Расслоение

Отслоение полимера, армированного углеродным волокном, под нагрузкой сжатия

Расслоение - это режим разрушения, при котором материал раскалывается на слои. Различные материалы, в том числе ламинатные композиты ^[1] и бетон, могут разрушиться из-за расслоения. Обработка может создавать слои в таких материалах, как сталь, образованная прокаткой ^{[2] [3],} а также пластмассы 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 нарушается, что приводит к разделению слоев. ^[6] Например, в армированных волокнами пластиках листы высокопрочного армирования (например, углеродное волокно , стекловолокно ) связаны вместе гораздо более слабой полимерной матрицей (например, эпоксидной смолой ). 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. ^[7] 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, параллельную поверхности. После того, как плоскость излома сформировалась, бетон на поверхности может отделиться от основания.

Обработка может привести к образованию слоев в материалах, которые могут разрушиться из-за расслоения. В бетоне поверхности могут отслаиваться из-за неправильной отделки. Если поверхность обработана и уплотнена затиркой, в то время как нижележащий бетон стекает водой и воздухом, плотный верхний слой может отделиться от воды и воздуха, толкая вверх. ^[8] В сталях , прокатка может создать микроструктуру , когда микроскопические зерна ориентированы в плоских листах , которые могут перелом в слои. ^[2] Кроме того, некоторые методы 3D-печати (например, наплавленное наплавление)) формирует детали слоями, 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. ^[4]

Методы проверки [ править ]

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

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

Тестирование постукиванием или зондирование включает в себя легкие удары по материалу молотком или твердым предметом, чтобы обнаружить расслоение на основе полученного звука. В ламинированных композитах чистый звонкий звук указывает на то, что материал хорошо склеен, тогда как более глухой звук указывает на наличие расслоения из-за дефекта, смягчающего удар. ^[9] Тестирование методом постукивания хорошо подходит для обнаружения крупных дефектов в плоских композитных панелях с сотовой сердцевиной, тогда как тонкие ламинаты могут иметь небольшие дефекты, которые нельзя различить по звуку. ^[10]Использование звука также является субъективным и зависит от качества слуха инспектора и его суждения. Любые преднамеренные изменения в детали могут также изменить высоту производимого звука, что повлияет на осмотр. Некоторые из этих вариантов включают перекрытие слоев, изменение количества прослоек слоев, изменение плотности сердцевины (если используется) и геометрию.

В армированном бетоне неповрежденные участки будут звучать твердыми, а отслоенные - пустотелыми. ^[11] Испытание на протекание больших бетонных конструкций проводится с помощью молотка или цепного тянущего устройства для горизонтальных поверхностей, таких как настилы мостов. Настилы мостов в странах с холодным климатом, в которых используются противообледенительные соли и химикаты, обычно подвержены расслоению, и поэтому их обычно планируют ежегодно проверять путем перетаскивания цепи, а также для последующего ремонта поверхности. ^[12]

Методы испытаний на сопротивление расслоению [ править ]

Испытания на расслоение покрытий [ править ]

ASTM устанавливает стандарты для испытаний на адгезию красок, которые обеспечивают качественные измерения устойчивости красок и покрытий к отслоению от подложки. Испытания включают в себя испытание на поперечный разрез, адгезию со скобами ^[13] и испытание на отрыв . ^[14]

Испытание на вязкость межслойного разрушения [ править ]

Вязкость разрушения - это свойство материала, которое описывает сопротивление разрушению и расслоению. Обозначается критическим коэффициентом интенсивности напряжений или критической скоростью выделения энергии деформации . ^[15] Для получения однонаправленного армированного волокна полимерных ламинированных композитов , ASTM обеспечивает стандарты для определения режима I вязкости разрушения и режим II вязкости разрушения в межслойной матрице. ^{[16] [17]} Во время испытаний нагрузка и смещение записываются для анализа, чтобы определить скорость высвобождения энергии деформации по методу податливости .${\ displaystyle K_ {c}}$ ${\ displaystyle G_ {c}}$ ${\ displaystyle G_ {IC}}$${\ displaystyle G_ {IIC}}$${\ displaystyle P}$${\ displaystyle \ delta}$${\ displaystyle G}$ с точки зрения соответствия дается

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

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

Вязкость межслойного излома режима I [ править ]

ASTM D5528 определяет использование геометрии образца с двойной консольной балкой (DCB) для определения вязкости межслойного разрушения режима I. ^[17] Образец балки с двойной консолью создается путем помещения антипригарной пленки между армирующими слоями в центре балки перед отверждением полимерной матрицы для создания начальной трещины длины . Во время испытания образец нагружают с растяжением от конца исходной трещины со стороны балки, открывающей трещину. Используя метод податливости, критическая скорость выделения энергии деформации определяется как${\ displaystyle a_ {0}}$

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

где и - максимальная нагрузка и смещение, соответственно, путем определения того, когда кривая прогиба под нагрузкой 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 скорректировать, рассчитав немного более длинную трещину, длина которой дает${\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 аппроксимацию методом наименьших квадратов кубического корня из податливости в зависимости от длины трещины . Поправка - это абсолютное значение точки пересечения по оси x. Вязкость разрушения также можно скорректировать с помощью метода калибровки соответствия, если указано в${\displaystyle \Delta }$${\displaystyle C^{1/3}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle \Delta }$${\displaystyle G_{Ic}}$

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

где есть наклон наименьших квадратов из VS. .${\displaystyle n}$${\displaystyle \log(C)}$${\displaystyle \log(a)}$

Вязкость межслойного разрушения Режима II [ править ]

Вязкость межслойного разрушения по режиму II может быть определена с помощью испытания на изгиб с надрезом по краю, указанного в стандарте ASTM D7905. ^[16] Образец готовится аналогично образцу DCB, в котором перед отверждением полимерной матрицы возникает начальная трещина определенной длины . Если испытание проводится с начальной трещиной (метод без предварительного образования трещин), потенциальная вязкость разрушения 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 методом наименьших квадратов, соответствия по сравнению с длиной трещины в кубе с формой${\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 для режима II, если скорость высвобождения энергии деформации находится в пределах определенного процента от значений при различной длине трещины, указанных в ASTM.${\displaystyle G_{Q}}$${\displaystyle G_{IIc}}$${\displaystyle G_{Q}}$

Ссылки [ править ]