Расслоение

Вид разрушения, при котором материал раскалывается на слои

Расслоение полимера, армированного углеродным волокном, под действием сжимающей нагрузки

Расслоение — это вид разрушения, при котором материал раскалывается на слои. Различные материалы, включая слоистые композиты ^[1] и бетон , могут разрушаться из-за расслоения. Обработка может создавать слои в материалах, таких как сталь, сформированная прокаткой ^{[2] [3]} , а также пластики и металлы, полученные 3D-печатью ^{[4] [5]} , которые могут разрушаться из-за разделения слоев. Кроме того, поверхностные покрытия , такие как краски и пленки, могут расслаиваться от покрытой основы.

В ламинированных композитах адгезия между слоями часто нарушается первой, что приводит к разделению слоев. ^[6] Например, в армированных волокнами пластиках листы высокопрочной арматуры (например, углеродного волокна , стекловолокна ) связаны вместе 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 ограничен бетоном. Когда напряжения превышают прочность бетона, могут образовываться трещины и распространяться, соединяясь с соседними трещинами, вызванными корродированной арматурой, создавая плоскость разрушения, проходящую параллельно поверхности. После того, как плоскость разрушения образовалась, бетон на поверхности может отделиться от основания.

Обработка может создавать слои в материалах, которые могут разрушаться из-за расслоения. В бетоне поверхности могут отслаиваться из-за неправильной отделки. Если поверхность обработана и уплотнена затиркой, в то время как нижележащий бетон истекает водой и воздухом, плотный верхний слой может отделиться от воды и воздуха, выталкивающих вверх. [ ^8] В сталях прокатка может создавать микроструктуру, когда микроскопические зерна ориентированы в плоских листах, которые могут растрескиваться на слои. ^[2] Кроме того, некоторые методы 3D-печати (например, наплавление ) создают детали слоями, которые могут расслаиваться во время печати или использования. При печати термопластиков наплавлением охлаждение горячего слоя пластика, нанесенного на холодный слой подложки, может вызвать изгиб из-за дифференциального теплового сжатия и разделения слоев. ^[4]

Методы проверки

Существует множество методов неразрушающего контроля для обнаружения расслоения в конструкциях, включая визуальный осмотр , простукивание (т. е. зондирование), ультразвук , радиографию и инфракрасную визуализацию .

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

Тестирование постукиванием или звучанием включает в себя мягкое постукивание по материалу молотком или твердым предметом для обнаружения расслоения на основе полученного звука. В ламинированных композитах чистый звенящий звук указывает на хорошо связанный материал, тогда как более глухой звук указывает на наличие расслоения из-за дефекта, гасящего удар. ^[9] Тестирование постукиванием хорошо подходит для обнаружения крупных дефектов в плоских композитах с сотовым сердечником, тогда как тонкие ламинаты могут иметь небольшие дефекты, которые не различимы по звуку. ^[10] Использование звука также субъективно и зависит от качества слуха инспектора, а также от его суждения. Любые преднамеренные изменения в детали также могут изменить высоту производимого звука, влияя на проверку. Некоторые из этих изменений включают перекрытия слоев, щели изменения количества слоев, изменение плотности сердечника (если используется) и геометрию.

В железобетоне неповрежденные области будут звучать цельно, тогда как расслоившиеся области будут звучать глухо. ^[11] Испытание постукиванием больших бетонных конструкций проводится либо с помощью молотка, либо с помощью цепного волочильного устройства для горизонтальных поверхностей, таких как мостовые настилы. Мостовые настилы в странах с холодным климатом, где используются антиобледенительные соли и химикаты, обычно подвержены расслоению и, как таковые, обычно планируются для ежегодной проверки путем цепного волочения, а также последующего ремонта заплаток на поверхности. ^[12]

Методы испытаний на стойкость к расслоению

Испытания на отслоение покрытия

ASTM предоставляет стандарты для испытаний адгезии краски , которые обеспечивают качественные меры для устойчивости красок и покрытий к отслаиванию от подложек. Испытания включают в себя испытание на поперечный надрез, испытание на адгезию соскабливанием ^[13] и испытание на отрыв . ^[14]

Испытание на межслойную трещиностойкость

Вязкость разрушения — это свойство материала, которое описывает сопротивление разрушению и расслоению. Оно обозначается критическим коэффициентом интенсивности напряжений или критической скоростью высвобождения энергии деформации . ^{[15] Для} композитных полимерных слоистых материалов , армированных однонаправленными волокнами , ASTM предоставляет стандарты для определения вязкости разрушения в режиме I и вязкости разрушения в режиме II межслойной матрицы. ^{[16] [17]} Во время испытаний нагрузка и смещение регистрируются для анализа с целью определения скорости высвобождения энергии деформации из метода соответствия . в терминах соответствия определяется как ${\displaystyle K_{c}}$ ${\displaystyle G_{c}}$ ${\displaystyle G_{IC}}$ ${\displaystyle G_{IIC}}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle \delta }$ ${\displaystyle G}$

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

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

Вязкость межслойного разрушения в режиме I

Схема образца деформированной двухконсольной балки.

ASTM D5528 определяет использование геометрии образца двойной консольной балки (DCB) для определения межслойной трещиностойкости в режиме I. ^[17] Образец двойной консольной балки создается путем размещения антипригарной пленки между слоями армирования в центре балки перед отверждением полимерной матрицы для создания начальной трещины длиной . Во время испытания образец нагружается на растяжение от конца стороны начальной трещины балки, открывающей трещину. Используя метод соответствия, критическая скорость высвобождения энергии деформации определяется как ${\displaystyle a_{0}}$

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

где и — максимальная нагрузка и смещение соответственно, определяемые путем определения момента, когда кривая прогиба нагрузки становится нелинейной с линией, проведенной из начала координат с 5%-ным увеличением податливости. Обычно уравнение 2 переоценивает вязкость разрушения, поскольку две консольные балки образца DCB будут иметь конечное вращение в трещине. Конечное вращение можно скорректировать путем расчета с немного более длинной трещиной с длиной, дающей ${\displaystyle P_{C}}$ ${\displaystyle \delta _{C}}$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle a+\Delta }$

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

Поправка на длину трещины может быть рассчитана экспериментально путем построения графика наименьших квадратов кубического корня соответствия против длины трещины . Поправка представляет собой абсолютное значение отрезка оси x. Вязкость разрушения также может быть скорректирована с помощью метода калибровки соответствия, где задано как ${\displaystyle \Delta }$ ${\displaystyle C^{1/3}}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \Delta }$ ${\displaystyle G_{Ic}}$

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

где — наклон функции наименьших квадратов от . ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \log(C)}$ ${\displaystyle \log(a)}$

Вязкость межслойного разрушения в режиме II

Схема испытания на изгиб с надрезом на кромке.

Межслойная трещиностойкость в режиме II может быть определена с помощью испытания на изгиб с надрезом на кромке, указанного в ASTM D7905. ^[16] Образец подготавливается таким же образом, как и образец DCB, вводя начальную трещину с длиной до отверждения полимерной матрицы. Если испытание проводится с начальной трещиной (метод без предварительной трещины), то предполагаемая трещиностойкость определяется как ${\displaystyle a_{0}}$ ${\displaystyle G_{Q}}$

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

где - толщина образца, - максимальная нагрузка, - подгоночный параметр. определяется экспериментальными результатами с помощью метода наименьших квадратов зависимости податливости от длины трещины в кубе 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 высвобождения энергии деформации находится в пределах определенного процента при различных длинах трещин, указанных ASTM. ${\displaystyle G_{Q}}$ ${\displaystyle G_{IIc}}$ ${\displaystyle G_{Q}}$

Испытание прочности на межслойный сдвиг

Прочность на межслойный сдвиг используется в качестве дополнительной меры прочности связи волокна с матрицей в армированных волокнами композитах. Расслоение, вызванное сдвигом, возникает в различных условиях нагрузки, когда изгибающий момент поперек композита быстро изменяется, например, в трубах с изменениями толщины или изгибами. ^[18] Было предложено несколько архитектур испытаний для использования при измерении прочности на межслойный сдвиг, включая испытание на сдвиг короткой балки, испытание Иосипеску, испытание на сдвиг рельса и испытание на асимметричный четырехточечный изгиб. ^[19] Целью каждого из этих испытаний является максимизация отношения напряжения сдвига к растягивающему напряжению, проявляемому в образце, способствуя разрушению через расслоение интерфейса волокна с матрицей, а не через растяжение или выпучивание волокна . ^[20] Ортотропная симметрия волокнистых композитных материалов затрудняет получение состояния чистого напряжения сдвига при испытании образцов; можно использовать тонкие цилиндрические образцы, но их изготовление является дорогостоящим. ^[21] Таким образом, геометрия образцов выбирается для простоты обработки и оптимизации напряженного состояния при нагрузке.

В дополнение к изготовленным композитам, таким как полимеры, армированные стекловолокном , прочность на межслойный сдвиг является важным свойством в натуральных материалах, таких как дерево. Длинная, тонкая форма половиц, например, может способствовать деформации, которая приводит к вибрации. ^[22]

Асимметричный четырехточечный изгиб

(сверху вниз) Сосредоточенные силы, касательные напряжения и моменты, действующие на асимметричный образец для испытания на четырехточечный изгиб

Асимметричный четырехточечный изгиб (AFPB) может быть выбран для измерения прочности на межслойный сдвиг по сравнению с другими процедурами по ряду причин, включая обрабатываемость образца, воспроизводимость испытания и доступность оборудования. Например, образцы сдвига короткой балки ограничены определенным соотношением длины и толщины, чтобы предотвратить разрушение при изгибе, а распределение напряжения сдвига по образцу неравномерно, оба из которых способствуют отсутствию воспроизводимости. ^[19] Испытание рельса на сдвиг также создает неоднородное состояние напряжения сдвига, что делает его подходящим для определения модуля сдвига, но не прочности на сдвиг. ^[19] Испытание Иосипеску требует специального оборудования в дополнение к установке ролика, уже используемой для других испытаний на трех- и четырехточечный изгиб. ^[22]

ASTM C1469 описывает стандарт для испытания AFPB усовершенствованных керамических соединений, и этот метод был предложен для адаптации для использования с непрерывными керамическими матричными композитами . ^{[23] [24]} Прямоугольные образцы могут использоваться с надрезами, обработанными в центре, или без них; добавление надрезов помогает контролировать положение разрушения по длине образца, но неправильная или несимметричная обработка может привести к добавлению нежелательных нормальных напряжений, которые снижают измеренную прочность. ^[24] Затем образец нагружается на сжатие в его испытательном приспособлении, причем нагрузка прикладывается непосредственно к образцу от 4 нагрузочных штифтов, расположенных в конфигурации, подобной параллелограмму. Нагрузка, приложенная от испытательного приспособления, неравномерно передается на два верхних штифта; отношение нагрузки внутреннего штифта и нагрузки внешнего штифта определяется как коэффициент нагрузки , таким образом, что ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle {\frac {P}{Q}}={\frac {S_{2}}{S_{1}}}=\lambda }$,

где и — длины от внутреннего штифта до приложенной точечной нагрузки и от внешнего штифта до приложенной точечной нагрузки соответственно. Нормальное напряжение в образце максимизируется в местах расположения внутренних штифтов и эквивалентно ${\displaystyle S_{1}}$ ${\displaystyle S_{2}}$ ${\displaystyle \sigma _{xx}}$

${\displaystyle \sigma _{xx}={\frac {6(\lambda -1)FL}{(1+\lambda ^{2})bt}}}$,

где — общая приложенная нагрузка на образец, — длина образца, — ширина образца (в страницу, как показано на двумерной диаграмме свободного тела), — толщина образца. Напряжение сдвига в образце максимизируется между внутренним промежутком штифтов и определяется как ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle \sigma _{xz}}$

${\displaystyle \sigma _{xz}={\frac {3(1-\lambda )F}{2(1+\lambda )bt}}}$.

Отношение нормального напряжения к касательному в образце определяется по формуле ${\displaystyle C}$

${\displaystyle C={\frac {\sigma _{xx}}{\sigma _{xz}}}={\frac {4L}{(1+\lambda )t}}}$.

Это отношение зависит как от коэффициента нагрузки образца, так и от отношения его длины к толщине; обе эти величины важны для определения режима разрушения образца при испытании. ^[18]

Ссылки

1. Cantwell, WJ; Morton, J. (1991). «Ударопрочность композитных материалов — обзор». Composites . 22 (5): 347–362. doi :10.1016/0010-4361(91)90549-V.
2. Bramfitt, BL; Marder, AR (1977). "Исследование поведения расслаивания очень низкоуглеродистой стали". Metallurgical Transactions A. 8 ( 8): 1263–1273. Bibcode : 1977MTA.....8.1263B. doi : 10.1007/bf02643841. ISSN  0360-2133. S2CID  136949441.
3. Доган, Мизам (2011). «Расслоение стальных одноугольных профилей». Engineering Failure Analysis . 18 (7): 1800–1807. doi :10.1016/j.engfailanal.2011.04.009.
4. "Разделение и расщепление слоев". Prusa3D - 3D-принтеры от Йозефа Пруши . 2019-01-04 . Получено 2019-05-03 .
5. Barile, Claudia; Casavola, Caterina; Cazzato, Alberto (2018-09-18). "Акустическая эмиссия в 3D-печатных деталях при испытании на расслаивание в режиме I". Materials . 11 (9): 1760. Bibcode :2018Mate...11.1760B. doi : 10.3390/ma11091760 . ISSN  1996-1944. PMC 6165299 . PMID  30231488. 
6. Wisnom, MR (2012-04-28). "Роль расслаивания в разрушении армированных волокном композитов". Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 370 (1965): 1850–1870. Bibcode : 2012RSPTA.370.1850W. doi : 10.1098/rsta.2011.0441 . ISSN  1364-503X. PMID  22431760.
7. Li, CQ; Zheng, JJ; Lawanwisut, W.; Melchers, RE (2007). «Расслоение бетона, вызванное коррозией стальной арматуры». Журнал материалов в гражданском строительстве . 19 (7): 591–600. doi :10.1061/(ASCE)0899-1561(2007)19:7(591). ISSN  0899-1561.
8. "CIP 20 - Расслоение затертых бетонных поверхностей" (PDF) . NRMCA Национальная ассоциация производителей готовых бетонных смесей . 4 мая 2019 г. Архивировано из оригинала (PDF) 28 июля 2019 г. . Получено 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 г.
10. "Ограничения тестирования постукиванием". carbonbikerepair.com.au . Получено 2019-05-16 .
11. ASTM ASTM D4580/D4580M - 12: Стандартная практика измерения расслоений в бетонных мостовых настилах методом зондирования, Западный Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2018
12. Ахмади, Хоссейн (декабрь 2017 г.). Старение, осмотр и техническое обслуживание бетонного мостового настила (диссертация на степень магистра наук). Университет Толедо. Архивировано из оригинала 2019-05-16 . Получено 2019-05-16 .
13. ASTM D2197 - 98: Стандартный метод испытания адгезии органических покрытий методом царапания, Уэст-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 1998
14. ASTM D4541 - 17: Стандартный метод испытания прочности покрытий на отрыв с использованием портативных адгезиометров, Уэст-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2017
15. Zehnder, Alan (2012). Механика разрушения . Springer. ISBN 9789400725959. OCLC  905283457.
16. ASTM D7905/D7905M - 14: Стандартный метод испытаний для определения межслойной вязкости разрушения в режиме II композитов на основе однонаправленной волокнистой полимерной матрицы, Уэст-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2014
17. ASTM D5528 - 13: Стандартный метод испытаний на межслойную трещиностойкость в режиме I композитов на основе однонаправленной волокнистой полимерной матрицы, Уэст-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2014
18. Theotokoglou, EE; Sideridis, E. (июль 2011 г.). «Исследование композитных балок при асимметричном четырехточечном изгибе». Журнал армированных пластиков и композитов . 30 (13): 1125–1137. doi :10.1177/0731684411417199.
19. Спигель, Барри Стюарт. Экспериментальное и аналитическое исследование испытания на сдвиг Иосипеску для композитных материалов (диссертация). doi :10.25777/1f0a-4934.
20. Spigel, BS; Prabhakaran, R.; Sawyer, JW (март 1987). «Исследование испытаний на изгиб по методу Лосипеску и асимметричный четырехточечный изгиб». Experimental Mechanics . 27 (1): 57–63. doi :10.1007/BF02318864.
21. Прабхакаран, Р.; Сойер, Уэйн (январь 1986 г.). «Фотоупругое исследование асимметричного испытания на сдвиг при четырехточечном изгибе для композитных материалов». Композитные конструкции . 5 (3): 217–231. doi :10.1016/0263-8223(86)90004-8.
22. Yoshihara, Hiroshi; Kubojima, Yoshitaka (февраль 2002 г.). «Измерение модуля сдвига древесины с помощью испытаний на асимметричный четырехточечный изгиб». Journal of Wood Science . 48 (1): 14–19. doi :10.1007/BF00766232.
23. Джадхав, Пракаш; Ланде, Чхайя (27 июля 2023 г.). «Метод испытания на асимметричный четырехточечный изгиб для определения прочности на межслойный сдвиг в композитах с керамической матрицей». Materials Science Forum . 1094 : 19–24. doi : 10.4028/p-zN31vp.
24. ASTM C1469 - 10: Стандартный метод испытаний прочности на сдвиг соединений из усовершенствованной керамики при температуре окружающей среды, Западный Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2015