Закономерности разрушения стеклопластиков при длительных нагрузках с учетом эксплуатационных факторов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

«э

См НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМ.Г.В.КАРПЕНКА

Панасюк В'ячеслав Євгенович

УДК 678.666.189.2:541.428:539.4.019.1

ЗАКОНОМІРНОСТІ РУЙНУВАННЯ СКЛОПЛАСТИКІВ ПРИ ДОВГОТРИВАЛИХ НАВАНТАЖЕННЯХ З ВРАХУВАННЯМ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ФАКТОРІВ

01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 1997 р.

Дисертацією є рукопис Робота виконана в Фізико-механічному інституті ім.Г.В.Карпенка НАН України.

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

кандидат фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Бережницький Лев Теодорович, Фізико-механічний інститут ім.Г.В.Карпенка НАН України, м.Львів, зам. зав. відділом міцності композиційних матеріалів

доктор фізико-математичних наук, професор

Камінський Анатолій Олексійович, Інститут механіки НАН України, м.Київ, зав. відділом крихкого руйнування

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Скрипник Ігор Дмитрович, Фізико-механічний' інститут ім.Г.В.Карпенка НАН України, м.Львів

Провідна установа:

Інститут проблем міцності НАН України, відділ міцності конструкцій з крихких матеріалів,

м.Київ

Захист відбудеться 1997 р.,0

годині

на засіданні спеціалізованої ради Д.04.01.03 в Фізико-механічному інституті ім.Г.В.Карпенка НАН України, за адресою: 290601, м.Львів, МСП, вул.Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Фізико механічного інституту ім.Г.В.Карпенка НАН України м.Львів, вул.Наукова, 5.

Автореферат розісланий «Оу у>С££>}?//(? 1997

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

року.

Никифорчин Г.М.

Актуальність проблеми. Зростаючі вимоги по економії металів, підвищенню довговічності і надійності конструкцій, вимагають широкого впровадження у промисловість і будівництво нових конструкційних полімерних композиційних матеріалів (ПКМ), які допомагають знизити мета-лоємність, вагу та вартість конструкцій і одночасно покращити їх якість.

Перспективними матеріалами подібного типу є композитні матеріали на основі армуючого волокна і полімерної матриці, такі як скло- і вуглепластики, які являють собою гетерогенний матеріал на базі скляного або вуглецевого волокна, агрегований в єдине ціле за допомогою полімерного зв'язуючого. При цьому тонкі високоміцностні волокна, в основному, забезпечують міцність і жорсткість системи, а полімерне зв'язуюче - створення монолітного матеріалу та його формування.

Важливий внесок у розвиток науки про міцність ПКМ та механізм їх руйнування внесли праці Бартєнєва Г.М., Бе-режницького Л.Т.,Болотіна В.В.,Власова П.В.,Жердєва Ю.В., Зайцева Г.П., Калініна Н.Г., Камінського А. О, Колтунова М.А., К£>егерса А.Ф., Максимова Р.Ф., Панасюка В.В., Серен-сена С.В., Сошко О.І., Тамужа В.П., Тарнопольського Ю.М., Тинного А.Н. та інших.

Однак, під час експлуатації виробів і конструкцій з ПКМ суттєву роль в їх довговічності і надійності, поряд з механічними навантаженнями,відіграють фактори оточуючого зовнішнього середовища (зміна температури, дія різноманітних агресивних рідких середовищ, радіаційних випромінювань і таке ін.), спільний вплив яких на поведінку матеріалу вивчений недостатньо.

В цьому плані стає зрозумілою актуальність задачі дослідження фізико-механічних властивостей ПКМ в умовах, максимально наближених до реальних умов експлуатації. Дані таких досліджень, в кінцевому рахунку, сприяють вирішенню основної задачі, яка полягає в отриманні нових матеріалів з наперед заданими властивостями, і створенню науково обгрунтованих методів прогнозування і покращення властивостей існуючих ПКМ.

Метою роботи є розробка і апробація методик експериментального дослідження довготривалого руйнування ПКМ, визначення та прогнозування на їх основі характеристик

повзучості і руйнування при спільній дії навантаження, фізично активних рідких середовищ і підвищених температур, формулювання рекомендацій для їх використання і для керування властивостями композиту.

Наукова новизна роботи полягає у наступиому: -встановлено закономірності спільного впливу механічних •навантажень, рідких середовищ і підвищених температур на зміну структури, міцності, довговічності і повзучості широкого класу ПКМ з різноманітними типами волокон, зв'язуючого та способами армування (наведені відповідні емпіричні рівняння);

-в результаті проведених комплексних експериментальних досліджень дана оцінка анізотропії фізико-механічних властивостей склопластиків при їх деформуванні в рідких середовищах;

-розроблений і експериментально підтверджений метод визначення тріщиностійкості ортотропного склопластику з врахуванням пошкодженості;

-отримані залежності міцності і деформації склопластиків від кута орієнтації тріщини;

-запропоновано методику дослідження тріщиностійкості вуг-лепластиків згідно з вивченням електрохімічних умов у вершині тріщини.

Практична цінність:

-запропонований метод прогнозування довговічності ряду ПКМ при дії водомістких рідких середовищ і підвищених температур;

-результати проведених досліджень рекомендуються як модельні стосовно до різних груп ПКМ;

-розроблені методики визначення фізико-механічних характеристик та оцінки тріщиностійкості, що орієнтовані на їх застосування в інженерних методах дослідження;

-отримані міцностні і деформаційні характеристики ПКМ і їх ранжировка були використані при інженерних розрахунках елементів із склопластиків на довговічність і живучість, а також дозволили здійснити вибір і дати рекомендації по використанню даного матеріалу в коніфетних умовах і заданих конструкціях;

-результати роботи впроваджені на промислових підприємствах (п/с А-1147, Москва, Підлипки; Харківський політехнічний інститут) і дали економічний ефект, з врахуванням дольової участі автора (50%).

з

Особистий внесок здобувана.В роботах,написаних в співавторстві, здобувачу належить участь у постановці задачі, експериментальна частина, розробка методики досліджень при одновісному стиску,визначення і аналіз параметрів рівнянь довговічності та повзучості та формування висновків.

Достовірність і обгрунтованість представлених в роботі результатів і висновків випливає із фундаментальних положень механіки деформованого тіла і механіки руйнування; співставлення і перевірка даних,отриманих різними методами; проведення експериментів з достатньо великою кількістю паралельних вимірів та об'ємом статистичних даних.

Автором застосовується наступний математичний апарат і методи дослідження:методи механіки деформованих тіл; числовий метод розв'язку сингулярних рівнянь;методи механіки руйнування і експериментальні методи (методи математичного планування експерименту та багатофакторний аналіз).

Положення, яка захищаються в дисертації:

1. Результати дослідження параметрів ядер повзучості і характеристик руйнування склопластиків в умовах підвищених температур із врахуванням принципу температурно-часової аналогії.

2. Результати експериментального дослідження впливу рідких середовищ і температур на фізико-механічні характеристики, довговічність і повзучість ПКМ при статичному навантаженні.

3. Варіанти представлень про механізм впливу рідких середовищ на зміну структури, міцність і довговічність КМ.

4. Аналіз впливу дефектів типу тріщин (пошкодженості) на статичну міцність склопластика.

5. Основи методики оцінки трішиностійкості струмопровід-ного ПКМ в рідкому середовищі з врахуванням електрохімічних параметрів у вершині тріщини.

Апробація роботи. Основні положення і окремі результати роботи доповідались на V Всесоюзній конференції по механіці полімерниьк и композитних матеріалів (Рига, 1983); на VI Всесоюзній конф.по механіці полімерних і композитних матеріалів (Рига,1986);на І Всесоюзному н/т семінарі «Применение ПКМ в машиностроении» (Ворошилово-град,1987);на Всесоюзнії! конференції «Модификация полимерных материалов в процессе их переработки и формования изделий из них»(Іжевськ, 1988), в цілому на семінарі відділу міцності композиційних матеріалів Фізико-механічного інституту, на загальноінститутському семінарі з механіки

квазіїфихкого руйнування, на семінарі з крихкого руйнування в інституті проблем міцності НАН України, м.Київ.

Публікації. По темі роботи опубліковано 23 друковані роботи, з них 3 депонованих, 5 журнальних статей.В співавторстві опубліковано 20 робіт.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, узагальнення результатів і висновків та списку літератури і додатків.Робота викладена на 156 сторінках машинописного тексту, містить 107 малюнків, 42 таблиці. Перелік літературних джерел має 185 бібліографічних посилань.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ .

У вступі формулюється мета роботи і її актуальність. В першому розділі зроблений короткий огляд літератури по експериментальним і теоретичним дослідженням, присвяченим проблемі руйнування напружених полімерних композиційних матеріалів ■ під впливом різноманітних експлуатаційних факторів. Подано також короткий огляд праць по дослідженню процесів руйнування ПКМ з тріщиноподібними дефектами. Розглядаються сучасні підходи до вивчення даної проблеми. Показано, що в існуючих роботах переважно досліджуються фізико-механічні властивості ПКМ без всебічного врахування одночасної дії навантаження, рідких середовищ та підвищених температур.В той же час, недостатньо вивчений вплив анізотропії на довговічність склопластиків в цих умовах. Окрему увагу також приділено аналізу досліджень міцності ПКМ, послаблених штучно створеними іфиволінійними концентраторами напружень (отвори, надрізи і т.п.) при статичних випробовуваннях. На підставі літературного огляду сформульована постава задачі дослідження і встановлено місце даної роботи серед існуючих в літературі.

У другому розділі описані методики досліджень короткочасної міцності, довговічності та повзучості ПКМ при спільному впливові експлуатаційних факторів, а також обладнання, що при цьому використовувалося. Обгрунтовано вибір форми і розміру зразків для випробовувань при одновісному навантаженні (розтяг,стиск).

Для досліджень вибирались різноманітні типи склопластиків : ортогонально армований поліефірний склопластик, епоксидні КМ різних схем армування (однонапрямлений, на основі склотканини та ін.)і на основі декількох марок

полімерного зв'язуючого. Використані наступні рідкі середовища: зневоднена нафта, обводнена нафта (50% води) та дистильована вода як найбільш агресивне експлуатаційне середовище для даного класу матеріалів.

Механічні характеристики визначалися з випробовувань не менше 5 зразків на кожну експериментальну точку з наступною статистичною обробкою результатів.

Отримані діаграми розтягу ПКМ на повітрі і у рідкому середовищі в широкому діапазоні робочих температур при різних кутах армування. Форма кривих сг-є і вигляд зруйнованих зразків характерні для квазіїфихкого руйнування. Катастрофічне руйнування матеріалу відбувається при температурі вище 353 К, коли дотичні напруження по величині значно перевищують міцність адгезійних зв'язків т,щр.

Показано, що в інтервалі температур 293...413 К залежність сг(Т) задовільно наближується кусочно-лінійною функцією, яка має перегин в температурній області переходу смоли у новий фізичний стан {вимушена еластичність). Прямі регресії, побудовані методом найменших квадратів, описуються рівнянням а=а+вТ. Для всіх випадків навантажень і умов випробовувань нами отримані значення коефіцієнтів даного рівняння, а також встановлені температурні залежності граничної деформації руйнування і модуля пружності поліефірного склопластика. При цьому підвищена температура і рідке середовище можуть викликати такі конкуруючі процеси як деструкцію і дозшивку смоли, а також її пластифікування, що значно змінює механічні характеристики ПКМ в цілому. Крім того, спільний вплив цих факторів проявляється в найбільшій степені в зонах адгезійного контакту, тобто в місцях максимальної концентрації напружень.

Встановлений вплив структури армування і вологості атмосфери на міцність волокнистих ПКМ в залежності від типу армуючої склотканини.

З мйТо-з опримамня даних про найбільш раціональне розташування армуючих елементів стосовно навантаження досліджена анізотропія механічних властивостей однона-прйі-ахслого епоксидного склопластика 27-бЗс при одновіс-нсму стиску при те- пературах на повітрі і в рідкому середовищі. Для стиску використані циліндричні зразки діаметром 7 мм і висотаю 21 ш, оптимальне співвідношення розмірів яких було визначене нами експериментально, виходячи з умови максимальної реалізації міц-

ності однонапрямленого матеріалу на стиск без втрати стійкості. Показано, що при стиску даного матеріалу йому в значно більшій степені притаманна анізотропія міц-ностних і деформаційних властивостей, чим при розтязі в тих самих умовах. При цьому найбільша втрата міцності відбувається під дією температури, яка підсилює вплив агресивного середовища. Із збільшенням кута орієнтації волокон від 0 до к/Л міцність зменшується в 3 рази; в діапазоні кутів к/4...%/2 ця зміна незначна.

На опромінених (просторово-зшитих) зразках епоксидного склопластику встановлено оптимальну дозу іонізуючого опромінення (2 МГр), при якій спостерігається максимальне підвищення його механічних характеристик, а також досліджено механізм процесів структурування і деструкції зв'язуючого. Показано, що опромінення даного матеріалу можна розглядати як метод керування його фізико-механічними властивостями.

В третьому розділі представлені результати дослідження повзучості ортогонально армованих поліефірних склопластиків при одновісному статичному розтязі та однона-прямлених епоксидних склопластиків при стиску при одночасній дії підвищених температур і рідких середовищ.

Результати оцінювали по даним середніх експериментальних лінійних деформацій при випробовуванні не менше 3-х зразків на кожну точку кривої. Середньоквадратична похибка середнього арифметичного ± 0,02% при 95% довірчій ймовірності.

Для всіх досліджених матеріалів, рідких середовищ і підвищених температур встановлені рівні напружень, при

яких спостерігається усталена \—=соп.и],а також гранична

Область лінійності властивостей матеріалу визначали шляхом перебудови кривих повзучості у криві податливості. Показано, що останні вкладаються у вузькі пучки із розкидом менше 4%, тобто практично співпадають. У визначених нами діапазонах напружень і температур для описання результатів експерименту було застосоване рівняння повзучості із ядром спадковості сингулярного типу. Визначення модуля пружності і параметрів ядра функції повзучості здійснювали шляхом суміщення експериментальних кривих податливості і теоретичних кривих, побудованих у лога-

(обмежена) повзучість

рифмічній сітці координат, по відомій методиці, описаній в роботах М.А. Колтунова. Розрахований модуль Юнга в діапазоні температур 293...353 К при стиску епоксидного склопластика виявився рівним Ет=3,5-104 MПa=const. Значення параметрів ядра повзучості в залежності від температури досліду наведені в табл.1. Незалежність параметрів від температурних перетворень свідчить про те, що в даному випадку має місце принцип температурно-часової аналогії, що дозволяє користуватися рівнянням повзучості, застосовуючи коефіцієнт температурного зсуву. Максимальне відхилення розрахованих по цьому рівнянню значень деформацій повзучості від експериментальних не перевищує 10,6%.

Четвертий розділ присвячений дослідженню довговічності ПКМ. При плануванні експерименту був застосований багатофакторний математичний аналіз Бокса-Уілсона для оцінки спільної дії напружень, температури і середовища.

Показано,що експериментальні дані достатньо задовільно описуються формулою Журкова т=А.е~са , тобто при статичному навантаженні в інтервалі температур 393...413К в діапазоні 102...107 с вони відтворюоться лінійною кореляційною функцією виду 1ф=а-всг.

Дані по довговічності, а також дослідження характеру та механізму руйнування за допомогою скануючої електронної мікроскопії показали, що нафтові середовища, вода і підвищені температури в значній мірі впливають на структуру матеріалу: відбувається вимивання зв'язуючого, утворення лужної плівки на поверхні скла з порушенням зв'язку у системі «скло-смола» і, як наслідок, зменшення коефіцієнту одночасної роботи скляних волокон.

Таблиця 1 - Параметри ядра функції повзучості

т, к А(Т) Р(Т) а

293 0,01105 0,05000 0, 05

323 0,00962 0,00315 0, 05

353 0,00782 0,00005 0, 05

Методом рентгенівської тіньової мікроскопії була встановлена кореляційна залежність між зміною дефектності матеріалу та його довговічністю. Отримані величини фактору поглинання поліефірного склопластику після випробовувань на розтяг у рідких середовищах при підвищених температурах представлені на рис.1. Під час даних

досліджень був виявлений також поріг безпечних напружень, нижче якого дефектність матеріалу вже не змінювалась. Це відкриває шляхи до неруйнуючого контролю матеріалу, який перебуває в напруженому стані під дією експлуатаціних факторів. '

На підставі даних досліджень встановлено, що поліефірні склопластики можуть бути рекомендовані для роботи у водних середовищах до температури 353 К, а у зневодненій нафті - до 423 К, при цьому для підвищення герметичності виробів рекомендується застосовувати футе-ровочні покриття. Отримані результати були використані при проектуванні обладнання нафтохімічної промисловості.

Для епоксидних однонапрямлених склопластиків при одновісному стиску отримані кореляційні залежності по зміні довговічності, аналогічні наведеним вище, однак даний матеріал має підвищену стійкість до експлуатаційних факторів в напрямку армування.

200 300 б.МГї^

Рис-1

- 'з Ьоді і50МПа,343К

і_____і____!_____і_ ' ■

Рис. 2,

Дані по анізотропії довговічності наведено на рис.2, з яких видно, що найбільше падіння довговічності має місце при кутах орієнтації волокон 0...я/4, оскільки у цьому випадку значно зростає роль зв'язуючого, а значить і роль високоеластичних деформацій, які зростають із підвищенням температури. Найбільше на довговічність впливає температура, потім - рідке середовище.

В даній роботі запропонована методика прискореної оцінки довговічності при стиску шляхом короткочасних випробовувань із застосуванням параметричного методу

Голдфейна. Перевірочні результати довготривалих випробовувань належали довірчим інтервалом параметричної прямої ст=а-вРг, що підтвердило роботоздатність знайдених залежностей і можливість їх використання для прогнозування довготривалої міцності при стиску однонапрямленого склопластику на повітрі і у воді.

Для епоксидних КМ на основі склотканини і різних затверджувачів розрахунковим шляхом за допомогою рівняння Журкова і критерію Бейлі були знайдені значення енергії активації розриву і структурно-чутливого параметру з даних, отриманих при короткочасних випробовуваннях (напруження лінійно залежали від швидкості деформування). Значення параметрів и0 і у наведені в табл.2, звідки видно, що и0* слабо міняється для всіх матеріалів; * « « параметр у змінюється суттєво внаслідок впливу вологи атмосфери. Розрахунок параметрів и0 і у за даними довготривалих випробовувань робили шляхом лінійної апроксимації експериментальних графіків довговічності на інтервал навантажень, близьких до нуля. Аналіз показав якісне узгодження модельних розрахунків і результатів довготривалого експерименту (табл.2).

Таблиця 2 - Параметри и0 і у для епоксидних склопластиків

^Чч^Оклопла стик основі Параметри Короткочасні дослідження

ПЕП? УП УПМ УП+1* УПМ-

и0, кДж/моль кДж , у, —— МПа моль 106, 8 0, 181 109, 2 0, 21Е 106, ' 0, 219 105,3 0, 097 111, 1 0, 445

и0*, кДж/моль ^ кДж „ . у*, МПа1 моль 107, 0 0, 196 109, г 0, 338 110, 8 0, 43С 107, 4 0, 233 106, 4 0, 193

ио, кДж/моль моль Довготривалі дослідження

81, 8 0, 84 81,4 0, 80 81, 4 0, 80 83, А 1, 00 82, ■ 0, 91

величини и0* і у* раьрахйвані для еішмілаотикш, які вули

витримані на протязі 1 місяця на повітрі

Однак, кількісне співпадіння незадовільне. Це означає, що в руйнуванні склопластиків відіграють суттєву роль певні закономірності накопичення пошкоджень і релаксації при довготривалому навантаженні, статистичне врахування яких недостатнє.

Застосування методу планування багатофакторного експерименту при дослідженні довговічності волокнистих матеріалів типу КДА дозволило шляхом аналізу коефіцієнтів цільової функції (поліному) вибрати оптимальний варіант схеми армування композиту, при якому він найбільш стійкий до даних умов експлуатації (температура,вологість).

В дисертаційній роботі наведені результати досліджень впливу дози іонізуючого електронного опромінення на довговічність і значення параметрів и0 та у опроміненого епоксидного склотекстоліту СТЕФ. Дані дослідження, як і короткочасні, показали, що існує оптимальна доза опромінення, при якій склопластик має максимальну довговічність.

В п'ятому розділі розглядається проблема руйнування склопластиків з тріщиноподібними дефектами при статичних навантаженнях.Наведені результати дослідження ортотропно-го склопластика на основі склотканини марки ТСУ-8/3-ВМ-78 та епоксидного зв'язуючого ЕП-5122.Дані статичних випробовувань плоских зразків з різними концентраторами напружень - круговий (2),квадратний (4) отвір, центрально розташована тріщина (1) і два бокових надрізи-тріщини (3) зведені у графіки на рис.За. В усіх випадках змінюється жорсткість матеріалу при майже однаковій величині руйнуючого навантаження. Зразок з круговим отвором деформується майже лінійно (пружньо), що в певних межах при розрахунках на міцність дає змогу застосовувати методи лінійної механіки руйнування. У випадку тріщин нелінійність проявляється вже при малих навантаженнях (~0,5 Ркр) . Вплив поверхневих дефектів-надрізів на статичну міцність ілюструється рис.36, з якого видно, що дані зразки проявляють суттєву нелінійність і значну деформаційність поверхневого шару на відміну від насіфізних дефектів, а швидкість переміщення захватів мало впливає на характер процесу розшарування матеріалу.

Залежність приросту довжини розшарувань від навантаження має вигляд степеневої функції 1=Р0+а(ДР)с. На компактних зразках, вирізаних під різними кутами до напрямку основи {0, тс/12, тс/ 6, 7с/ 4), досліджено вплив кутів

п , .У * ІлМ г*» . , »»ММ

І (еремм^ення Берегів ДБфЄ»СГІВ І Іереміи^еи^дя верег\в тріи^ИНИ

Рис ■ З

намотки на статичну міцність композиту з тріщиною (рис.4а). Для всіх кутів орієнтації тріщини поїм розповсюджується вздовж основи. При малих кутах орієнтації дефекту (до к/12) відносно основи залежність критичного навантаження від довжини тріщини із зміною кута практично не міняється і залишається майже прямолінійною. Для великих кутів орієнтації ця залежність носить складний Б-подібний характер.

Показано, що в матеріалах розглянутого класу тріщина по глибині пластини не розповсюджується. Руйнування відбувається шляхом розшарування вздовж площини армування. Це означає, що тріщиностійкість таких матеріалів у трансверсальному напрямку значно вище міжшарової адге-зійної міцності.

Дослідженнями плоских зразків-смуг склотекстоліту марки СТЕФ із розташованою по центру довільно орієнтованою тріщиною довжиною 21=4мм - встановлено залежність границі міцності ав,деформації Єв і границі пропорційності а при розтягуючому навантаженні вздовж основи від кута орієнтації дефекту а(рис.46).Руйнування матеріалу в даному випадку відбувалося по утку незалежно від кута орієнтації тріщини,тобто перпендикулярно до площини навантаження.

Вивчено також вплив кутів армування ер на міцність склопластика СТЕФ з центральною тріщиною, перпендикулярною до площини дії розтягуючого навантаження, для чого зразки вирізали під різними кутами до напрямку основи. Встановлено, що при малих кутах армування (до п/12) міцність стрімко спадає, подальше збільшення кута ф слабо впливає на міцність матеріалу.

Шляхом позацентрового розтягу компактних зразків з боковим надрізом визначена в'язкість руйнування Кю. Початковий розріз розташовували вздовж основи армування, переміщення берегів тріщини визначали в торцьових точках надрізу за допомогою датчиків на базі 5 мм. Величину критичного навантаження визначали по діаграмі «наван-таження-переміщення» методом 5% січної. Оскільки значення КІН не були постійними на всьому проміжку довжини тріщини, вибирали інтервал (її, 1г), де він з певною точністю є постійною величиною і яка дорівнює Кіс. Середні значення КІН <К1>=КІС наведені в табл. З.

Таблиця 3 - В' язкість руйнування в залежності від інтервалу довжини тріщини

Кіс/ МПа-л/М ( 1і*^-І2 ) , ММ тах відхилення А,%

15, 37 23,90-42,6 10, 3

15, 59 23,90-39,3 8,7

15,78 27,15-39,3 7,5

Отже,критичне значення коефіцієнту інтенсивності напружень Кз у першому наближенні можна вважати незалежним від довжини тріщини і прийняти як постійну матеріалу,тобто Кз=К~~15, 6 МПа ‘VМ .

На підставі теоретичної моделі і літературних даних для однорідних КМ, враховуючи К1с і пружні постійні матеріалу, а також з використанням формули журкова і критерію Бейлі розроблена методика прогнозування довговічності ПКМ з тріщинами для випадку малої швидкості навантажування, коли К1с не залежить від неї.

Для певних інтервалів навантажень і температур,де залежність 1дт(Р) є лінійною,отримані формули для визначення довговічності матеріалу із врахуванням пошкодженості

г, ■

Використовуючи дані короткочасних випробовувань, за вказаною методикою визначені параметри и0 і у, які входять у формулу довговічності, для плоских зразків склопластику з поверхневими надрізами.

Експериментально проводилась перевірка можливості застосування методики вивчення впливу агресивного рідкого середовища на зміну електрохімічних умов у вершині стаціонарної статично навантаженої тріщини стосовно стру-мопровідних вуглепластиків. Здійснений нами контроль водневого показника на поверхні зразка з однонапрямленого матеріалу типу УКН і у вершині штучно нанесеної тріщини-надрізу показав зміну концентрації іонів Н+ при температурі 353 К на протязі 48 годин дії середовища. Оскільки вода не впливає на вуглецеві волокна,зареєстроване зниження рН з 6,05 до 4,35 за вказаний час може відбуватися як в результаті фізичного впливу води безпосередньо на епоксидне зв'язуюче (наприклад,розчинення НС1) у місцях утворення мікродефектів матеріалу і особливо на границі розділу його компонентів, так і внаслідок комплексу інших фізико-хімічних процесів,які необхідно досліджувати в напруженому матеріалі.Очевидно,що дані результати описують лише якісний бік явища,однак в першому наближенні кінетика зміни рН свідчить про певні закономірності, вивчення яких дозволить розробити відповідну методику і застосувати її до вивчення тріщиностійкості ПВМ.

1.Отримані рівняння залежності одночасного впливу температури і рідкого середовища при одновісному розтязі і стиску на фізико-механічні характеристики і довговічність однонапрямлених і ортогонально армованих склопластиків.

У =

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Показано,що експериментальні дані довговічності відтворюються лінійною функцією регресії 1дт=а-Ьа в інтервалі температур 393...413 К в часовому діапазоні 1СГ...107 с, тобто описуються формулою Журкова. Встановлено також рівні експлуатаційних факторів (температура, напруження, середовище),для яких зберігається лінійність механічних властивостей.

Методом тіньової рентгенівської мікроскопії (дефектоскопія) встановлені закономірності накопичення пошкоджень у ПКМ і визначений поріг безпечних напружень матеріалу при довготривалих навантаженнях у середовищі під впливом температури, що підтверджено також даними електронної мікроскопії.Показано, що вирішальну роль у міцності композиту відіграє адгезійна міцність зв'язку «скло-полімер».

На підставі цих даних встановлено, що поліефірні склопластики можуть бути рекомендовані для експлуатації у водних середовищах до температури 353К, а у зневодненій нафті - до 423 К.

Визначено, що максимальне падіння міцності та довговічності ортогонального і однонапрямленого склопластиків відбувається при кутах армування 0...тс/4. Аналогічні дані по анізотропії отримані також у рідких середовищах під дією підвищених температур.

2. Для ряду склопластиків різних модифікацій зв'язуючого за допомогою критерію Бейлі та формули Журкова розраховані параметри и0 і у. Порівняння розрахункових значень з експериментальними показало задовільну кореляцію.

Вперше випробувана експериментально і підтверджена довготривалими дослідженнями можливість застосування параметричного методу Голдфейна для прискореної оцінки довготривалої міцності однонапрямленого епоксидного склопластику при стиску в різних середовищах шляхом короткочасних температурних випробовувань.

3. Дослідженнями опроміненого ортотропного епоксидного склопластику на основі склотканини встановлено оптимальну дозу (2 МГр), що максимально підвищує його міцностні характеристики, а також вивчено вплив радіації на структуру полімерного зв'язуючого.

4. Експериментальним шляхом доведено, що у визначеній для всіх досліджених матеріалів області лінійності механічних властивостей в даних умовах експлуатації можна застосовувати рівняння в'язкопружності спадкової теорії Больцмана-

Вольтери із використанням ядра спадковості Колтунова, враховуючи принцип температурно-часової аналогії.

5. Дослідженнями статичної міцності ортотропного склопластику ТСУ-8/3 показано, що:

-для зразків з тріщинами між напруженнями і деформаціями існує лінійна залежність, що дозволяє в певних межах застосовувати при розрахунках на міцність методи лінійної механіки руйнування;

-матеріали з круговими отворами деформуються пружньо аж до руйнування;

-плоскі зразки з центрально розташованою тріщиною і квадратними отворами мають майже однакову статичну міцність; -при однакових навантаженнях зразок з квадратним отвором має значно більшу деформаційність, ніж із центральною тріщиною;

-найменша деформаційність і порівняно досить висока міцність притаманна зразкові з двома боковими надрізами;

-на відміну від наскрізних (центральних або бокових) надрізів тріщина з вершини поверхневого надрізу не розповсюджується, руйнування відбувається шляхом розшарування в площині армування.

6. Встановлено, що при статичному розтязі компактних зразків незалежно від орієнтації вихідного бокового надрізу відносно напрямку армування (основи), тріщина завжди розповсюджується вздовж основи. При майже однаковій міцності для кутів армування ср=0...7г/4, найменша деформівність (переміщення берегів тріщини) має місце для випадку тріщини, розміщеної вздовж основи (ср=0) .

На плоских зразках з центральною тріщиною показано, що кути орієнтації від 0 до тс/4 при одновісному розтязі вздовж основи максимально знижують границю міцності. В даному випадку руйнування відбувається по утку незалежно від кута орієнтації тріщини, тобто перпендикулярно до площини навантажування.

7.Розроблена і запропонована методика прогнозування довговічності ПКМ з концентраторами напружень(тріщини,поверхневі та бокові надрізи,криволінійні отвори).Визначені параметри довготривалої міцності,що входять у формулу Журкова, для композитів із поверхневими надрізами.

В результаті досліджень компактних зразків склопластику з боковими надрізами-тріщинами встановленого в певних визначених межах залежність між величиною руйнуючого навантаження і логарифмом часу є лінійною,а також розроб-

лений метод визначення тріщиностійкості (К1с) склопластиків. Знайдено, що для досліджуваних ортотропних матеріалів Kic^slS, 6 МПа-V Л-/ . '

8.На балочних зразках вуглепластику' УКН експериментально доведено перспективність застосування методики вивчення електрохімічних умов у вершині тріщини струмопровідного ПКМ, визначаючими швидкість її росту під впливом рідкого активного середовища.

. ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ

Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах:

1. Панасюк В. Е. Влияние рабочих сред и температур на долговечность высокоориентированных стеклопластиков// Материалы VII конф.мол.ученых ФМИ АН УССР. Секция ФХММ.-Львов,1975.-Деп.в ВИНИТИ 09.04.76, N1138-76(78).

2. Панасюк В.Е. Исследование прочности и деформационных свойств стеклопластиков на основе полиэфирной смолы ПН-15//Материалы VIII конф.мол.ученых ФМИ АН УССР. Секция ФХММ.-Львов, 1977.-Деп. в ВИНИТИ 16.03.78, N896-78.

3. Ольхович-Новосадюк Н.А., Пименова Л. В., Калинин Н.Г., Панасюк В.Е. Влияние жидких сред и повышенных температур на долговечность полиэфирных стеклопластиков //Физико-хим.механика материалов(ФХММ) .-1976.-N5.-С.91-93.

4. Левчук Л.И.,Ольхович-Новосадюк Н.А.,Панасюк В.Е.,Ду-лицкая Г.М.,Жердев Ю.В.Прочностные и деформационные свойства электроизоляционных стеклопластиков//ФХММ.-1981.-N5.-С.102-105.

5. Левчук Л.И.,Ольхович-Новосадюк Н.А.,Панасюк В.Е. Влияние воды на релаксацию напряжений в облученном эпоксидном стеклопластике//ФХММ.-1983.-N3.-С.121-123.

6. Панасюк В.Е.,Делявский М.В.,Базилевич З.А. Анизотропия прочности однонаправленного стеклопластика при воздействии повышенных температур и жидкой среды// Применение ПКМ в машиностроении. Тезисы докладов I Всесоюзного научно-технического семинара(19-21 мая 1987).-Ворошиловоград, 1987.-С.135-136.

7. Панасюк В.Е., Делявский М.В., Бережницкий Л.Т. Ползучесть однонаправленных стеклопластиков под влиянием жидких сред и повышенных температур//Механика композитных материалов.-1987.-N5.-С.910-914.

8. Панасюк В.Є., Проць С.Р., Барінов В.Ю. Вплив середовища на захисні властивості і адгезію порошкового поліетиленового покриття на сталі//ФХММ.-1995.-N3.C.118-120.

Анотація

Панасюк В.Є. Закономірності руйнування склопластиків при довготривалих навантаженнях з врахуванням експлуатаційних факторів.- 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, 1997.

Отримані дані про спільний вплив статичних навантажень,рідкого середовища і підвищених температур на фізико-механічні характеристики і механізм руйнування склопластиків дозволили розрахувати запас міцності, оцінити границі застосування виробів з них, а також вибрати найбільш прийнятні схеми армування під час створення нових ПКМ для конкретних умов експлуатації.Запропоновані рівняння для описання і прогнозування повзучості,довговічності та методики розрахунку їх параметрів . Отримані і проаналізовані закономірності Епливу тріщиноподібних дефектів на статичну міцність і довговічність ортотропного склопластику.

Ключові слова: напруження, міцність, довготривала

міцність, повзучість, нормальні і підвищені температури, експлуатаційне середовище, анізотропія, тріщина, виріз, полімерний композиційний матеріал.

Аннотация

Панасюк В.Е. Закономерностей разрушения стеклопластиков при длительных нагрузках с учетем эксплуатационных факторов .-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04-механика деформируемого твердого тела.-Физико-механический институт им.Г.В.Карпенка НАН Украины, Львов, 1997.

Полученные данные о совместном влиянии статических натруз^.::, кишкой сррды и повыпенных температур на физико-мехзд!мчески-' характеристики и механизм разрушения с,г,‘::глоп.:'эстикг'>в позі о.-тили рассчитать яапас прочности, оценить граьчиы применимости изделий из них, а также вы жйї’Ь наиболее приемлемые схемы армирования при сс^даїз.и ноеых ПКМ для конкретных условий эксплуатации. Предложены уравнен; ш. для описания и прогнозирования ползучести, долговечности и методики расчета их параметров. Получены и проанализированы закономерности влияния

трещиноподобных дефектов на статическую прочность и долговечность ортотропного стеклопластика.

Ключевые слова: напряжение, прочность, длительная

прочность,ползучесть, нормальные и повышенные температуры, эксплуатационная среда,анизотропия,трещина,вырез,полимерный композиционный материал.

Summary

Panasiuk V.Ye.Regilarities destruction of glass-fibre-reinforced plastics during longterm loads under exploitative factors.-Manuscript.

Disertation is in the level of candidate in technical and scientific scince in the speciality 01.02.04 - mechanics of deformable solids. -Karpenko Physico-Mechanical

Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv,1997.

Obtained data - concerning joint influence of static loads,liquid environment and elevated temperatures on

physicomechanical characteristics and distruction mechanism of glass-fibre-reinforced plastics - allowed to calculate strength reserve, to value application limits of glass-fibre-reinforced plastics wares and also to select most acceptable schemes of reinforced with

creating new PCM for concrete conditions of exploitation. Equations for description and prognostication of creeping, longevity and calculation method of their

parameters have been proposed. Regularities of crack-similar defects influence on static strength and longevity of orthotropical glass-fibre-reinfirced plastics have been obtained and analysed.

Key words:stress,strength,creep,normal and elevated temperatures,exploitative media,anisotropic,a crack, a cut,polymer composite material.