Расслоение

редактировать

Вид разрушения, при котором материал раскалывается на слои

Расслоение полимера, армированного углеродным волокном под нагрузкой сжатия.

Расслоение - это режим разрушения, при котором материал раскалывается на слои. Различные материалы, включая ламинат композиты и бетон, могут разрушиться из-за расслоения. Обработка может создавать слои в материалах, таких как сталь, образованных прокаткой, а также в пластиках и металлах из 3D-печати, которые могут выйти из строя из-за разделения слоев. Кроме того, поверхностные покрытия, такие как краски и пленки, могут отслаиваться от покрытой основы.

В ламинированных композитных материалах адгезия между слоями часто нарушается, что приводит к разделению слоев. Например, в пластике, армированном волокном, листы высокопрочного армирования (например, углеродное волокно, стекловолокно ) связаны вместе гораздо более слабой полимерной матрицей ( например, эпоксидная смола ). В частности, нагрузки, прикладываемые перпендикулярно высокопрочным слоям, и нагрузки сдвига могут вызвать разрушение полимерной матрицы или отслоение волоконной арматуры от полимера.

Расслоение также происходит в железобетоне, когда металлическая арматура (например, арматура) вблизи поверхности корродирует. Окисленный металл имеет больший объем, что приводит к возникновению напряжений в бетоне. Когда напряжения превышают прочность бетона, могут образовываться и распространяться трещины, которые соединяются с соседними трещинами, вызванными коррозией арматурного стержня, создавая плоскость излома, проходящую параллельно поверхности. Как только плоскость излома сформировалась, бетон на поверхности может отделиться от основания.

Обработка может создавать слои в материалах, которые могут разрушиться из-за расслоения. В бетоне поверхности могут отслаиваться из-за неправильной отделки. Если поверхность обработана и уплотнена шпателем, в то время как нижележащий бетон истекает водой и воздухом, плотный верхний слой может отделиться от воды и воздуха, толкая вверх. В стали , прокатка может создавать микроструктуру, когда микроскопические зерна ориентированы в плоских листах, которые могут расколоться на слои. Кроме того, некоторые методы 3D-печати (например, Fused Deposition ) создают слои слоев, которые могут расслаиваться во время печати или использования. При печати термопластов методом наплавления охлаждение горячего слоя пластика, нанесенного на холодный слой подложки, может вызвать изгиб из-за дифференциального теплового сжатия и разделения слоев.

Содержание

1 Методы контроля
2 Методы испытаний сопротивления расслаиванию
- 2.1 Испытания на расслоение покрытия
- 2.2 Испытания на вязкость межслойного разрушения
  - 2.2.1 Вязкость межслойного разрушения в режиме I
  - 2.2.2 Вязкость на межслойное разрушение в режиме II
3 Ссылки

Методы контроля

Существует несколько методов неразрушающего контроля для обнаружения расслоения в конструкциях, включая визуальный осмотр, испытание постукиванием (т. Е. Зондирование), ультразвук, рентгенография и инфракрасное изображение.

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

Тестирование методом постукивания или зондирование включает в себя легкие удары по материалу молотком или твердым предметом для обнаружения отслоения на основе полученного звука. В ламинированных композитных материалах чистый звонкий звук указывает на то, что материал хорошо склеен, тогда как более глухой звук указывает на наличие расслоения из-за дефекта, смягчающего удар. Тестирование методом постукивания хорошо подходит для обнаружения крупных дефектов в плоских композитных панелях с сотовой сердцевиной, в то время как тонкие ламинаты могут иметь небольшие дефекты, которые не распознаются звуком. Использование звука также является субъективным и зависит от качества слуха инспектора и его суждения. Любые намеренные изменения в детали могут также изменить высоту производимого звука, что повлияет на проверку. Некоторые из этих вариаций включают перекрытие слоев, изменение количества прослоек слоев, изменение плотности сердцевины (если используется) и геометрию.

В армированном бетоне неповрежденные участки будут звучать твердыми, а отслоенные участки - пустотелыми. Тестирование больших бетонных конструкций методом касания выполняется либо с помощью молотка, либо с помощью цепного тянущего устройства для горизонтальных поверхностей, таких как настилы мостов. Настилы мостов в странах с холодным климатом, которые используют соли для защиты от обледенения и химикаты, обычно подвержены расслоению и, как таковые, обычно планируются для ежегодной проверки путем перетаскивания цепи, а также для последующего ремонта поверхности.

Устойчивость к расслоению методы испытаний

Испытания на отслоение покрытий

ASTM предоставляет стандарты для испытания адгезии красок, которые обеспечивают качественные измерения устойчивости красок и покрытий к отслоению от подложек. Испытания включают в себя испытание на поперечный надрез, адгезию к царапанию и испытание на отрыв.

испытание на вязкость межслойного разрушения

Вязкость разрушения - это свойство материала, которое описывает сопротивление разрушению и расслоению. Обозначается критическим коэффициентом интенсивности напряжений $K c {\ displaystyle K_ {c}}$ $K_c$ или критической скоростью высвобождения энергии деформации $G c {\ Displaystyle G_ {c}}$ $G_c$ . Для однонаправленных армированных волокнами полимерных ламинат композитов ASTM предоставляет стандарты для определения режима I вязкости разрушения $GIC {\ displaystyle G_ {IC}}$ ${\ displaystyle G_ {IC}}$ и режим II вязкость разрушения $GIIC {\ displaystyle G_ {IIC}}$ ${\ displaystyle G_ {IIC}}$ межслойной матрицы. Во время испытаний нагрузка $P {\ displaystyle P}$ $P$ и смещение $δ {\ displaystyle \ delta}$ $\ delta$ записываются для анализа, чтобы определить скорость высвобождения энергии деформации из метод соответствия. $G {\ displaystyle G}$ $G$ с точки зрения соответствия определяется как

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

где $d C {\ displaystyle dC}$ ${ \ displaystyle dC}$ - изменение соответствие $C {\ displaystyle C}$ $C$ (соотношение $δ / P {\ displaystyle \ delta / P}$ ${\ displaystyle \ delta / P}$ ), $B {\ displaystyle B}$ $B$ - толщина образца, а $da {\ displaystyle da}$ ${\ displaystyle da}$ - изменение длины трещины.

Вязкость межслойного разрушения в режиме I

Схема деформированного образца с двойной консольной балкой.

ASTM D5528 определяет использование геометрии образца с двойной консольной балкой (DCB) для определения вязкости межслойного разрушения в режиме I. Образец двойной консольной балки создается путем размещения антипригарной пленки между армирующими слоями в центре балки перед отверждением полимерной матрицы для создания начальной трещины длиной $a 0 {\ displaystyle a_ {0}}$ $a_{0}$ . Во время испытания образец нагружают с растяжением от конца исходной трещины со стороны балки, открывающей трещину. Используя метод податливости, скорость выделения критической энергии деформации определяется как

$GIC = 3 PC δ C 2 B a {\ displaystyle G_ {IC} = {\ frac {3P_ {C} \ delta _ {C}} { 2Ba}}}$ ${\ displaystyle G_ {IC} = {\ frac {3P_ {C} \ delta _ {C}} {2Ba}}}$ (2)

где $PC {\ displaystyle P_ {C}}$ $P_ {C}$ и $δ C {\ displaystyle \ delta _ {C}}$ ${\ displaystyle \ delta _ {C}}$ - это максимальная нагрузка и смещение, соответственно, путем определения того, когда кривая прогиба нагрузки стала нелинейной с линией, проведенной от начала координат с увеличением податливости на 5%. Как правило, уравнение 2 переоценивает вязкость разрушения, потому что две консольные балки образца DCB будут иметь конечное вращение в трещине. Конечное вращение можно исправить, вычислив $G {\ displaystyle G}$ $G$ с немного более длинной трещиной длиной $a + Δ {\ displaystyle a + \ Delta}$ ${\ displaystyle a + \ Delta}$ что дает

$GIC = 3 PC δ C 2 B (a + Δ) {\ displaystyle G_ {IC} = {\ frac {3P_ {C} \ delta _ {C}} {2B (a + \ Delta)}}}$ ${\ displaystyle G_ {IC} = {\ frac {3P_ {C} \ delta _ {C}} {2B (a + \ Delta)}}}$ (3)

Поправка на длину трещины $Δ {\ displaystyle \ Delta}$ $\ Delta$ может быть рассчитана экспериментально, построив аппроксимацию методом наименьших квадратов кубического корня из соответствие $C 1/3 {\ displaystyle C ^ {1/3}}$ ${\ displaystyle C ^ {1/3}}$ vs. длина трещины $a {\ displaystyle a}$ $a$ . Коррекция $Δ {\ displaystyle \ Delta}$ $\ Delta$ - это абсолютное значение точки пересечения по оси x. Вязкость разрушения также можно скорректировать с помощью метода калибровки соответствия, где $GIC {\ displaystyle G_ {IC}}$ ${\ displaystyle G_ {IC}}$ определяется как

$GIC = n PC δ C 2 B a {\ displaystyle G_ {IC } = {\ frac {nP_ {C} \ delta _ {C}} {2Ba}}}$ ${\ displaystyle G_ {IC} = {\ frac {nP_ {C} \ delta _ {C}} {2Ba}}}$ (4)

где $n {\ displaystyle n}$ $n$ - это наклон подбора методом наименьших квадратов $log (C) {\ displaystyle log (C)}$ ${\ displaystyle log (C)}$ vs. $log (a) {\ displaystyle log (a)}$ ${\ displaystyle log (a)}$ .

Вязкость межслойного разрушения в режиме II

Схема испытания на изгиб с надрезом по краю.

Вязкость при межслойном изломе в режиме II можно определить с помощью испытания на изгиб с надрезом согласно ASTM D7905. Образец готовится аналогично образцу DCB, в котором перед отверждением полимерной матрицы возникает начальная трещина длиной $a 0 {\ displaystyle a_ {0}}$ $a_{0}$ . Если испытание проводится с исходной трещиной (метод без предварительного образования трещин), предполагаемая вязкость разрушения $GQ {\ displaystyle G_ {Q}}$ ${\ displaystyle G_ {Q}}$ определяется как

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

где $B {\ displaystyle B}$ $B$ - толщина образца, $P max {\ displaystyle P_ {max}}$ $P_ {max}$ - максимальная нагрузка, а $m {\ displaystyle m}$ $m$ - подгоночный параметр. $m {\ displaystyle m}$ $m$ определяется по результатам экспериментов с аппроксимацией по методу наименьших квадратов соответствия $C {\ displaystyle C}$ $C$ vs. кубическая длина трещины $a 3 {\ displaystyle a ^ {3}}$ $a ^ {3}$ с формой

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

Предполагаемая вязкость разрушения $GQ {\ displaystyle G_ {Q}}$ ${\ displaystyle G_ {Q}}$ равна вязкости разрушения режима II $GIIC {\ displaystyle G_ {IIC}}$ ${\ displaystyle G_ {IIC}}$ , если Скорость высвобождения энергии деформации находится в пределах определенного процента от $GQ {\ displaystyle G_ {Q}}$ ${\ displaystyle G_ {Q}}$ при различной длине трещины, указанной в ASTM.

Ссылки