К вопросу о прочности полимерных композитов, применяемых в автомобилестроении

Аннотация

Статья посвящена исследованию вопроса о влиянии размера радиуса скругления вершины трещинообразного надреза на критические значения коэффициентов интенсивности напряжений в дисперсно-упрочненных композиционных материалах.

Полный текст

Современные дисперсно-упрочненные композиционные материалы с полимерной матрицей находят широкое применение при изготовлении и ремонте широкого спектра узлов и деталей автомобилей, включая и сам кузов. Применение композиционных материалов позволяет значительно улучшить их весовые характеристики, от которых напрямую зависят практически все технико-эксплуатационные показатели транспортного средства, включая такие важнейшие, как тягово-скоростные, топливно-экономические, устойчивость, управляемость и др. Помимо этого, улучшается эстетичность экстерьера и интерьера. Введение в состав композита минеральной дисперсной фазы позволяет существенно сократить расход дефицитных полимерных смол, а также повысить твердость, жесткость и износостойкость материала. Весьма ощутимое влияние оказывает объемное содержание дисперсной фазы и на способность хрупкой полимерной матрицы сопротивляться развитию в ней трещин. Так как трещиностойкость самым непосредственным образом зависит от интенсивности развития в малой окрестности конца трещины процессов, предшествующих акту локального разрушения, настоящая работа посвящена определению связи между размерами зон предразрушенного материала в вершинах трещин нормального отрыва и антиплоского сдвига и объемным содержанием в композите частиц минерального дисперсного наполнителя. С этой целью была проведена серия опытов, в которых цилиндрические образцы с кольцевой усталостной трещиной и трещинообразным надрезом (рисунок 1) с различными значениями радиуса скругления его вершины подвергали нагружению до разрушения осевой растягивающей силой и скручивающим моментом. Образцы были изготовлены из эпоксидного компаунда холодного отверждения на основе смолы ЭД-20 и композитов, состоящих из указанного эпоксидного компаунда с 25 и 50% содержанием тонкодисперсной фазы - кварцевого песка с размером частиц 10-6 м. Методика подготовки и проведения испытаний была принята в точном соответствии с указаниями [1]. Затем исследовался вопрос о влиянии размера радиуса скругления вершины кольцевого трещинообразного надреза на критические значения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН). Вычисление значений параметров трещиностойкости KIC и KIIIC осуществляли соответственно по данным работ [2, 3]: ; , где: D - диаметр образца; d - диаметр нетто-сечения; ; и - значения нагрузки, соответствующие старту трещин. Результаты проведенных исследований представлены на рисунке 2. Анализ зависимостей, изображенных на этих рисунках, позволяет заключить, что как при нормальном отрыве, так и при антиплоском сдвиге, квазитрещина до определенного предела остается нечувствительной к увеличению степени своей притупленности. На основании концепции о тонкой структуре конца трещины [2] логично предположить, что независимость КИН от степени притупленности конца квазитрещины может иметь место до тех пор, пока величина радиуса ρ при ее вершине не будет превосходить размера зоны предразрушения (рисунок 3), в пределах которой материал уже нельзя рассматривать как однородный, бесконечно делимый, бесструктурный и т.д. Притупленность трещинообразного надреза, не выходящая за рамки характерного размера зоны предразрушения, не способна, очевидно, оказать сколь-нибудь заметного влияния на распределение напряжений в упругой области вокруг конца трещины, а следовательно, в конечном итоге и на значение параметров трещиностойкости. Рисунок 1. Цилиндрический образец для испытаний на осевое растяжение: d=(0,6…0,7)D; D1=1,5D; h=0,16D; R=0,5D; L=5D Рисунок 2. Графики зависимости KIC и KIIIC от радиуса ρ скругления вершины надреза: 1 - компаунд без наполнителя; 2, 3 - композиты, содержащие 25 и 50 об.% наполнителя, соответственно Рисунок 3. Схема структуры конца трещины: 1 - зона предразрушенного материала; 2 - область упругой асимптотики; ρ- радиус скругления вершины трещины; r*- характерный линейный размер зоны предразрушения Рисунок 4. Схема взаимодействия фронта трещины с дисперсными неоднородностями: 1 - частица наполнителя; 2 - искривленная линия фронта трещины перед прорывом; 3 - зона предразрушения Результаты проведенных исследований позволяют констатировать, что в композитах с большим объемным содержанием наполнителя образуются и большие по размеру зоны предразрушения в вершинах трещин, как нормального отрыва, так и антиплоского сдвига. Согласно данным (рисунок 2а), при введении в эпоксидный компаунд 25 и 50 об% дисперсной фазы, размер радиуса зоны предразрушения в вершине трещины нормального отрыва увеличивается, соответственно, с 5∙10-6 м до 160∙10-6 м и 350∙10-6 м. Графики, приведенные на рисунке 2б, показывают, что размеры радиуса зон предразрушения при вершинах трещин антиплоского сдвига при введении в компаунд 25 и 50 об% тонкодисперсного минерального наполнителя увеличиваются от 250∙10-6 м до 360∙10-6 и 410∙10-6 м соответственно. Полученные данные о размерах зон предразрушения ставят под сомнение универсальность и достоверность предложенной в работе [4] модели влияния включений дисперсной фазы на энергию разрушения хрупких композитов, согласно которой увеличение энергии разрушения хрупкого композиционного материала происходит в результате увеличения длины фронта трещины за счет его изгиба по полуокружности между каждой парой рядом расположенных частиц наполнителя, превышающих по размеру структурные элементы матрицы. Так, при объемном содержании дисперсной фазы , при котором, как показали дополнительные исследования [5], выбранному для изучения классу композиционных материалов соответствует максимальное значение энергетического критерия разрушения, среднее расстояние (рисунок 4) между частицами наполнителя величиной м, вычисленное по известной формуле , составляет всего лишь м. Энергетический критерий хрупкого разрушения - энергию, необходимую для образования единицы площади свободной поверхности тела, определяли по полученной в рамках линейной механики разрушения формуле [6]: , где: Е - модуль упругости первого рода; - коэффициент Пуассона. Нетрудно видеть, что даже в этом случае, которому, согласно мнению автора [4], должно соответствовать максимальное проявление эффекта искривления фронта трещины, область предразрушения размером способна поглотить все предполагаемые прогибы фронта трещин, обусловленные его взаимодействием с частицами дисперсного наполнителя. Полученные результаты позволяют более обоснованно подойти к моделированию процесса растрескивания хрупких дисперсно-наполненных композитов, а также могут быть использованы при выборе оптимального, с точки зрения трещиностойкости, содержания в этих материалах частиц дисперсной фазы.