CC BY
74. Голиков Н.И., Сидоров М.М., Санников И.И. Опыт реализации модели коллективного пользования научным оборудованием ЯНЦ СО РАН в интересах бизнеса // EURASTRENCOLD-2023 : Сборник трудов XI Евразийского симпозиума по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвященного 85-летию со дня рождения академика В.П. Ларионова, Якутск, 11-15 сентября 2023 года. Киров: Межрегиональный центр инновационных технологий в образовании, 2023. С. 178-183.
5. Сараев Ю.Н., Голиков Н.И., Сидоров М.М. Климатические испытания сварочного оборудования при отрицательных температурах : Методические указания. Томск : Общество с ограниченной ответственностью «СТТ», 2020. 12 с.
6. Сараев Ю.Н., Голиков Н.И., Сидоров М.М. Климатические испытания сварочных материалов при отрицательных температурах : Методические указания. Томск : Общество с ограниченной ответственностью «СТТ», 2020. 18 с.
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-36-39
АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ УГЛЕПЛАСТИКА В РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНО-СИЛОВЫХ УСЛОВИЯХ И ВОЗДЕЙСТВИЯХ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
Петров М.Г.1, Старцев О.В.2, 3, Лебедев М.П.3, Копырин М.М.3
1 ФАУ «СибНИА им. С.А. Чаплыгина», г. Новосибирск
2 НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ, г. Москва
3 ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», г. Якутск
Изложен подход для определения долговечности полимерных композиционных материалов, основанный на рассмотрении внутренних термодинамических процессов, происходящих в материалах под нагрузкой с позиций теории скоростей реакций. Изложены результаты испытаний углепластиков авиационного назначения на растяжение, сжатие и межслоевой сдвиг при различных видах нагружения. Проведен анализ структуры углепластиков по их неупругим характеристикам. Рассмотрены методы прогнозирования их долговечности для заданной вероятности разрушения.
Экспериментальные и теоретические основы этого подхода изложены в работах [1, 2] со всеми ссылками на историю вопроса и экспериментально-теоретические доказательства его достоверности и применимости. Первым шагом в исследовании свойств любого твёрдого тела является нагружение образцов материала при нарастающих напряжениях с разными скоростями при различных температурах и применение термоактивационного анализа как основного метода обработки получаемых данных. Эта область условий нагружения связана с общим течением материала - ползучестью.
При переменных нагрузках, применяя те же законы разрушения к совокупности локальных процессов, распределённых в структурно неоднородном материале, требуются дополнительные методы испытаний и анализа получаемых результатов.
Настоящая работа демонстрирует этот подход применительно к разрушению углепластиков, подверженных кроме температурно-силовых воздействий влиянию внешней среды на состояние связующих. Анализ их прочностных свойств даёт возможность предвидения хода процесса разрушения в тех или иных условиях эксплуатации подобных конструкций.
Испытания на растяжение-сжатие со ступенчато нарастающей амплитудой нагруже-ния были выполнены на образцах углепластика авиационного назначения на основе эпоксидного связующего Cycom 977-2 и углеродных волокон марки Tenax®IMS [3, 4] после 7 лет экспонирования под навесом и на открытом атмосферном стенде в условиях теплого влажного
климата Сочи. Сравнивали результаты этих воздействий с контрольной партией образцов, им не подвергавшимся.
Использовался симметричный цикл нагружения, при котором разрушение происходит в результате сжатия ввиду ползучести связующего. При растягивающих нагрузках прочностные свойства композита иные. Этот вид нагружения применяется с целью получения дополнительной информации о неупругих свойствах материала. Амплитудная зависимость неупругости характеризует структуру материала, ибо она является следствием неоднородности распределения внутренних напряжений по его объему. Именно они и определяют долговечность материала и используются в математических моделях, описывающих процессы усталостного разрушения.
Нагружение проводили по ступенчатой программе, и на каждой ступени выполнялось четыре цикла, по которым получалось три значения раскрытия петли неупругости. Оцифровка нагрузок и перемещений осуществлялась с частотой примерно на два порядка большей частоты нагружения.
Процесс разрушения характеризуется скоростью, зависящей от температуры и напряжений. Под скоростью разрушения понимается величина, обратная долговечности, которая определяется выражением
( тт
ш = v0 ехр
U0 -ya(t)
v
(1)
RT (t)
в котором абсолютная температура T и напряжения о могут быть любыми функциями времени. Здесь Uo - начальная энергия активации разрушения (ЭАР), у - активационный объём, характеризующий в материале уровень внутренних напряжений, R= 8,31441 Дж/(мольК) -универсальная газовая постоянная, vo= 1013 с-1 - характерная дебаевская частота [1, 2].
Интегрируя это выражение по времени в соответствии с траекторией нагружения до момента полного разрушения образца, получаем условную повреждённость ш = 1. Из этого условия находится коэффициент у, характеризующий прочность данного материала. То же значение ш = 1 получим, полагая, что при постоянно действующих напряжениях, равных максимальным, образец разрушился в течение времени Xeq.
Исходя из условий равенства повреждённости для данной температуры, получаем соотношение
Jeb(t,o)dt = t„v0 (2)
где t„ - момент времени окончания процесса разрушения. Под напряжением |Gmax| здесь следует понимать те напряжения (растягивающие, сжимающие, касательные и пр.), которые приводят к разрушению. В результате все случаи нагружения по различным траекториям во времени можно привести к единой системе координат и выполнить их анализ. Анализ заключается в определении силовой зависимости ЭАР, представленной в числителе экспоненты (1). В результате получаем зависимости по совокупности значений
U(o) е RTln(VoTeq) = Uo - Y|Omax| и по методу наименьших квадратов находится величина Uo.
Силовые зависимости ЭАР образцов, испытанных по программам с нарастающими амплитудами напряжений, представлены на Рис. 1 [4]. Поскольку объём испытаний был очень мал, термоактивационный анализ проводился при заданном значении Uo, ранее определённым для углепластика (155,3 кДж/моль). «Прочность», переведённая здесь также в единицы времени, характеризуется тангенсом угла наклона прямых 1, 2 и 3 в этих координатах - коэффициентом у.
Наименее прочными оказались образцы, не подвергавшиеся климатическим воздействиям (прямая 1). Температурно-влажностные условия экспозиции, исключающие воздействия солнечной радиации, благоприятно сказались на их прочностных характеристиках (прямая 2). А воздействие солнечной радиации этот эффект практически устранило (прямая 3).
Имея силовую зависимость ЭАР, можно рассчитать процесс разрушения материала при произвольных изменениях температуры и напряжений, учитывая изменение у во времени [1], и определить его прочность - время разрушения t„ численным интегрированием (2) по
временным шагам для заданной вероятности разрушения. Для этого из центра рассеяния ЭАР образцов, например, в исходном состоянии отложить три стандартных отклонения SD в сторону меньших напряжений и соединить эту точку со значением Uo. Получим силовую зависимость ЭАР для данной вероятности, по которой и выполняется расчёт. Пример расчёта количества безопасных погружений на глубину 4000 м батискафа «Титан» приведён в докладе на конференции ICMAR 2024 [7].
Неупругие свойства материала определяются по амплитудной зависимости раскрытия петель, появляющегося при нагрузке-разгрузке. Для этого и проводятся испытания со ступенчато нарастающей амплитудой нагружения [4].
Неупругость любого материала начинается от напряжений равных нулю. При малых амплитудах всегда наблюдается релаксационный фон внутреннего трения, вызванный процессами вязких локальных течений в структуре материала. Скорость процессов вязкого течения в материалах во многих случаях пропорциональна напряжениям, и получается линейная зависимость раскрытия петли от амплитуды напряжений.
По мере увеличения амплитуды нагружения пропорциональность связи между усилиями и перемещениями нарушается, так как появляются пластические деформации, увеличивающие раскрытие (ширину) петель, называемые неупругостью гистерезисного типа [1]. Скорость пластической деформации экспоненциально зависит от напряжений, как и скорость разрушения (1). Связь пластической деформации с накоплением повреждений используется в математических моделях, вычисляющих процесс разрушения при усталости [5, 6]. Амплитудные зависимости неупругости углепластика различных марок приведены в работах [4-6].
При дальнейшем нарастании амплитуды появляются участки всё большего прироста раскрытия петли. Экстраполяция каждого из характерных участков прироста ширины петли показывает величину прироста для каждого интервала амплитуд нагружения. По нашим представлениям это связано с появлением новых локальных зон в структуре материала, где возникают пластические деформации. Это подтверждается испытаниями на остаточную долговечность образцов после выработки материалом в эксплуатации части ресурса его долговечности: минимум остаточной долговечности наблюдается только при определённых нагрузках, близких, по-видимому, к эксплуатационным [4]. Используя связь неупругости гистерезисного типа с выносливостью (повреждённостью материала за цикл нагружения), определяются параметры математической модели материала для расчёта долговечности с заданной вероятностью разрушения и при переменных напряжениях, учитывая разброс экспериментальных данных [6].
Испытания на межслойный сдвиг также демонстрируют основные законы разрушения. Рассмотрим пример испытаний углепластика ACM 102-C130UD, проведенных трёхточеч-ным изгибом коротких балок по Г0СТ32659-2014. Величина максимального значения касательных напряжений вычисляется по формуле
Tmax = 30/2F = 3P /4F , где Q - перерезывающая сила, F -площадь поперечного сечения образца.
U, кДж/моль
140
100
60
Ч О 1 Д 2 □ 3
_ щ ч ?s • 4
- \ 3SL
: ч * ч ► ч
Ii Ii Ii 1 1 1 1 N 4 Ч 1 к 3 2 i3i 1 2
0
100
200
300
400 |Omax|, МПа
Рис. 1. Силовые зависимости ЭАР образцов углепластика, испытанных по программам, изображённых на рисунке 1: 1 - контрольные пластины, хранившиеся в лаборатории, 2 - пластины, находившиеся на стенде под навесом, 3 - пластины, экспонировавшиеся на открытом стенде, 4 - центры рассеяния ЭАР пластин 1 для вероятности разрушения 50% на прямой 1 и 0,14% на прямой 4
Испытания на межслойный сдвиг проведены при монотонном нагружении образцов с постоянной скоростью перемещения в интервале времени разрушения, составляющем четыре порядка: от ~2 до ~20000 с. При этом выявляется распределение прочности образцов по группам, как это встречается и в металлических сплавах [1].
U, кДж/моль
Uo 140
110
80
50
= Ol Т2 A3
>
= S %
Е \ %
= ч:
= V о , III
=
= ч К
= > 14IV г> I
=мм II мм II мм II мм мм II
0 10 20 30 40 50 60 70 Ттах, МПа
Рис. 2. Зависимости ЭАР от максимальных значений касательных напряжений при испытаниях на межслойный сдвиг с различными скоростями перемещений. Цифрами обозначены группы
прочности испытанных образцов (1-4) и соответствующие им силовые зависимости ЭАР (!-!У)
Термоактивационный анализ полученных данных, результаты которого изображены на Рис. 2, показывает то же самое. Вычисления выполняются по тем же формулам (1) и (2) с заменой сжимающих напряжений о на касательные Tmax, имеющие в какой-то момент времени наибольшие значения в каждом опыте. По этим данным и была получена оценка начальной ЭАР 153,9 кДж/моль, близкая по значению к упомянутой ранее.
Остальные четыре соответствуют по своему структурному состоянию двум другим группам прочности II и III. И каждая из трёх групп прочности показывает весьма малый разброс индивидуальных характеристик отдельных образцов, относительно аппроксимирующих прямых. Отдельно представлена прочность дефектного образца 4, отличающаяся от остальных и выде-
ленная в группу IV.
В заключение отметим, что разрушение углепластиков, как и других материалов, относится к числу междисциплинарных задач физики и механики ПКМ. Мерой прочности любого материала является время его разрушения при постоянных, нарастающих или переменных нагрузок. Представленные в работе результаты показывают перспективность подхода, рассматривающего внутренние термодинамические процессы нагруженных материалов с позиций теории скоростей реакций.
Финансирование работы: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 2419 00009, https://rscf.ru/project/24-19-00009/.
Литература
1. Петров М.Г. Прочность и долговечность элементов конструкций: подход на основе моделей материала как физической среды. Saarbrücken: Lambert Academic Publishing, 2015. 472 с.
2. Petrov M.G. Mathematical Modeling of Failure and Deformation Processes in Metal Alloys and Composites// American Journal of Physics and Applications. 2020. V. 8. P. 46-55.
3. Петров М.Г., Лебедев М.П., Старцев О.В., Копырин М.М. Влияние низких температур и влаги на прочностные свойства углепластика // Доклады РАН. Химия, науки о материалах. 2021. Т. 500. С. 62-68.
4. Petrov M.G., Startsev O.V., Lebedev M.P., Kopyrin M.M., Salnikov V.G. Strength characteristics of carbon fiber reinforced plastic in shear and cyclic extension-compression after 7 years of climate exposure // Universal Journal of Carbon Research. 2024. V. 2, Issue 1. P. 1-13.
5. Petrov M. Fracturing of Solids as a Thermodynamic Process // Alloys. 2023. V. 2. P.122-139.
6. Петров М.Г. Долговечность и неупругость композиционных материалов // Композиты и наноструктуры. 2024. Т. 16, вып. 2. С. 121-134.
7. Petrov M.G. Science of the strength of materials or what is not taught in universities // 22th International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR 2024): Abstracts. Part 1. P 120-122.
