Расслаивание

Вид разрушения, при котором материал распадается на слои.

Расслаивание полимера, армированного углеродным волокном, под действием сжимающей нагрузки

Расслоение — это вид разрушения, при котором материал раскалывается на слои. Различные материалы, включая ламинированные композиты ^[1] и бетон, могут выйти из строя из-за расслоения. Обработка может создавать слои в таких материалах, как сталь , полученная путем прокатки ^{[2] [3]} , а также пластики и металлы в результате 3D-печати ^{[4] [5]} , которые могут выйти из строя из-за разделения слоев. Кроме того, поверхностные покрытия , такие как краски и пленки, могут отслаиваться от подложки с покрытием.

В ламинированных композитах адгезия между слоями часто сначала нарушается, что приводит к их разделению. ^[6] Например, в армированных волокном пластиках листы высокопрочной арматуры (например, углеродного волокна , стекловолокна ) связаны между собой гораздо более слабой полимерной матрицей (например, эпоксидной смолой ). В частности, нагрузки, приложенные перпендикулярно высокопрочным слоям, и сдвиговые нагрузки могут привести к разрушению полимерной матрицы или отслоению армирующего волокна от полимера.

Расслоение также происходит в железобетоне , когда металлическая арматура вблизи поверхности подвергается коррозии. ^[7] Окисленный металл имеет больший объем, вызывая напряжения, когда он удерживается бетоном. Когда напряжения превышают прочность бетона, могут образоваться и распространиться трещины, соединяясь с соседними трещинами, вызванными коррозией арматуры, создавая плоскость разрушения, идущую параллельно поверхности. После развития плоскости разрушения бетон на поверхности может отделиться от основания.

Обработка может привести к образованию слоев в материалах, которые могут выйти из строя из-за расслоения. Бетонные поверхности могут отслаиваться из-за неправильной отделки. Если поверхность обработана и уплотнена шпателем, в то время как из нижележащего бетона вытекает вода и воздух, плотный верхний слой может отделиться от воды и воздуха, выталкиваясь вверх. ^[8] В сталях прокатка может создать микроструктуру, когда микроскопические зерна ориентированы в плоские листы, которые могут разрушаться на слои . ^[2] Кроме того, некоторые методы 3D-печати (например, наплавление ) создают детали в слоях, которые могут расслаиваться во время печати или использования. При печати термопластами методом наплавления охлаждение горячего слоя пластика, нанесенного на холодный слой подложки, может вызвать изгиб из-за дифференциального термического сжатия и разделения слоев. ^[4]

Методы проверки

Существует несколько методов неразрушающего контроля для обнаружения расслоения в конструкциях, включая визуальный осмотр , постукивание (т. е. зондирование), ультразвук , рентгенографию и инфракрасную визуализацию .

Визуальный осмотр полезен для обнаружения расслоений на поверхности и краях материалов. Однако визуальный осмотр может не обнаружить расслоение внутри материала без разрезания материала.

Тестирование постукиванием или зондирование включает в себя осторожные удары по материалу молотком или твердым предметом, чтобы определить расслоение по полученному звуку. В ламинированных композитах чистый звонкий звук указывает на хорошее сцепление материала, тогда как более глухой звук указывает на наличие расслоения из-за дефекта, амортизирующего удар. ^[9] Тестирование постукиванием хорошо подходит для обнаружения крупных дефектов в композитных плоских панелях с сотовой сердцевиной, тогда как тонкие ламинаты могут иметь небольшие дефекты, которые не различимы звуком. ^[10] Использование звука также является субъективным и зависит от качества слуха и суждений инспектора. Любые преднамеренные изменения в детали могут также изменить высоту издаваемого звука, что повлияет на проверку. Некоторые из этих вариантов включают перекрытие слоев, изменение количества слоев, изменение плотности сердцевины (если используется) и геометрию.

В железобетоне неповрежденные участки будут звучать твердо, тогда как расслоившиеся участки будут звучать глухо. ^[11] Испытание на удар больших бетонных конструкций проводится либо с помощью молотка, либо с помощью цепного волочильного устройства для горизонтальных поверхностей, таких как пролеты мостов. Настилы мостов в странах с холодным климатом, где используются противообледенительные соли и химические вещества, обычно подвергаются расслоению, и поэтому их обычно планируют ежегодно проверять путем перетаскивания цепей, а также последующий ремонт поверхности. ^[12]

Методы испытаний на устойчивость к расслоению

Испытания на расслоение покрытия

ASTM предоставляет стандарты для испытаний на адгезию красок , которые обеспечивают качественные измерения устойчивости красок и покрытий к отслаиванию от подложек. Испытания включают испытание на поперечный разрез, испытание на адгезию к царапинам ^[13] и испытание на отрыв . ^[14]

Межламинарные испытания на вязкость разрушения

Вязкость разрушения — это свойство материала, которое описывает устойчивость к разрушению и расслоению. Его обозначают критическим коэффициентом интенсивности напряжений или критической скоростью выделения энергии деформации . ^[15] Для композитов из полимерных ламинатов, армированных однонаправленным волокном , ASTM предоставляет стандарты для определения вязкости разрушения в режиме I и вязкости разрушения в режиме II межламинарной матрицы. ^{[16] [17]} Во время испытаний нагрузка и смещение регистрируются для анализа, чтобы определить скорость выделения энергии деформации с помощью метода податливости . с точки зрения соответствия определяется ${\displaystyle K_{c}}$ ${\displaystyle G_{c}}$ ${\displaystyle G_{IC}}$ ${\displaystyle G_{IIC}}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle \delta }$ ${\displaystyle G}$

${\displaystyle G={\frac {P^{2}}{2B}}{\frac {dC}{da}}}$(1)

где – изменение податливости (коэффициент ), – толщина образца, – изменение длины трещины. ${\displaystyle dC}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle \delta /P}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle da}$

Режим I вязкости межламинарного разрушения

Схема деформированного образца двойной консольной балки.

ASTM D5528 определяет использование геометрии образца двойной консольной балки (DCB) для определения вязкости межламинарного разрушения в режиме I. ^[17] Образец двойной консольной балки создается путем помещения антипригарной пленки между армирующими слоями в центре балки перед отверждением полимерной матрицы для создания начальной трещины длиной 0,35 мм . Во время испытания образец нагружается на растяжение со стороны начальной трещины балки, открывающей трещину. Используя метод податливости, критическая скорость выделения энергии деформации определяется выражением ${\displaystyle a_{0}}$

${\displaystyle G_{Ic}={\frac {3P_{C}\delta _{C}}{2Ba}}}$(2)

где и — максимальная нагрузка и смещение соответственно, путем определения момента, когда кривая отклонения нагрузки стала нелинейной с линией, проведенной из начала координат с увеличением податливости на 5%. Обычно уравнение 2 переоценивает вязкость разрушения, поскольку две консольные балки образца DCB будут иметь конечное вращение в месте трещины. Конечное вращение можно скорректировать, вычислив немного более длинную трещину, длина которой равна ${\displaystyle P_{C}}$ ${\displaystyle \delta _{C}}$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle a+\Delta }$

${\displaystyle G_{Ic}={\frac {3P_{C}\delta _{C}}{2B(a+\Delta )}}}$(3)

Поправку на длину трещины можно рассчитать экспериментально, построив график зависимости кубического корня податливости от длины трещины методом наименьших квадратов . Поправка представляет собой абсолютное значение точки пересечения оси x. Вязкость разрушения также можно скорректировать с помощью метода калибровки соответствия, если это указано по формуле ${\displaystyle \Delta }$ ${\displaystyle C^{1/3}}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \Delta }$ ${\displaystyle G_{Ic}}$

${\displaystyle G_{Ic}={\frac {nP_{C}\delta _{C}}{2Ba}}}$(4)

где наклон аппроксимации методом наименьших квадратов по сравнению с . ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \log(C)}$ ${\displaystyle \log(a)}$

Вязкость межслойного разрушения в режиме II

Схема испытания на изгиб кромочного надреза.

Вязкость межламинарного разрушения в режиме II можно определить с помощью испытания на изгиб с надрезом на кромке, указанного в стандарте ASTM D7905. ^[16] Образец готовят таким же образом, как и образец DCB, с введением начальной трещины длиной до отверждения полимерной матрицы. Если испытание проводится с начальной трещиной (метод без образования трещин), предполагаемая вязкость разрушения определяется выражением ${\displaystyle a_{0}}$ ${\displaystyle G_{Q}}$

${\displaystyle G_{Q}={\frac {3mP_{\max }^{2}a_{0}^{2}}{2B}}}$

где – толщина образца, – максимальная нагрузка, – установочный параметр. определяется экспериментальными результатами с помощью метода наименьших квадратов податливости в зависимости от длины трещины, возведенной в куб в виде ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle P_{\max }}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle a^{3}}$

${\displaystyle C=A+ma^{3}}$.

Предполагаемая вязкость разрушения равна вязкости разрушения в режиме II , если скорость выделения энергии деформации находится в пределах определенного процента при различных длинах трещин, определенных ASTM. ${\displaystyle G_{Q}}$ ${\displaystyle G_{IIc}}$ ${\displaystyle G_{Q}}$

Рекомендации

1. Кантвелл, WJ; Мортон, Дж. (1991). «Ударопрочность композиционных материалов — обзор». Композиты . 22 (5): 347–362. дои : 10.1016/0010-4361(91)90549-V.
2. Брамфитт, БЛ; Мардер, Арканзас (1977). «Исследование поведения расслоения очень низкоуглеродистой стали». Металлургические операции А . 8 (8): 1263–1273. Бибкод : 1977MTA.....8.1263B. дои : 10.1007/bf02643841. ISSN  0360-2133. S2CID  136949441.
3. Доган, Мизам (2011). «Расслоение стальных одноугольных профилей». Инженерный анализ отказов . 18 (7): 1800–1807. doi :10.1016/j.engfailanal.2011.04.009.
4. «Разделение и разделение слоев». Prusa3D — 3D-принтеры от Йозефа Пруши . 04.01.2019 . Проверено 3 мая 2019 г.
5. Бариле, Клаудия; Касавола, Катерина; Каццато, Альберто (18 сентября 2018 г.). «Акустическая эмиссия в 3D-напечатанных деталях при испытании на расслоение в режиме I». Материалы . 11 (9): 1760. Бибкод : 2018Mate...11.1760B. дои : 10.3390/ma11091760 . ISSN  1996-1944 гг. ПМК 6165299 . ПМИД  30231488. 
6. Висном, MR (28 апреля 2012 г.). «Роль расслоения в разрушении армированных волокнами композитов». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 370 (1965): 1850–1870. Бибкод : 2012RSPTA.370.1850W. дои : 10.1098/rsta.2011.0441 . ISSN  1364-503X. ПМИД  22431760.
7. Ли, CQ; Чжэн, Джей-Джей; Лаванвисут, В.; Мельчерс, RE (2007). «Расслоение бетона, вызванное коррозией стальной арматуры». Журнал материалов в гражданском строительстве . 19 (7): 591–600. дои : 10.1061/(ASCE) 0899-1561 (2007) 19: 7 (591). ISSN  0899-1561.
8. «CIP 20 — Расслаивание затертых бетонных поверхностей» (PDF) . NRMCA Национальная ассоциация готовых бетонных смесей . 4 мая 2019 г. Архивировано из оригинала (PDF) 28 июля 2019 г. . Проверено 15 мая 2019 г.
9. «DOT/FAA/AR-02/121: Руководство по анализу, испытаниям и неразрушающему контролю композитных сэндвич-конструкций, поврежденных ударом» (PDF) . Март 2003 года.
10. «Ограничения тап-тестирования». Carbonbikerepair.com.au . Проверено 16 мая 2019 г.
11. ASTM ASTM D4580/D4580M - 12: Стандартная практика измерения расслоений в бетонных мостовых настилах путем зондирования, Вест-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2018
12. Ахмади, Хосейн (декабрь 2017 г.). Старение, осмотр и техническое обслуживание бетонного мостового настила (магистерская диссертация). Университет Толедо. Архивировано из оригинала 16 мая 2019 г. Проверено 16 мая 2019 г.
13. ASTM D2197-98: Стандартный метод испытаний на адгезию органических покрытий путем скрепления, Вест-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 1998.
14. ASTM D4541-17: Стандартный метод испытания прочности покрытий на отрыв с использованием портативных тестеров адгезии, Вест-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2017
15. Цендер, Алан (2012). Механика разрушения . Спрингер. ISBN 9789400725959. ОКЛК  905283457.
16. ASTM D7905/D7905M - 14: Стандартный метод испытаний для определения вязкости межслойного разрушения в режиме II композитов с однонаправленной волокнистой полимерной матрицей, Вест-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2014
17. ASTM D5528-13: Стандартный метод испытаний на вязкость межслойного разрушения в режиме I однонаправленных композитов с полимерной матрицей, армированной волокном, Вест-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2014