ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДАМИ СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

d — расстояние между голограммой и экраном; Ь — расстояние между интерференционными полосами.

Определив перемещения их и иу в конечном числе точек исследуемой поверхности,

находим ее деформации, дифференцируя аппроксимирующие перемещения зависимости в соответствующих точках:

В случае существенно неплоской поверхности расшифровка голограммы, получен­ ной по схеме рис. 1 , как спекл-голограммы затруднена и не дает значений перемещений в плоскости, касательной к поверхности в соответствующих точках. В этом случае для определения деформаций поверхности целесообразно использовать уравнения, впервые полученные в [2}:

где N — порядковый номер интерференционной полосы на фотографии голографиче­ ского изображения поверхности; i= 1,2,3 — индексы трех не лежащих в одной плос­ кости направлений наблюдения, с которых производится фотографирование; kx*, kv\ kzi — направляющие косинусы вектора, равного сумме единичных векторов в направ­ лении освещения (при получении голограммы по схеме рис. 1 ) и наблюдения.

Расшифровка голограмм с использованием уравнений (2) заключается в фотогра­ фировании с трех различных направлений восстановленного голограммой двойной экс­ позиции изображения объекта исследования, вычислении по каждой фотографии вели-

(2 ) в какой-либо точке поверхности достаточно разделить величину X на расстояние по соответствующей оси между интерференционными полосами, ближайшими к данной точке. Это расстояние между полосами имеет смысл базы измерения деформации, ана­ логичный понятию базы измерения в тензометрическом методе определения деформаций, и может составлять величину до десятых долей миллиметра и менее, автоматически уменьшаясь в местах концентрации напряжений.

Решение уравнений (2) упрощается, если выбрать величины направляющих косину­ сов так, чтобы некоторые из них обращались в нуль, или если при реализации экспери-

формация 8 Жобратно пропорциональна расстоянию по оси х между интерференцион­ ными полосами.

2. С помощью описанной выше методики изучалось деформированное состояние трехслойных пластин, армированных органической тканью с укладкой (0°—90°—0°). В пластинах размерами 90X400 мм в плане ост­ рым лезвием создавались узкие трещины длиной 30 мм с инициирован­ ным до голографического исследования продвижением вершин на 0,5— 2 мм. Трещины ориентировались под углами 90, 45 и 0° к направлению действия растягивающей нагрузки. Нагружение осуществляли с помощью специального гидравлического устройства, жестко закрепленного на столе голографической установки СИН, оснащенной лазером ЛГ-38. Пер­ вую экспозицию фотопластины типа ПЭ-2 производили по схеме рис. 1 при начальном небольшом уровне нагружения. После догружения на ве­ личину порядка 500—1000 Н на ту же фотопластину производили вторую

экспозицию.

По методике, описанной выше, производили расшифровку полученной таким образом голограммы двойной экспозиции. При этом поле дефор­ маций определяли по формулам (1) после решения системы уравнений

(2) в узлах неравномерной, сгущающейся к вершине трещины сетки, ус­ ловно нанесенной на поверхность голографического изображения плас­

тины.

На рис. 2 представлены голографические интерферограммы исследо­ ванных органопластиковых пластин с различно ориентированными по от­ ношению к нагрузке трещинами. Как следует из анализа этих интерфе­

рограмм, тонкая трещина приводит к значительным искажениям интерференционной картины даже при ориентации вдоль растяжения. Это обусловлено неоднородностью поперечной деформации по толщине пакета на контуре трещины из-за различных коэффициентов поперечной деформации слоев. Концентрация линейных деформаций вдоль оси, по которой происходит растяжение, в вершине составляет 4,0, 2,6 и 1,0 для трещины, расположенной под углами 90, 45 и 0° к направлению действия нагрузки соответственно. При этом не наблюдалось деформационного уг­ лубления на поверхности, которое имеет место в небольшой окрестности вершины трещины в металлах [4].

3. Голографическое исследование тканых органо- и стеклопластиков показывает, что первоначально плоская, например, отшлифованная, по­ верхность таких материалов в процессе их деформирования не остается плоской, а приобретает мелкий рельеф, адекватно связанный со структу­ рой армирующей ткани, причем при растяжении (сжатии) материала впадины (вспучивания) наблюдаются между армирующими волокнами приповерхностного слоя ткани. Таким образом, при деформировании как бы проявляется невидимая внутренняя приповерхностная структура ма­ териала. Если эта структура дефектна, то наблюдаются соответствую­ щие искажения в деформационном рельефе поверхности. В качестве примера на рис. 3 приведена голографическая интерферограмма органо­ пластикового растягиваемого образца. Интерференционные полосы, по­ крывающие голографическое изображение образца, характеризуют пере­ мещения и деформации его поверхности при перепаде нагрузки в 1700Н.

Как следует из рис. 3, интерференционные полосы сужаются и расши­ ряются, повторяя в какой-то степени структуру приповерхностного слоя армирующей ткани. Интерференционные полосы расширяются между во­ локнами приповерхностного слоя и сужаются на них. С помощью фор­ мулы для иг и зависимостей (2) по рис. 3 можно установить, что макси­ мальная глубина впадин, образовавшихся между двумя экспозициями, составляет величину порядка 0,1 мкм. Это соответствует разнице дефор­ маций поверхности образца над волокнами и между волокнами — 3 *1 0-4, причем чем большее изменение ширины интерференционной по­ лосы на голографической интерферограмме поверхности тканокомпозит­ ного материала при идентичном нагружении, тем выше концентрация напряжений между волокнами.

На рис. 3 хорошо заметны места перекоса армирующей ткани и неравномерности в ее плотности, приводящие к искривлению интерферен­ ционных полос, изменению расстояния между ними и степени их уширений. В этих местах наряду с зонами увеличенных деформаций (сближе­ ние интерференционных полос) наблюдаются зоны разгрузки (разряже­ ние интерференционной картины).

На рис. 3 заметен также контур приклеенной к образцу однослойной накладки из аналогичного органопластика. То, что на этой накладке ин­ терференционные полосы имеют такой же характер, направление и структуру, как и на основном материале, несмотря на то, что укладка ткани в накладке отличается от укладки в образце, свидетельствует о том, что наблюдаемая интерференционная картина (в том числе сужение и расширение интерференционной полосы) не связана с каким-то перво­ начальным рельефом недеформированной поверхности. О том, что интер­ ференционные полосы на рис. 3 не совпадают с волокнами ткани, сви­ детельствует то, что полосы не прерываются на контуре накладки, во­ локна в которой уложены под углом 45° к соответствующим волокнам основного образца. Накладка слабо искажает деформированное состоя­ ние образца (и, следовательно, интерференционную картину на рис. 3), потому что ее жесткость мала по сравнению с жесткостью образца.

4. Как следует из анализа голографических интерферограмм компо­ зитных материалов (см., например, рис. 3), искажения в укладке арми­

рующих элементов могут приводить к значительной концентрации напря­ жений. Наиболее опасной для ряда конструкционных композитных поли­ мерных материалов является концентрация напряжений, вызванная отклонением в ориентации волокон. Голографическое исследование кон­ центрации напряжений при отклонении в ориентации волокна в однона­ правленно армированном однослойном композите проводили на увели­ ченной модели материала. Удельное содержание волокон с модулем уп­ ругости £„ = 2,2—105 Н/мм2 составляло 0,74 в связующем с модулем упругости £ с = 0,1 • 105 Н/мм2.

На рис. 4 представлена голографическая интерферограмма поверх­ ности образца с погрешностью укладки одного среднего волокна 5°. Во­ локна расположены по горизонтальной оси, вдоль которой производится растяжение. Расшифровка голограмм двойной экспозиции с помощью зависимостей (2) позволила установить в частности, что напряжение сдвига в связующем остается пренебрежимо малым вдоль среднего участка дефектного волокна и экспоненциально увеличивается у концов дефектного участка волокна. Это увеличение начинается на расстоянии диаметра волокна от концов участка с отклонением в ориентации. Вели­ чина касательных напряжений достигает 44% от величины продольного растягивающего напряжения. Сдвиговая деформация резко уменьшается по мере удаления от дефектного волокна, составляя всего 13% от макси­ мального значения уже у соседнего волокна.

Нормальные поперечные напряжения также достигают максимума вблизи концов дефектного участка волокна (до 20 %1 от величины про­ дольного растягивающего напряжения), практически затухая на расстоя­ нии двух волокон от дефектного. Однако, если максимум касательных напряжений находится вблизи волокна с дефектом в укладке, то макси­ мум нормальных поперечных напряжений сдвинут ближе к соседнему во­ локну. Угловое перемещение дефектного волокна вызывает в два-три раза меньшие угловые перемещения соседних волокон и практически от­ сутствует у третьего (от дефектного) волокна. Затухание указанных эф­ фектов по мере удаления от дефектного волокна можно визуально наб­ людать на рис. 4 по выравниванию интерференционных полос, которые вдали от волокна с отклонением в укладке стремятся занять вертикаль­ ное положение.

5. Голографическое исследование ползучести полимерных композит­ ных материалов в условиях сильной концентрации напряжений проводи­ лось на многослойных пластинах, армированных в одном напоавлении углелентой. В длинных пластинах толщиной 5 мм и шириной 80 мм вос­ производились поперечные трещины шириной 1 мм, длиной 20 мм, раз­ личной глубины. Пластины подвергались изгибу по трехточечной схеме нагружения до уровня 0,8 от среднего значения разрушающего усилия. После первого экспонирования фотопластины по схеме рис. 1 образец вы­ держивался при этом уровне нагружения 50 с, после чего производилось повторное экспонирование фотопластины.

Анализ полученных таким образом голографических интерферограмм, типичная из которых представлена на рис. 5, показывает, что ползучесть наблюдается практически только в областях с большой концентрацией напряжений. Поля деформаций и перемещений, наблюдаемые при ползу­ чести под постоянной нагрузкой, почти полностью эквивалентны тем, ко­ торые имеют место при деформировании образца в упругой области при соответствующем перепаде нагрузки между двумя экспозициями. Дефор­ мации ползучести вблизи трещин глубиной 1 и 2 мм (голографирование велось с обратной трещинам стороны образца) практически не наблюда­ лось. Величина деформаций вблизи вершин трещин глубиной 3, 4 и 5 (сквозная) мм, определенная с помощью зависимостей (2), составляла 0,3 -10-4, 0,5* 1(Н и 1,2- 1(Н соответственно. Прогибы пластин, обуслов­ ленные деформацией ползучести, не превышали 5 мкм.

Кроме микрооднородной ползучести наблюдались также элементар­ ные акты хрупкого разрушения — разрывы небольших пучков волокон, сопровождающиеся потрескиванием. За 50 с происходило от двух до пяти таких разрывов .с характерными щелчками. Места этих разрывов обна­ руживаются на голографических интерферограммах по локальным иска­ жениям интерференционных полос. Так, например, на рис. 5 хорошо за­ метны места таких разрывов вблизи сквозной трещины.

Выводы. Изложенная в работе методика голографической и спеклинтерферометрии композитных материалов позволяет эффективно иссле­ довать сложные проблемы механики деформирования композитных материалов, получать новую точную информацию о процессе их разруше­ ния. Высокая чувствительность (до 0,1 мкм), практически неограниченно малые базы измерения деформаций делают целесообразным применение описанной выше методики для исследования достоверности гипотез и до­ пущений теоретических методов расчета, для прямого эксперименталь­ ного наблюдения «тонких» деформационных эффектов, а также для ис­ следования закономерностей деформирования и разрушения новых ком­ позитных материалов и ответственных элементов конструкций из них.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Рассоха А. А. Применение голографической и спекл-интерферометрии для опре­ деления напряженно-деформированного состояния элементов конструкций, дефекто­

скопии и дефектометрии. — В кн.: Физические основы голографии. Л., 1978, с. 96— 103.

2.Рассоха А. А. Исследование деформаций твердых тел с помощью методов, сов­ мещающих голографическую и спекл-интерферометрию. — В кн.: Физические основы го­ лографии. Л., 1979, с. 160—171.

3.Рассоха А. А. Применение спекл-голографической интерферометрии для исследо­ вания напряженно-деформированного состояния диска ГТД вблизи замкового соедине­ ния с лопаткой. — Пробл. прочности, 1980, № 5, с. 116—118.

4.Рассоха А. А. Определение параметров поверхностных трещин методами, совме­ щающими голографическую и спекл-интерферометрию. — Физ.-хим. механика материа­ лов, 1980, № 4, с. 98—101.