ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Еренков О.Ю., Еренков С.О., Гаврилова А.В. (ТОГУ, г. Хабаровск, РФ)
Polymeric materials deformation and fracture mechanisms research results are discussed at sample uniaxial tension. Quantitative estimation of the process is pursued by acoustic-emission method.
Изучение кинетики накопления повреждений в процессе нагружения с выявлением механизма разрушения на каждой стадии деформации имеет важное теоретическое и прикладное значение для механики разрушения конструкционных полимерных материалов и разработки подходов к прогнозированию прочности, надежности и долговечности изделий из этих материалов.
Для неразрушающего контроля полимерных материалов и прогнозирования прочностных свойств изделий и деталей из них известно применение метода акустической эмиссии [1], основанного на регистрации и обработке параметров упругих волн напряжений, возникающих в результате формирования, изменения и разрушения структур различных материалов. Данный метод позволяет количественно оценить степень накопления повреждений и механизм структурных преобразований.
Цель проведенных исследований – определение предельных
прочностных характеристик полимеров в условиях одноосного растяжения.
Образцы для испытаний полимерных материалов были изготовлены из гетинакса и
капролона в виде двусторонних «лопаток» с прямоугольным сечением в рабочей
зоне размером 3
2 мм. Кривая нагружения 
регистрировалась
с помощью самописца разрывной установки. Параллельно с записью кривой
нагружения велась непрерывная регистрация сигналов АЭ.
На рис.1 представлена диаграмма нагружения гетинакса при одноосном растяжении и совмещенные с ней параметры АЭ. Анализ представленных данных показывает, что в начальный период нагружения, участок ОА, материал образца находится в режиме отсутствия повреждаемости, что подтверждается полным отсутствием импульсов АЭ всех четырех параметрах акустического образа. Зона АВ характеризуется наличием большого количества сигналов небольшой амплитуды порядка 0,2В и значительной интенсивности, что свидетельствует о наличии микрорасслоения в матрице материала и расщеплении пучков волокон. Присутствие сигналов с максимальной амплитудой до 1В является доказательством того, что в образце также происходит развитие имеющихся и образование новых дефектов в виде микротрещин. Участок ВС можно рассматривать как стадию образования и роста магистральной разрушающей трещины. Окрестность точки С является предразрывной зоной. Как следует из представленных данных, разрывное напряжение для гетинакса составляет 120 МПа.
Рисунок 1- Результаты испытаний гетинакса: а - диаграмма нагружения; б- суммарный счет; в - суммарная энергия; г – распределение амплитуды сигналов АЭ; д - интенсивность сигналов
Рисунок 2 - Результаты испытаний капролона: а - диаграмма нагружения; б- суммарный счет; в – суммарная энергия; г – распределение амплитуды сигналов АЭ; д - интенсивность сигналов;
На рисунке 2 представлены механическая диаграмма нагружения капролона и кинетика изменения параметров АЭ, при этом на диаграмме нагружения можно выделить три характерных участка. В начальный период нагружения, участок ОА, материал образца находится в режиме отсутствия повреждаемости, что подтверждается полным отсутствием импульсов АЭ всех четырех параметрах акустического образа. Участок АВ – зона совместного действия упругой и пластической деформации материала образца. Под действием нагрузки происходит развитие и интенсивное накопление дефектов в структуре материала в виде микротрещин [2,3] Чередование сигналов стабильно высокой интенсивностью с пиковыми амплитудами от 0,5 до 1,0 В свидетельствует об образовании пластических зон у вершин микротрещин и наличии значительных сдвиговых напряжений, т.е. имеет место пластическая деформация в объеме материала. Максимум интенсивности сигналов АЭ, в пределах всей диаграммы нагружения, приходится на точку В, в связи с чем окрестность точки В можно рассматривать как зону предтекучести материала образца. Напряжение в этой точке составляет 80 МПа, и это значение можно рассматривать как предел вынужденной эластичности данного материала.
Участок кривой растяжения ВС – зона проявления эффекта ориентационного упрочнения материала образца. В тот момент, когда на диаграмме растяжения появляется резкий излом в точке В, происходит быстрое сужение поперечного сечения в каком-либо месте по длине образца, т.е. появляется «шейка».
Таким образом, на основе анализа полученных результатов исследований можно заключить, что накопление повреждений в конструкционных полимерных материалах под нагрузкой является сложным многостадийным процессом. В случае нагружения гетинакса эти стадии включают микропластические сдвиги в матрице, трещинообразование в матрице, разрыв адгезионных связей между матрицей и армирующим элементом, разрыв отдельных волокон и целых пучков армирующего материала. Для капролона характерны процессы разрыва химических связей, вынужденноэластической деформации в вершинах микротрещин и пластической деформации в объеме материала. Все эти процессы сопровождаются образованием упругих волн АЭ.
Литература
1. Разрушение композиций из полимерных материалов / Под ред. Тамужа В.П. - Рига: Зинате, 1986. -238 с.
2. Ратнер С. Б., Ярцев В. П. Физическая механика пластмасс. -М.: Наука, 1982. -211 с.
3. Карташов Э. М., Цой Б., Шевелев В. В. Структурно – статистическая кинетика разрушения полимеров. -М.: Химия, 2002. - 736 с.