдельных волокон, и с нарушением сце­пления между волокнами и матрицей. В связи с чем энергозатратность процесса развития микротрещины выше, чем энер­гозатратность стадий разрыва отдельных волокон и адгезионных связей, что и под­тверждается соответствующими значе­ниями пиковой амплитуды - энергетиче­ским показателем повреждаемости мате­риала.

Окрестность точки С является пред - разрывной зоной. Последовательные рез­кий рост (до 40 имп/с) и снижение (до 20 имп/с) интенсивности сигналов в ок­рестности точки С свидетельствуют о ла­винообразном накоплении разрушений на стадии предразрушения, и о том, что раз­витие магистральной трещины произош­ло до критической длины, а резкий рост суммарного счета и суммарной энергии является характерным признаком потери несущей способности исследуемого ма­териала. Как следует из представленных данных, разрывное напряжение для гети - накса составляет 120 МПа.

На рисунке 3 представлены механи­ческая диаграмма нагружения капролона и кинетика изменения параметров АЭ, при этом на диаграмме нагружения мож­но выделить три характерных участка. Совместный анализ представленных вре­менных зависимостей позволяет заклю­чить следующее.

В начальный период нагружения, участок ОА, материал образца находится в режиме отсутствия повреждаемости, что подтверждается полным отсутствием импульсов АЭ всех четырех параметрах акустического образца. Данный участок диаграммы представляет зону развития упругой деформации всего комплекса на- гружения, включая захваты, аналогично начальному участку диаграммы растяже­ния гетинакса.

Участок АВ - зона совместного дей­ствия упругой и пластической деформа­ции материала образца. Под действием нагрузки происходит развитие и интен­сивное накопление дефектов в структуре материала в виде микротрещин. Об этом свидетельствуют значительный рост ин­тенсивности сигналов до значения N, Равного 34 имп/с, и наличие большого количества сигналов, пиковая амплитуда которых находится в диапазоне от 0,05 до 0,4 В.

Как известно, любой реальный по­лимерный материал имеет дефекты, как правило, в виде краевых микротрещин. В вершинах данных микротрещин имеются микрообласти перенапряжений, в кото­рых протекают вынужденноэластические деформации и изначально происходит разрыв химических связей [9,10]. Чередо­вание сигналов стабильно высокой ин­тенсивностью с пиковыми амплитудами от 0,5 до 1,0 В свидетельствует об обра­зовании пластических зон у вершин микротрещин и наличии значительных сдвиговых напряжений, т. е. имеет место пластическая деформация в объеме мате­риала. При этом наблюдается резкое уве­личение суммарного счета до 300 собы­тий, и суммарной энергии сигналов до 7,0 В2с, что позволяет сделать вывод об увеличении интегральной повреждаемо­сти материала исследуемого образца. Максимум интенсивности сигналов АЭ, в пределах всей диаграммы нагружения, приходится на точку В, в связи с чем ок­рестность точки В можно рассматривать как зону предтекучести материала образ­ца. Напряжение в этой точке составляет 80 МПа, и это значение можно рассмат­ривать как предел вынужденной эла­стичности данного материала.

Участок кривой растяжения ВС - зо­на проявления эффекта ориентационного упрочнения материала образца. Установ­лено [9,10], что увеличение прочности полимеров при ориентации материала связано с тремя факторами: в ориентиро­ванном состоянии разрушение происхо­дит за счет разрыва химических связей в главной цепи макромолекул, а не межмо­лекулярных связей; имеет место «залечи­вание» микронеоднородностей в мате­риале; возникает анизотропия упругих свойств, что приводит к новому распре­делению напряжений в образце и предот­вращает прорастание поперечных тре­щин.

В тот момент, когда на диаграмме растяжения появляется резкий излом в точке В, происходит быстрое сужение по­перечного сечения в каком-либо месте по длине образца, т. е. появляется «шейка». В настоящее время доминирующим стало положение, согласно которому зарожде­ние и развитие «шейки» - это скачкооб­разный процесс перестройки исходной структуры полимерного тела и формиро­вания новой, ориентированной струк­туры, т. е. точка В - переход от изотроп­ного к ориентированному участку образ­ца. На кривой растяжения после макси­мума напряжения наблюдается постоян­ство напряжения - линия ВС идет парал­лельно оси абсцисс. Весь процесс дефор­мации происходит при действии посто­янной силы до тех пор, пока не закончит­ся данный участок кривой нагружения. При последующем растяжении образца происходит рост «шейки», а не разруше­ние его: весь рабочий участок превраща­ется в «шейку», т. е. становится ориенти­рованным. Разрушение образца возможно только после добавочного растяжения ориентированного полимера.

На рисунке 4 показан образец из ка - пролона, на рабочей части которого име­ется «шейка», образованная в процессе деформирования. На рисунке довольно четко видно наличие резкой границы ме­жду исходной (неориентированной) и тонкой (ориентированной) частями об­разца, при этом материал «шейки» отли­чается по степени прозрачности от ис­ходного, что связано с образованием микроскопических разрывов.

Явление ориентационного упрочне­ния полимерного материала выступает «тормозом» процесса накопления разру­шений и препятствует непосредственно разрушению материала, что подтвержда­ется прекращением роста суммарного счета и суммарной энергии сигналов, а также резким снижением их интенсивно­сти к концу участка (точка С). Ампли­тудное распределение сигналов в преде­лах данного участка обусловлено процес­сами структурной перестройки во время растяжения образца и микропластиче­скими сдвигами в объеме материала.

Заключение

Таким образом, на основе анализа полученных результатов исследований можно заключить следующее:

1. Накопление повреждений в конст­рукционных полимерных материалах под нагрузкой является сложным многоста­дийным процессом. В случае нагружения гетинакса эти стадии включают микро­пластические сдвиги в матрице, трещи - нообразование в матрице, разрыв адгези­онных связей между матрицей и арми­рующим элементом, разрыв отдельных волокон и целых пучков армирующего материала. Для капролона характерны процессы разрыва химических связей, вынужденноэластической деформации в вершинах микротрещин и пластической деформации в объеме материала. Все эти процессы сопровождаются образованием упругих волн АЭ.

2. Методика одноосного растяжения конструкционных полимерных материа­лов в сочетании с методом акустической эмиссии может эффективно использо­ваться для исследования процессов де­формации и разрушения, а также для ус­тановления предельных характеристик для материалов различных классов.