| Параметр испытания | Обозначение | Диапазон значений | Стандарт |
|---|---|---|---|
| Частота нагружения | f, Гц | 1–15 | ASTM D3479, ISO 13003 |
| Коэффициент асимметрии | R = σmin/σmax | 0,1–0,5 | ГОСТ Р 57143, ASTM D3479 |
| Температура испытаний | T, °C | -60 до +150 | ASTM D3039 |
| Базовое число циклов | N0 | 106–107 | ISO 13003 |
| Максимальное напряжение | σmax, МПа | 50–80% от σв | ISO 527-4 |
| Тип композита | Напряжение при 103 циклов, МПа | Напряжение при 106 циклов, МПа | Коэффициент снижения |
|---|---|---|---|
| Углепластик однонаправленный | 850–950 | 600–700 | 0,70–0,75 |
| Стеклопластик тканевый | 320–380 | 210–270 | 0,65–0,71 |
| Органопластик [0°/90°] | 280–350 | 180–240 | 0,64–0,69 |
| Базальтопластик | 380–450 | 250–310 | 0,66–0,70 |
| Гибридный углестеклопластик | 550–650 | 370–450 | 0,67–0,70 |
| Механизм повреждения | Стадия развития | Влияние на свойства | Методы контроля |
|---|---|---|---|
| Растрескивание матрицы | 102–104 циклов | Снижение модуля 5–15% | Оптическая микроскопия, УЗК |
| Расслоение межслоевое | 103–105 циклов | Снижение прочности 15–30% | С-скан, термография |
| Отслоение волокон от матрицы | 104–106 циклов | Снижение модуля 10–25% | Акустическая эмиссия |
| Разрушение волокон | Завершающая стадия | Катастрофическое разрушение | Тензометрия, видеоконтроль |
Основы усталостного расчёта композитов
Усталостный расчёт композитных элементов представляет собой комплексную инженерную задачу, требующую учёта анизотропии материала, многоуровневой структуры и специфических механизмов накопления повреждений. В отличие от традиционных металлических конструкций, где усталостное разрушение связано преимущественно с зарождением и ростом магистральной трещины, композиты характеризуются распределённым характером повреждаемости.
Выносливость полимерных композиционных материалов определяется способностью противостоять циклическим нагрузкам при заданном числе циклов без критического снижения несущей способности. Параметр повреждённости описывается изменением упругих характеристик материала, в частности, относительным снижением модуля упругости в процессе циклического нагружения.
Прогнозирование ресурса композитных элементов базируется на анализе напряжённо-деформированного состояния компонентов структуры: волокон, матрицы и межфазной границы. Метод асимптотического осреднения позволяет агрегировать свойства отдельных составляющих и получать характеристики слоистого композита в целом.
Кривые усталости и диаграммы Вёлера
Кривая Вёлера отображает зависимость амплитуды напряжений цикла от логарифма числа циклов до разрушения образца. Построение диаграмм усталости выполняется в координатах σ-lgN или lgσ-lgN, где σ представляет максимальное или амплитудное напряжение, а N — количество циклов нагружения.
Типы кривых для композитов
Композиционные материалы демонстрируют кривые второго типа с непрерывным снижением прочности без горизонтального участка. Это обусловлено постепенным накоплением микроповреждений в матрице, на межфазных границах и в самих волокнах. Для установления ограниченного предела выносливости принимают базовое число циклов в диапазоне от одного до десяти миллионов циклов.
Коэффициент снижения усталостной прочности определяется отношением напряжения при заданном числе циклов к пределу статической прочности. Для углепластиков этот показатель составляет 0,70–0,75, для стеклопластиков — 0,65–0,71 при переходе от тысячи к миллиону циклов.
Асимметрия цикла нагружения существенно влияет на усталостную долговечность. Коэффициент асимметрии R определяется как отношение минимального напряжения к максимальному. При симметричном цикле (R = -1) наблюдается наиболее интенсивное накопление повреждений по сравнению с пульсирующим циклом (R = 0,1).
Правило линейного суммирования Пальмгрена-Майнера
Гипотеза линейного накопления повреждений была сформулирована Пальмгреном для подшипниковых конструкций и развита Майнером применительно к авиационным элементам. Согласно данному правилу, повреждённость при каждом уровне напряжений определяется отношением накопленного числа циклов к разрушающему числу циклов для соответствующего уровня.
Математическая формулировка критерия
Суммарная повреждённость вычисляется как сумма парциальных повреждений для всех уровней нагружения. Разрушение наступает при достижении суммой значения, близкого к единице. Несмотря на упрощённый характер модели, правило Майнера широко применяется благодаря простоте реализации и приемлемой точности для инженерных расчётов.
Для композитных материалов применимость линейной гипотезы ограничена влиянием последовательности нагружения и эффектами взаимодействия различных механизмов повреждения. Модифицированные критерии учитывают нелинейность накопления повреждений через введение корректирующих функций, зависящих от уровня напряжений и свойств компонентов.
Расчёт эквивалентных напряжений позволяет сравнивать различные программы усталостных испытаний и оценивать повреждаемость элементов конструкций. Параметр эквивалентного напряжения определяется на основе кривой усталости при регулярном нагружении и используется для прогнозирования долговечности ламинатов.
Механизмы усталостного разрушения композитных материалов
Усталостное разрушение композитов развивается через последовательность взаимосвязанных процессов на различных структурных уровнях. Первичные повреждения возникают в виде микротрещин в матрице, ориентированных перпендикулярно направлению нагрузки. При продолжении циклирования трещины объединяются и разворачиваются вдоль границы раздела волокно-матрица.
Стадийность процесса деградации
Начальная стадия характеризуется растрескиванием трансверсальных слоёв с образованием системы параллельных трещин. Расстояние между трещинами определяется толщиной слоя, свойствами матрицы и уровнем напряжений. Вторая стадия связана с расслоением композита вблизи концентраторов напряжений и свободных кромок.
Отслоение волокон от матрицы происходит под действием касательных напряжений на межфазной границе. Данный процесс приводит к локальному перераспределению нагрузки на неповреждённые волокна и ускорению накопления повреждений. Завершающая стадия представляет собой обрыв армирующих волокон в наиболее нагруженном сечении с последующим катастрофическим разрушением.
Энергетические аспекты разрушения
Сопротивление распространению трещины в композите определяется диссипацией энергии при вытягивании волокон из матрицы, разрушении межфазной связи и деформировании компонентов. Длина вытягиваемого участка волокна зависит от прочности адгезионного соединения и может достигать нескольких миллиметров для эпоксидных матриц.
Методы экспериментального определения характеристик
Циклические испытания композитов проводятся на сервогидравлических машинах с частотой от одного до пятнадцати герц. Выбор частоты нагружения определяется необходимостью предотвращения нагрева образца вследствие внутреннего трения в полимерной матрице. Для термопластичных матриц рекомендуется частота не более пяти герц.
Стандартные методики испытаний
Международный стандарт ASTM D3479 регламентирует методику определения усталостных характеристик при растяжении, стандарт ISO 13003 устанавливает требования к пульсирующей растягивающей нагрузке. В России применяются ГОСТ Р 57143 для циклического растяжения и ГОСТ Р 57569 для испытаний образцов с открытым отверстием. Форма образца соответствует спецификациям ASTM D3039 для статических испытаний с применением накладных захватов из стеклопластика.
Мониторинг накопления повреждений осуществляется методами акустической эмиссии, измерением изменения модуля упругости и визуальным контролем поверхности. Снижение жёсткости на восемнадцать процентов принимается как критерий предельного состояния для многих типов ламинатов.
Испытательная система должна обеспечивать точность поддержания амплитуды нагрузки не хуже двух процентов и стабильность частоты в пределах одного процента. Температурные испытания требуют применения климатических камер с равномерностью температурного поля плюс-минус два градуса по всей длине рабочей зоны образца.
