книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов

стадия закритического деформирования, которая может проявляться ввиду постепенного разрушения наиболее нагруженных волокон и перераспределения нагрузки внутри пучка. При рассмотрении текстильных материалов важным показателем, характеризующим механические свойства, является жесткость материала. В связи с геометрическим непостоянством нитей вместо площади поперечного сечения используется линейная плотность. При расчете механических характеристик вместо модуля упругости использовался коэффициент жесткости, определяемый на начальном этапе, а вместо напряжений рассчитывалась удельная нагрузка. Также был произведен расчет коэффициента разупрочнения на ниспадающей ветви.

На основе разработанной методики были проведены испытания пучков базальтовых волокон с количеством нитей n = 1, 2, 3, 5 и 10 по десять образцов (рис. 3.25), а также исследовалось влияние скорости деформирования на закритическую стадию. Были получены основные механические характеристики и диаграммы растяжения.

Рис. 3.25. Кривые «нагрузка-перемещение» для пучков с количеством нитей n = 1, 2, 3, 5 и 10

71

Полученные данные демонстрируют существенный статистический разброс результатов по прочности и предельному перемещению. Предел прочности достигается в интервале 45–60 % от полного удлинения волокна. Ниспадающий участок диаграмм может быть интерпретирован как постепенное разрушение наиболее нагруженных волокон с перераспределением нагрузки внутри пучка и вытягиванием уже разрушенных волокон.

В табл. 3.5 приведены средние значения максимальной разрушающей нагрузки, удлинения при максимальной нагрузке, максимальной удельной нагрузки и коэффициента жесткости. На рис. 3.26–3.28 приведены опытные зависимости «перемеще- ние-нагрузка» для пучков с различным количеством нитей.

Рис. 3.26. Кривые «перемещение-нагрузка» для пучков из одной нити

72

ния 0,5, 5, 10, 50, 100 и 500 мм/мин. Кривые «нагрузкаперемещение» приведены на рис. 3.32. На рис. 3.33 построены полученные скоростные зависимости нагрузки от перемещения в относительных координатах.

Рис. 3.29. Кривые «перемещение-удельная нагрузка» при n = 1

Рис. 3.30. Кривые «перемещение-удельная нагрузка» при n = 3

74

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

НА ЗАКРИТИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Изучение влияния дополнительных вибрационных воздействий на реализацию закритической стадии деформирования композиционных материалов

Значительное внимание исследователей уделяется теоретическому и экспериментальному изучению влияния различного рода дополнительных воздействий на поведение механических систем, в частности вибрационных, которые могут быть связаны с реальными условиями эксплуатации конструкций или технологическими режимами. Так, наложение дополнительных вибраций может приводить к устойчивому состоянию перевернутого маятника, стабилизации упругого статически неустойчивого стержня [17, 68–70], появлению особенностей поведения гидродинамических систем [71], изменению реологического поведения конструкционных материалов [18, 19, 72], а также усилий резания в технологических процессах [73].

При изучении закритического поведения материалов представляет интерес не только опытное получение полных диаграмм, но и изучение зависимости степени реализации закритической стадии от параметров нагружения [26, 74–76]. Например,

вработах [77, 78] проведены исследования влияния динамических и предварительных циклических воздействий на поведение материалов при упругопластическом и закритическом деформировании. Ранее участниками коллектива исполнителей были получены результаты экспериментальных исследований вибрационной стабилизации процесса закритического деформирования

вусловиях растяжения сплошных цилиндрических образцов конструкционных сталей 20 и 40Х при наложении дополнитель-

77

ных вибрационных воздействий [16]. В результате исследований для металлов отмечена возможность стабилизации процесса закритического деформирования в условиях растяжения сплошных цилиндрических образцов при наложении дополнительных скручивающих вибрационных воздействий.

В настоящем проекте сделано предположение о возможном проявлении описанного эффекта при деформировании и разрушении композиционных материалов. Реализация таких экспериментов на композитах требует решения определенных методических вопросов, связанных в первую очередь с выбором формы образцов для различных материалов, способов их закрепления и обеспечения необходимой жесткости нагружающей системы. В результате в отчетном периоде разработаны методики исследования влияния дополнительных вибрационных воздействий на реализацию стадии закритического деформирования. Методики основаны на использовании двухосевой (растяжение с кручением) испытательной системы Instron 8802 (обладает высокой жесткостью), специализированного программного обеспечения, вспомогательных приспособлений, средств регистрации данных (экстензометров). Исследование заключалось в проведении серии экспериментов на квазистатическое растяжение при постоянных вибрационных крутильных и растягивающих-сжимающих воздействиях. Реализованы методики наложения крутильных и растягивающих вибраций при квазистатическом растяжении композитных образцов. Для предотвращения разрушения от сжатия, выскальзывания образцов из захватов принято решение использовать латунные втулки (рис. 4.1).

Отработка методики исследования влияния дополнительных вибрационных воздействий проводилась на образцахстержнях с диаметром рабочей части 5,7 мм и длиной рабочей части 30 мм из однонаправленных стеклопластиков при квазистатическом растяжении с наложением постоянных крутильных колебаний с высокой частотой и малой амплитудой. В качестве примера для испытаний со скоростью удлинения образ-

78

ца 0,19 мм/мин, частотой дополнительных крутильных вибраций 20 Гц и амплитудой угла закручивания 1° на рис. 4.2 приведены диаграммы растяжения.

Рис. 4.1. Установленный образец-стержень

взахватах испытательной системы Instron 8802 (а)

илатунные втулки для закрепления образцов (б)

Рис. 4.2. Диаграммы нагружения образцов-стержней:

1 – без дополнительной вибрации; 2 – с вибрацией, штриховой линией обозначены зоны динамического разрушения

79

Следует отметить, что при наложении дополнительных крутильных вибраций снижается максимальная нагрузка, но стадия закритического деформирования характеризуется большей степенью реализации. Таким образом, рассмотрены методики проведения испытаний с целью выявления влияния дополнительных вибраций на реализацию и устойчивость закритической стадии деформирования композиционных материалов. Далее представляет интерес поиск режимов дополнительных вибраций, приводящих к возможной стабилизации процессов структурного разрушения композитов.

С целью исследования влияния дополнительных крутильных колебаний на реализацию закритической стадии равновесного деформирования образцов композиционных материалов проведена серия механических испытаний на образцах однонаправленной стеклопластиковой арматуры с диаметром 8 мм и длиной рабочей части 60 мм. Нагружение реализовано на двухосевой сервогидравлической испытательной системе Instron 8850.

Для предотвращения выскальзывания образцов из захватов испытательной системы изготовлены латунные гильзы, в которые вклеивались образцы (рис. 4.3) с использованием клеевого состава ВПЗ (внутренний полимерный заполнитель), состоящего из смолы ЭД-20 с наполнением полыми стеклянными микросферами. Данный тип подготовки образцов позволил проводить испытания до полного разрушения. Образец, закрепленный в захватах испытательной системы, приведен на рис. 4.4.

Рис. 4.3. Образец однонаправленной стеклопластиковой арматуры, вклеенный в латунные гильзы

Испытание образцов производилось при квазистатическом растяжении с постоянной скоростью с дополнительным наложением

80