Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов 18
1.1. Теоретические модели разрушения композиционных материалов 18
1.2. Методы исследования накопления микроповреждений и контроля разрушения 27
1.3. Применение импульсной электромагнитной эмиссии для исследования кинетики накопления повреждений и контроля разрушения .33
1.4. Методы оценки усталостной прочности и долговечности в условиях простого нагружения при различных температурах 39
1.5. Методы оценки долговечности композитов при циклических нагрузках .45
1.6. Анализ существующих разработок в области датчиков регистрации электромагнитной эмиссии при разрушении материалов 49
1.7. Выводы. Цель и задачи исследований 56
2. Физические механизмы электризации микротрещин в композиционных материалах 60
2.1. Электризация композиционных материалов
при возникновении трещин 60
2.2. Диффузионный механизм электризации и пьезоэффект 64
2.3. Выводы з
3. Кинетическая модель накопления микроповреждений структуры и импульсного электромагнитного излучения композиционных материалов при их нагружении 71
3.1. Кинетическая модель накопления повреждений в композитах при неизотермических режимах нагружения .71
3.2. Кинетика накопления микроповреждений структуры композитов и определение кинетических констант их разрушения при циклическом нагружении .77
3.3.Выводы .80
4. Термодинамика очага разрушения композиционных материалов 81
4.1. Основные законы сохранения в очаге разрушения .81
4.2. Уравнение баланса энтропии .85
4.3. Основные термодинамические потенциалы .86
4.4. Второй дифференциал энтропии 87
4.5. Термодинамическая устойчивость равновесия в очаге разрушения .95
4.6. Условия термодинамической устойчивости неравновесных состояний 99
4.7. Устойчивость очага при наличии волновых процессов 101
4.8. Термическая устойчивость очага 103
4.9. Устойчивость термических и волновых процессов в очаге разрушения 108
4.10. Универсальный критерий эволюции очага разрушения 112
4.11. Критерий устойчивости равновесия и эволюции очага при наличии трещин 115
4.12. Выводы 117
5. Основы спектральной теории импульсного электромагнитного излучения при разрушении композиционных материалов 118
5.1. Волновые уравнения для электромагнитного поля 118
5.2. Условие квазистационарности электромагнитного поля 122
5.3. Запаздывающий вектор-потенциал поля осциллятора
в проводящей среде 123
5.4. Форма импульса радиоизлучения, обусловленного распространением микротрещин 131
5.5. Время релаксации заряда на берегах трещины 134
5.6. Спектры электромагнитного излучения отдельных
трещин в ближней зоне .138
5.7. Линейчатые спектры излучения микротрещин 144
5.8. Выводы .147
6. Исследование кинетических констант композиционных материалов и статистических свойств эми при их разрушении .149
6.1 Лабораторная установка 149
6.2. Исследуемые образцы 155
6.3. Исследование кинетики электромагнитного излучения композиционных материалов при их сжатии .161
6.4.. Анализ сигналов ЭМИ при нагружении композиционных материалов 169 6.5. Определение скорости распространения и размеров
трещин по параметрам импульсов ЭМИ .182
6.6. Херстовская статистика потока импульсов электромагнитной эмиссии при сжатии композиционных материалов .186
6.7. Электромагнитное излучение и кинетические константы при растяжении фенопластов .192
6.8. Исследование электромагнитного излучения, усталостной прочности и долговечности композиционных материалов при циклических нагрузках 197
6.8.1. Кинетика выделения импульсов ЭМИ при циклических нагрузках 197
6.8.2. Экспериментальное исследование усталости композитов .199
6.8.3. Влияние температуры на циклическую усталостную долговечность полимерных композитов при изотермическом сжатии 203
6.8.4. Влияние температуры на усталостную долговечность композитов при неизотермическом циклическом сжатии 207
6.9. Определение энергетических и кинетических характеристик композитов по параметрам ЭМИ при сжатии 209
6.9.1. Исследование изменений кинетических констант разрушения фенопластов в зависимости от типа наполнителя 218
6.9.2. Исследование изменений кинетических констант разрушения в зависимости от типа связующего 222
6.9.3. Исследование кинетических констант разрушения в зависимости от способа изготовления композита 227
6.9.4. Влияние термообработки на энергию активации разрушения .233
6.9.5. Влияние термообработки на структурно-чувствительные коэффициенты .237
6.9.6. Изменение механических характеристик композитов под влиянием термообработки .239
6.10. Сравнение средних значений кинетических констант разрушения в режимах растяжения, сжатия и циклических нагрузок .243
6.11. Проверка адекватности кинетической модели разрушения экспериментальным данным 250
6.12. Выводы 259
7. Метод и система контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов на основе импульсного электромагнитного излучения 260
7.1. Разработка измерительной системы регистрации кинетики разрушения композитов .260
7.2. Метод контроля процесса разрушения на основе
импульсного ЭМИ 270
7.3. Пример применения метода контроля разрушения для образцов композиционных материалов 274
7.4. Прогноз долговечности образцов композиционных материалов 277
7.5. Пример прогноза долговечности композиционных материалов при циклическом нагружении .283
7. 6. Определение прочностных характеристик фенопластов при различных способах изготовления 286
7.7. Пример оценки прочностных характеристик фенопластов методом ЭМИ 288
7.8. Выводы 291
Заключение 293
Литература
- Применение импульсной электромагнитной эмиссии для исследования кинетики накопления повреждений и контроля разрушения
- Диффузионный механизм электризации и пьезоэффект
- Кинетика накопления микроповреждений структуры композитов и определение кинетических констант их разрушения при циклическом нагружении
- Универсальный критерий эволюции очага разрушения
Введение к работе
Актуальность работы. Широкое использование композиционных материалов в различных отраслях промышленности, особенно в условиях повышенного влияния разрушающих факторов, приводит к необходимости исследования их прочностных характеристик для контроля разрушения и предсказания ресурса долговечности.
Одним из перспективных методов исследования прочностных характеристик и разрушения композиционных материалов является метод, основанный на регистрации импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ), возникающего при рождении и распространении трещин. Возможность использования этого метода для контроля разрушения требует его научного обоснования, создания необходимой теоретической и экспериментальной базы для лабораторных и промышленных исследований, а также научной интерпретации контролируемой информации.
Разработка методов контроля разрушения композитов требует также целенаправленных исследований механизмов и особенностей протекания процесса разрушения композиционных материалов, связанных с возникновением в них микротрещин и микродефектов.
Для понимания сложных процессов, происходящих при разрушении композитов, требуются измерения ряда параметров, в частности, количества образующихся микротрещин, скорости их распространения, кинетики накопления микроповреждений. Кроме того, необходим контроль множества сопутствующих параметров, таких как спектральный состав излучения, энергия активации разрушения и структурно-чувствительный коэффициент. Некоторые указанные измерения могут быть сделаны с использованием метода ЭМИ, но при этом отсутствуют исследования изменения энергии активации, структурно-чувствительного коэффициента в процессе нагружения, хотя значения этих параметров характеризуют процессы изменения структуры композита, а, следовательно, могли бы быть использованы для контроля процесса разрушения.
Задача продления срока службы изделий из композиционных материалов без глубокого изучения механизмов их разрушения на микро- и макроуровне оказывается трудноразрешимой.
С этой точки зрения разработка научных основ метода контроля процесса разрушения на основе импульсного электромагнитного излучения является актуальной задачей, так как способствует развитию неразрушающих методов контроля, повышению качества продукции, увеличению безопасности труда и увеличению срока службы различных объектов из композиционных материалов.
Цель работы – разработка научных основ метода контроля разрушения композиционных материалов на базе импульсного электромагнитного излучения, обеспечивающих прогноз долговечности и повышение качества продукции из композиционных материалов.
Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей импульсного электромагнитного излучения композиционных материалов на различных этапах нагружения для контроля процесса разрушения.
Задачи исследований:
- разработать теоретическую модель накопления микроповреждений и импульсного электромагнитного излучения композиционных материалов;
-выявить основные физические механизмы электризации микротрещин в композиционных материалах;
- развить основы спектральной теории импульсного электромагнитного излучения при разрушении композиционных материалов;
- разработать термодинамическую теорию устойчивости неравновесных состояний в очаге разрушения композиционных материалов с учетом накопления микротрещин;
- исследовать влияние состава, способа изготовления и режима нагружения на кинетику накопления импульсов ЭМИ и кинетические константы разрушения композиционных материалов;
- разработать метод и лабораторную измерительную систему контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов на основе регистрации ЭМИ микротрещин.
Объектом исследования является процесс разрушения композиционных материалов.
Предметом исследования является метод контроля процесса разрушения композиционных материалов по параметрам импульсного электромагнитного излучения.
Методы исследования:
- анализ и обобщение научно-технической информации по методам контроля разрушения и исследования кинетики разрушения композиционных материалов;
- использование для разработки научных основ кинетической теории усталостной прочности и долговечности композиционных материалов концепции прочности твердых тел акад. РАН С.Н. Журкова, теории размерностей и подобия, физики прочности композиционных материалов, физической кинетики, механики разрушения;
- экспериментальные исследования разрушения композитов по параметрам импульсного электромагнитного излучения, возникающего при нагружении образцов;
- методы математической статистики для статистической обработки результатов эксперимента с использованием компьютерных технологий.
Научные положения, выносимые на защиту:
- разработанная кинетическая модель разрушения композиционных материалов, включающая в себя нечувствительное к масштабу разрушения скорректированное кинетическое уравнение прочности С.Н. Журкова, концентрационный критерий разрушения, условие необратимости разрушения и температуру размягчения, может служить теоретической основой для контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов;
- основными механизмами электризации трещин в композиционных материалах, позволяющими объяснить возникновение импульсного электромагнитного излучения при нагружении композитов, являются механизмы контактной электризации, пьезоэффект и дилатационное взаимодействие точечных дефектов структуры с неравновесным механическим полем движущейся трещины;
- предложенная спектральная теория импульсного электромагнитного излучения позволяет объяснить связь параметров ЭМИ с механическими и электрическими свойствами композиционных материалов; при этом рост размеров возникающих трещин приводит к смещению спектров ЭМИ в область низких частот, составляющих 0,2-0,3 от частоты, обратной времени релаксации зарядов на их берегах, а основная частота в линейчатом спектре излучения трещин зависит от их критической концентрации в объеме композита и кинетических констант разрушения материала;
- термодинамическая теория устойчивости неравновесных состояний в очаге разрушения показывает, что очаг разрушения композиционных материалов как открытая неравновесная система может находиться в устойчивом состоянии по отношению к малым изменениям температуры, действующим напряжениям (деформациям), внутренней энергии и поверхности разрушения в случае, если второй дифференциал энтропии очага разрушения отрицателен, а первая производная по времени от второго дифференциала энтропии не отрицательна, т.е. является знако-постоянной функцией приращений координат системы;
- энергия активации разрушения и структурно-чувствительный коэффициент зависят от состава, технологии изготовления, способа нагружения и величины приложенного напряжения; структурно-чувствительный коэффициент уменьшается при увеличении нагрузки, а энергия активации растет;
- разработанный метод контроля процесса разрушения композитов реализован на лабораторной измерительной системе, которая позволяет регистрировать в реальном масштабе времени кинетику накопления микротрещин и на этой основе программными средствами определять кинетические константы разрушения, частотный состав ЭМИ и стадийность разрушения композитов в процессе их нагружения.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на:
- использовании апробированных методов классической механики хрупкого разрушения, физики прочности полимерных композиционных материалов, физической кинетики, теории размерностей и подобия, тензорного анализа, термодинамики необратимых процессов, методов статистического анализа и обработки экспериментальных результатов;
- экспериментальной проверке основных моделей и положений теории в лабораторных условиях и удовлетворительном соответствии теоретических представлений и результатов эксперимента;
- использовании апробированных методов теории случайных процессов и статистического анализа, а также вычислительной техники для проверки адекватности предложенных моделей экспериментальным данным.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
- предложена кинетическая модель накопления микроповреждений структуры композиционных материалов, опирающаяся на кинетическую теорию С.Н. Журкова, включающая кинетические константы разрушения материала как линейные функции температуры и применимая к любым масштабным уровням разрушения;
- выявлены основные физические механизмы электризации микротрещин, позволяющие объяснить возникновение импульсного электромагнитного излучения при нагружении композитов;
- предложена спектральная теория импульсного электромагнитного излучения, позволяющая объяснить связь параметров ЭМИ с механическими и электрическими свойствами композиционных материалов и микротрещинами;
- разработана термодинамическая теория устойчивости необратимых процессов в очаге разрушения твердых тел как в открытой неравновесной системе с учетом накопления микротрещин, получен универсальный критерий эволюции очага разрушения, определяющий направление его эволюции в зависимости от скорости изменения основных термодинамических координат очага;
- установлено влияние способов изготовления и состава полимерных композитов на кинетические константы их разрушения, определяемые по параметрам ЭМИ;
- изучены статистические свойства кинетического процесса накопления микроповреждений структуры полимерных композиционных материалов в различных режимах нагружения и показано, что этот процесс на последней стадии не является марковским;
- получена количественная связь между амплитудой напряжений при асимметричном циклическом нагружении и числом циклов до полного разрушения полимерных композиционных материалов, учитывающая частоту циклического процесса;
- разработан экспресс-метод прогноза долговечности полимерных композитов на основе регистрации импульсного электромагнитного излучения при зарождении трещин, позволяющий оценивать долговечность композитов при любых неизотермических режимах циклического нагружения;
- разработан метод контроля процесса разрушения композиционных материалов, заключающийся в том, что по изменению энергии активации, структурно-чувствительного коэффициента и частотного состава ЭМИ можно определять стадийность процесса разрушения фенопластов и углепластиков;
- разработана система контроля процесса разрушения композиционных материалов на основе персональной ЭВМ, регистрирующая в реальном масштабе времени параметры импульсной электромагнитной эмиссии при их нагружении.
Личный вклад автора заключается в формулировке задач исследований, разработке проблемы в целом, в личном участии и выполнении теоретических и экспериментальных исследований и анализе их результатов; в формулировке всех выводов, положений, закономерностей, описанных в диссертации; личном участии в разработке метода и системы контроля процесса разрушения композитов на основе регистрации ЭМИ.
Научное значение работы заключается в разработке научных основ метода контроля процесса разрушения композитов по параметрам импульсного электромагнитного излучения, которые могут быть использованы как теоретическая база для создания новых методов контроля разрушения различных материалов; в установлении закономерностей электромагнитного излучения композитов, находящихся под нагрузкой, закономерностей изменения энергии активации разрушения и структурно-чувствительного коэффициента, определяемых по параметрам ЭМИ, которые способствуют расширению представлений о механизме генерации импульсного электромагнитного излучения композитов и углублению знаний о действии механического нагружения на материалы.
Практическое значение работы определяется возможностью использования полученных результатов и предложенного метода для контроля стадий разрушения на основе изменения кинетических констант композиционных материалов и частотного состава ЭМИ, а также в возможности прогнозирования ресурса долговечности композитов.
Применение полученных результатов при разработке системы контроля процесса разрушения композиционных материалов позволяет повысить качество продукции, увеличить безопасность труда и срок службы различных техногенных объектов.
Полученные в диссертации результаты рекомендуется использовать для разработки на их основе неразрушающих бесконтактных экспресс-методов и систем контроля разрушения с построением конкретных методик прогнозирования разрушения по результатам регистрации импульсного электромагнитного излучения нагруженных материалов.
Основные положения диссертационной работы вошли составной частью в «Методические рекомендации по изучению кинетики разрушения композитных материалов на основе регистрации параметров импульсного электромагнитно излучения при их нагружении». Данные рекомендации применяются при выполнении исследований композитов в Институте углехимии и химического материаловедения СО РАН (г. Кемерово).
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты работы использованы при разработке системы измерений для изучения физико-механических свойств углепластиков по контракту с Институтом химии твердого тела и механохимиии СО РАН при выполнении научно-исследовательской работы «Разработка метода, оборудования и изучение динамики разрушения композитов на основе анализа электромагнитной эмиссии» в рамках Федеральной целевой программы Министерства промышленности и торговли РФ «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 годы и на период до 2015 года».
На основе проведенных исследований разработаны способы определения долговечности композиционных материалов при циклических нагрузках (пат. № 2145416, пат. № 2439532).
Научные результаты используются в учебном процессе в Кузбасском государственном техническом университете при изучении курса «Механика разрушения».
Апробация работы. Работа и отдельные ее части докладывались и получили одобрение на I научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс 95)" (Кемерово, 1995); III Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Йошкар-Ола, Казань, Москва, 1996); VI Международной конференции по химии и физико-химии олигомеров (г. Черноголовка, 1997); VI Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" (г. Нижний Новгород, 1999); Международных научно-технических конференциях "Композиты – в народное хозяйство России" (г. Барнаул, 1995, 1997, 1998, 1999); на Международном симпозиуме Восточно-азиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям «Композиты ХХI века» (Саратов, 2005); XIII Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, 2005); Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, автоматизация» (Барнаул, 2006); Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития`2007» (Одесса, 2007); Международных научно-практических конференциях «Измерения в современном мире-2009» (Санкт-Петербург, 2007, 2009); XII, XIII Международных научно-практических конференциях "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири." (Кемерово, 2008, 2010, 2012); VI , VII, VIII, IX Международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» (Кемерово, 2005, 2007, 2009, 2011, 2013).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 52 работы, в том числе 11 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на изобретения, 2 монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов и заключения, изложенных на 319 страницах, содержит 101 рисунок, 36 таблиц, список литературы из 202 наименований.
Применение импульсной электромагнитной эмиссии для исследования кинетики накопления повреждений и контроля разрушения
Диагностика и прогнозирование разрушения материалов и конст рукций представляет собой комплексную сложную задачу, для решения которой применяются два различных подхода. Первый включает уста новление функциональной связи между физическими процессами зарож дения и развития разрушения в материалах и сопровождающим их ЭМИ, а затем построение картины различных видов повреждаемости и разрушения материалов в разнообразных условиях и на их основе за ключения о состоянии диагностируемых объектов [79, 86–88, 91, 94, 95, 97, 124–128, 130, 133–135]. Второй – заключение о процессах, происходящих в деформируемом материале, по статистически устанавливаемым при знакам, соответствующим распределению сигналов ЭМИ, сопутствующих процессу разрушения [35, 36, 38, 39, 74, 75, 100]. Первый подход требует фундаментальных исследований процесса разрушения материалов с целью выявления комплексных параметров ЭМИ, которые отражают характер этого процесса, длительных экспериментов и наличия совершенной аппаратуры.
Эксплуатация же реальных объектов народного хозяйства должна предусматривать оперативный контроль их состояния, поэтому здесь наиболее вероятно применение второго подхода, использующего статистические или полуэмпирические методы. С оперативным контролем связана диагностика напряженного состояния материалов, когда по параметрам ЭМИ, в основном по активности сигналов и амплитуде, судят о наступлении опасного состояния [73–75, 86, 87, 90, 92], для выявления опасных дефектов в щелочно-галоидных кристаллах [71, 76, 99], горных породах [77, 99], композитах [86, 87].
Необходимо отметить, что в объекте могут возникать и длительное время развиваться трещины, не приводя к его разрушению. В связи с этим важно знать параметры ЭМИ для стадии, непосредственно предшествующей разрушению. Один из путей изучения параметров ЭМИ как свойств самого материала – моделирование источников ЭМИ и сигналов от них. При этом основное внимание уделялось моделированию излучения сигналов ЭМИ развивающимися трещинами.
В работе [77] процесс возникновения импульсов ЭМИ моделируется ростом дипольного момента трещины в процессе распространения и релаксацией заряда на ее берегах после остановки. На основании этой модели расчетным путем находится зависимость параметров ЭМИ от ориентации и длины трещин, определяются размеры трещин и скорость их распространения.
Работа [78] также посвящена моделированию ЭМИ при трещино-образовании. Работы [77, 78] могут дать практически полное представление о моделировании процесса.
К их недостаткам следует отнести приближенное моделирование процесса возникновения трещины. Как известно, трещина возникает и развивается в поврежденном материале. Рост ее сопровождается также изменениями в деформируемом материале.
Фундаментальные исследования электромагнитного излучения в нагруженных твердых телах, также как и решение ряда прикладных задач по определению времени до разрушения, до настоящего времени в значительной степени сдерживаются малой исследованностью физической природы элементарного излучателя. Процесс возникновения импульса ЭМИ моделируется в основном ростом дипольного момента трещины в процессе распространения и релаксацией заряда на е берегах после остановки [77, 78].
Важным результатом, полученным методом ЭМИ, является проведенная в работах [36, 37, 39, 110] экспериментальная проверка гипотезы о том, что временная статистика накопления числа электромагнитных импульсов (микротрещин) в ходе разрушения описывается пуассоновским процессом. Было установлено на последней стадии разрушения статистически значимое отличие показателя Херста от 0,5 – значения, соответствующего пуассонов 38 скому процессу. Установлено также, что процесс накопления импульсов ЭМИ на этой стадии относится к классу персистентных (самоподдерживающихся) процессов.
Исследование процесса нагружения композиционных материалов совместно с импульсным ЭМИ вплоть до полнейшего разрушения позволяют рассматривать этот процесс как последовательность смены состояний деформируемого материала. Каждому из этих состояний соответствуют определенные закономерности в поведении спектров частот и энергетических параметров сопутствующей эмиссии.
Экспериментальные исследования ЭМИ в материалах представляют собой значительную сложность.
Прежде всего, остается не до конца ясной природа источников ЭМИ. Механизмы ЭМИ еще нуждаются в исследованиях, которые являются важными и перспективными.
Для изучения макромеханизмов ЭМИ и точной диагностики состояния реальных объектов необходимы исследования корреляции параметров ЭМИ с реальными процессами в материалах. В уже проведенных исследованиях основными результатами являются следующие. При установлении связей ЭМИ с кривой деформирования материалов выяснено, что амплитуда и активность ЭМИ уменьшаются на участке 0,7-0,8 тр и достигают максимума перед разрушением.
В настоящее время фундаментальные результаты в основном исчерпываются приведенными данными. Это связано с несовершенством аппаратуры, в основном регистрирующей такие параметры ЭМИ как амплитуда, длительность импульсов и активность, чего не всегда достаточно. Тем не менее, с использованием только данных параметров ЭМИ связана разработка некоторых способов оценки материалов, применяемых на практике. В работах [73, 84, 85, 97] кинетические константы прочности и энергетические характеристики предлагается оценивать по амплитуде и суммарному счету импульсов ЭМИ.
Диффузионный механизм электризации и пьезоэффект
Анализ литературных данных позволил сделать следующие выводы. Широкое использование композиционных материалов в различных отраслях промышленности, особенно при воздействии разрушающих факторов, например высоких механических напряжений, ставит актуальную задачу обеспечения безопасности различных объектов из композиционных материалов и контроля их разрушения. Для разработки методов контроля процесса разрушения и прогнозирования работоспособности композитов необходимо детальное изучение физического механизма их деформирования и разрушения на разных структурных уровнях.
Анализ литературных данных показал: несмотря на то, что количество элементарных механизмов разрушения, составляющих физическую картину повреждения композитов, невелико (растрескивание связующего, межслойное расслоение, отслоение волокна и матрицы, разрыв и местная потеря устойчивости волокна), завершенная механическая модель, описывающая накопление, взаимодействие и распространение повреждений вплоть до исчерпания несущей способности композита посредством перечисленных локальных актов разрушения, не создана даже применительно к статическому нагружению.
Наиболее универсальной моделью элементарного акта разрушения и перехода процесса накопления микроповреждений структуры материалов на стадию макроскопического разрушения является кинетическая модель С.Н. Журкова. Однако широкому ее использованию при контроле разрушения и прогнозе долговечности полимерных композитных материалов в сложных условиях нагружения препятствует отсутствие систематических исследований этой проблемы. И главным препятствием на пути решения проблемы контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композитных материалов является отсутствие простого и надежного экспресс – метода определения кинетических констант разрушения.
Одним из путей контроля развивающегося разрушения и прогнозирования работоспособности конструкции является применение метода, основанного на регистрации импульсного электромагнитного излучения материалов, находящихся под нагрузкой. Он позволяет регистрировать отдельные импульсы ЭМИ, определять их форму, оценивать скорость распространения трещин в материале, регистрировать в реальном масштабе времени кинетику накопления микротрещин. Однако не исследованы ни механизмы ЭМИ, ни изменение кинетических констант в процессе нагружения в полимерных композитах данным методом. Практически не изучены статистические закономерности ЭМИ при испытаниях композитов на длительную и усталостную прочность. Весьма малочисленны литературные источники, в которых исследуется импульсное электромагнитное излучение композитов при циклических нагрузках.
Электромагнитное излучение композиционных материалов регистрируется в очень широком спектральном диапазоне: 10 – 107Гц. В связи с этим следует вывод, что не существует единственного элементарного механизма генерации излучения. Поэтому для понимания процессов, протекающих при деформировании и разрушении композиционных материалов, а тем более для построения последовательной теории электромагнитных процессов при их нагружении, необходимо выяснить механизмы образования заряда на берегах образующихся трещин.
Последовательная количественная теория механизмов электризации композиционных материалов под действием механических напряжений, ос 58 нованная на кинетико-статистических представлениях, в настоящее время отсутствует.
Для построения теории разрушения и научных основ метода контроля разрушения композиционных материалов важным является изучение основных термодинамических параметров очага разрушения и формулировка критериев его устойчивости на разных этапах его эволюционного развития, поскольку очаг разрушения с точки зрения термодинамики необратимых процессов может рассматриваться как неравновесная открытая система, которая в процессе своей эволюции за счет внешних сил и теплообмена с окружающим очаг материалом проходит ряд стадий развития.
Проведение подобных исследований способствовало бы развитию методов контроля разрушения, позволило бы проводить более точный и достоверный контроль состояния материалов в конструкциях при наличии в них повреждений и опасных дефектов.
Не решены также вопросы, связанные с применением датчиков электромагнитного излучения, имеющего сложные импульсные сигналы, возникающие при образовании трещин в образцах и изменяющиеся как по амплитуде, так и по частоте следования.
Учитывая вышеизложенное, целью настоящей работы являлась разработка научных основ метода контроля разрушения композиционных материалов на базе импульсного электромагнитного излучения, обеспечивающих прогноз долговечности и повышение качества продукции из композиционных материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - разработать теоретическую модель накопления микроповреждений и импульсного электромагнитного излучения композиционных материалов; -выявить основные физические механизмы электризации микротрещин в композиционных материалах; - развить основы спектральной теории импульсного электромагнитного излучения при разрушении композиционных материалов; - разработать термодинамическую теорию устойчивости неравновесных состояний в очаге разрушения композиционных материалов с учетом накопления микротрещин; - исследовать влияние состава, способа изготовления и режима нагру-жения на кинетику накопления импульсов ЭМИ и кинетические константы разрушения композиционных материалов; - разработать метод и лабораторную измерительную систему контроля процесса разрушения и прогноза долговечности композиционных материалов на основе регистрации ЭМИ микротрещин.
Кинетика накопления микроповреждений структуры композитов и определение кинетических констант их разрушения при циклическом нагружении
Если система не изолирована, малые изменения энтропии должны компенсироваться потоком энтропии, который появляется в правой части (4.47). Если такая компенсация невозможна, возникают необратимые процессы и начальное состояние системы не может быть равновесным.
Предположим, что на поверхности очага задан ряд определенных граничных условий, тогда Лф[] = 0, т.к. либо Wn=0, либо АГ"1 = О (T=const). Тогда уравнение баланса энтропии (4.46) имеет вид:
Неравенство(4.49) может служить критерием эволюции для состояния вблизи равновесия. Обе части равенства обращаются в нуль при равновесии и положительны для всех возмущенных состояний. Если нет возмущений, удовлетворяющих критерию эволюции (4.49) то система будет находиться в равновесии. где е – равновесное состояние, f – возмущенное состояние. Обратный процесс будет самопроизвольным и сопровождается положительным производством энтропии: Таким образом, система будет устойчива, если в невозмущенном состоянии не возникают никакие процессы, удовлетворяющие второму началу термодинамики. Подставим (4.50) в (4.49) интегрируя от е до f (0 t tf), получим 1 t t -(S2S) = \Р [S] dt = [dtS = AtS 0, (4 52) 2 0 0 где di S - производство энтропии за счет внутренних необратимых процессов в системе.
Следовательно, устойчивость зависит только от знака второго дифференциала (8 2S)e в равновесном состоянии. Локальное условие устойчивости (для единицы объема очага) также имеет вид: (S2S)e 0. (4.53)
Как уже было показано ранее (см. (4.39)), это условие для малых отклонений от состояния равновесия выполняется. Для того, чтобы выяснить, устойчива ли система по отношению к конечным возмущениям, мы располагаем только одним критерием, основанным на термодинамических потенциалах: e (S2S) eE0 =(S2E) eSe 0. (S2E) e,5,i = (S2H) e =(S2F) eJ,=(S2G) e . 0. В тех случаях, когда термодинамические потенциалы не существуют, устойчивость будет зависеть не только от величины возмущения, но и от способа, каким система переходит из начального состояния в возмущенное.
Условия термодинамической устойчивости неравновесных состояний
Перейдем от теории устойчивости равновесных состояний к наиболее важной и трудной проблеме устойчивости неравновесных состояний очага разрушения. Будем рассматривать только малые возмущения координат и термодинамических потенциалов системы, и это будет основным и практически единственным ограничением теории.
Кроме того, всегда будем предполагать, что состояние локального равновесия устойчиво. Поэтому согласно (4.39) это означает, 82S 0. (4.55) 100 Кроме того, из (4.39) также следует, что второй дифференциал энтропии является отрицательно определенной квадратичной формой приращений независимых переменных (е,6,є ) или координат диссипативной системы.
Поэтому теория устойчивости должна строиться на основе S2S как функции Ляпунова [183].Таким образом, в соответствии с теорией Ляпунова [179] достаточное условие устойчивости для неравновесных состояний имеет вид: — (S2S)t 0 . (4.56) Индекс t0 означает, что при дифференцировании по времени коэффициенты квадратичной формы (4.39) остаются теми же, что и в момент времени t0 .
В общей теории устойчивости нам придется иметь дело с граничными задачами, описываемыми дифференциальными уравнениями в частных производных, поэтому локальная формулировка (4.56) не годится, так как не учитывает граничные условия задачи. Применяя к (4.56) интегрирование по всему объему V очага, получим достаточное условие устойчивости в интегральной форме: \(S2S)dV 0 (4.57) и неравенство \S2SdV 0. (4.58) (V) Снова получаем условия (4.49) и (4.53) теории устойчивости для равновесного состояния. Однако там неравенство (4.58) является основным для 101 устойчивости системы, а (4.57) вытекает из второго начала термодинамики, тогда как в неравновесной термодинамике, использующей понятие устойчивости по Ляпунову, наоборот, условием устойчивости является неравенство (4.57). Неравенство (4.58) лишь задает знак неравенства в критерии устойчивости неравновесных состояний (4.57). Таким образом, правая часть выражения (4.41) относительно приращений координат в случае устойчивости дис-сипативных систем, должна удовлетворять неравенству (4.57).
Процесс распространения акустических волн в очаге разрушения термодинамически необратим, так как скорость колебания частиц конечна, поэтому в материале происходят процессы, стремящиеся привести очаг к равновесному состоянию. Диссипация энергии упругих волн происходит вследствие сил внутреннего трения или вязкости [179]. При наличии дополнительной координаты и. - скорости смещения частиц, второй дифференциал энтропии становится вырожденной знакоопределенной функцией, так как может обращаться в нуль при неисчезающих значениях возмущения скорости. Поэтому вместо 5 введем новую функцию Ляпунова:
Универсальный критерий эволюции очага разрушения
Анализ спектральных кривых показывает, что основной частотой, которая определяет протяженность спектра и частотный диапазон излучения, является частота, определяемая временем релаксации (Тр1) заряда на берегах трещины, причем при малых a max сам приведенный размер трещины amax влияет на величину условного периода колебаний спектральной плотности в е затухающей части и определяет величину затухания излучения в области частот 0Тр-1. В этой области значений amax наблюдается быстрое сжатие спектральной характеристики в сторону малых частот (кривые 3,4,7) с ростом amax.
Таким образом, как малые, так и большие трещины излучают энергию в области частот, простирающейся от единиц герц до десятков мегагерц. До сих пор был рассмотрен непрерывный (сплошной) спектр отдельных импульсов излучения трещин. Однако в действительности микротрещины (amax 1) возникают периодически со средней частотой, превосходящей на отдельных этапах разрушения 103 имп/с. В этом случае спектр излучения становится не сплошным, а линейчатым [186]. Пользуясь статистической теорией генерации трещин, можно получить линейчатые спектры электромагнитного излучения трещин.
Как известно из теории спектрального анализа [186], если одиночные импульсы повторять через приблизительно равные промежутки времени X, то получится периодическая функция, которая разлагается в ряд Фурье, причем спектральная плотность а(со) совпадает со значениями Дг на частотах со =kcoi, где соі=2л/т - основная частота процесса; п= 1,2,3…; Д - коэффициенты разложения периодической функции в ряд Фурье.
Пользуясь статистической теорией генерации трещин, можно вычислить основную частоту и получить линейчатые спектры излучения [132]. Поскольку частота процесса возникновения трещин определяется формулой
На первой стадии процесса разрушения эта частота может в зависимости от свойств материала, напряженного состояния и объема тела меняться от сотен герц до десятков килогерц. На второй стадии процесса, когда происходит лавинное разрушение и возрастание скорости генерации трещин на несколько порядков, основная частота возрастает до десятков- сотен килогерц и может достигать частот, определяемых временем релаксации заряда тр-1 на берегах трещин, т. е. частот, находящихся в мегагерцевой области. Однако этот этап является по продолжительности очень кратковременным. При приеме сигналов на фиксированных частотах, «уход» в мегагерцевую область частот может быть замечен как кратковременное кажущееся «затишье» перед макроразрушением материала.
Линейчатые спектры излучения при периодическом рождении трещин: Рк- коэффициенты разложения в ряд Фурье; 1,2 - спектр электрической составляющей излучения для малых a max, 3,4 - спектр магнитной составляющей излучения для малых a max; 5 - спектр магнитной составляющей излучения для a max = 25; основная частота процесса 1=а1/ г"1 = 0,04 выбрана исходя из реальной скорости генерации микротрещин с частотой 4 кГц
Проведенные теоретические исследования позволили сделать следующие выводы.
1. Импульсы радиоизлучения при распространении трещины имеют характерную колоколообразную форму, обусловленную ростом дипольного момента и заряда в е вершине в процессе движения и релаксацией зарядов -после остановки.
2. Амплитуда импульсов для трещин с размерами 10-410-2 м колеблется в пределах 10103 мВ в ближней зоне излучения.
3. Сплошные спектры одиночных импульсов зависят от частоты т1 , связанной со временем релаксации зарядов. Для малых трещин их приведенный размер a max =тн / т р практически не влияет на протяженность спектра и форму спектральной плотности, причем интенсивность радиоизлучения на частотах порядка т " составляет лишь 25 % от интенсивности излучения на малых частотах.
4. При больших значениях приведенного размера трещин (a max »1) величина условного периода колебаний спектральной плотности в ее зату хающей части существенно зависит от отношения Тн / т . С ростом приве денного размера a max наблюдается быстрое сжатие спектральной кривой в область малых частот.
5. Линейчатые спектры радиоизлучения трещин возникают вследствие рождения трещин в зоне очага разрушения с определенной частотой, обу словленной кинетическим уравнением С.Н.Журкова и составляющей на пер вой стадии формирования очага единицы и десятки килогерц. При этом при 148 ем излучения может осуществляться как на этой основной частоте, так и на кратных ей частотах.
6. На завершающей стадии процесса формирования очага разрушения с ростом скорости трещинообразования и локализацией разрушения вблизи сформированной макротрещины, основная частота уходит в мегагерцевую область спектра, что при приеме сигналов на фиксированной частоте может быть воспринято как кратковременное затишье непосредственно перед разрушением.
Исследование образцов композиционных материалов проводилось на установке [136], блок - схема которой представлена на рис. 6.1, а на рис. 6.2 и рис. 6.3 показан внешний вид измерительных приборов и установки.
Установка состоит из экранирующей ячейки – 1, в которую помещался нагружаемый образец и мкостная антенна для регистрации импульсов электромагнитной эмиссии при накоплении трещин; нагружающего устройства (разрывная машина Р - 5) – 2; блока активно - реактивных фильтров RC-типа – 3; широкополосного усилителя – 4; запоминающего осциллографа С8-14 – 5; частотомера Ч3-54 – 6. Экранирующая ячейка, разрывная машина и все приборы тщательно заземлялись для исключения помех от электроприборов, сети и силовой установки машины. Блок фильтров настраивался на полосу пропускания сигналов в диапазоне частот от 50Гц до 10 МГц. Вход широкополосного усилителя настраивался на амплитуду сигналов от 1,5 мВ.
В качестве нагружающего устройства использовалась разрывная машина Р-5. Максимальная рабочая нагрузка 50 кН. Конструкция машины позволяла автоматически производить запись диаграмм напряжение - дефор-мация при фиксированной скорости нагружения. Нагружение образца осуществлялось с постоянной скоростью порядка 106 Па/с, что было обусловлено необходимостью облегчения расчетов кинетических параметров, входящих в модель процесса формирования очага разрушения в образцах композиционных материалов.
