Содержание к диссертации
Стр.
Список обозначений 4
Введение 7
Глава 1. Анализ методов исследований процесса разрушения твердых тел 15
История исследования прочности. Задача прогнозирования долговечности 15
Методы исследований процесса разрушения композиционных материалов. Основные критерии разрушения 22
Глава 2. Экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности
полимерных композиционных материалов при совместных
нестационарных тепловых и механических нагружениях 42
Взаимосвязь кинетических параметров термодеструкции и механодеструкции композиционных материалов 42
Физико-математическая модель долговечности композиционных материалов в условиях совместных нестационарных тепловых
и механических нагружений 54
Глава 3. Экспериментально-измерительный комплекс 59
Экспериментальная установка для термогравиметрических исследований 59
Экспериментальная установка для исследования термомеханических характеристик композиционных материалов 64
Установка для исследования долговечности полимерных нитей 67
Установка для исследования долговечности полимерных нитей при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях 70
Установка для исследования долговечности полимерных композиционных материалов при совместной длительной тепловой
Стр.
и механической нагрузке 73
3.6. Испытательная машина для исследования прочностных
характеристик композиционных материалов 76
3.7. Автоматизация обработки экспериментальных данных 79
Глава 4. Результаты экспериментально-расчетных исследований 82
Кинетические параметры многостадийных процессов термической деструкции 82
Кинетические параметры многостадийных процессов механической деструкции 89
Сравнение расчетных данных с результатами независимых экспериментально-расчетных исследований 104
Сравнение расчетных данных с результатами экспериментальных исследований долговечности композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях 109
Выводы 127
Список публикаций по теме диссертации 129
Литература 130
Приложения 139
Приложение 1. Пример расчета долговечности материала Терлон (нить) при совместном нестационарном действии тепловой
и механической нагрузок 139
Приложение 2. Результаты расчета долговечности исследуемых материалов
при различных режимах нагружения и сопоставление
с экспериментом 143
4 СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
Ей - модуль Юнга, Па;
L - длина трещины, м;
М - фактор формы трещины;
К - коэффициент интенсивности напряжений;
U0 - энергетическая константа материала, совпадающая по значению, с;
энергией распада межатомных связей (энергия активации), кДж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т - абсолютная температура, К; к - постоянная Больцмана, Дж/К; Sp(t) - зависимость cr(t), определяемая из опыта на чистое растяжение;
Т0 - температура приведения, К;
R(t- т)- ядро релаксации;
II(t -т)- ядро ползучести;
/-время, с;
А - предэкспоненциальный множитель (частотный фактор), с"1;
Е - энергия активации физико-химических превращений, Дж/моль;
ат- отношение времени механической релаксации при температуре Г к
соответствующему времени релаксации при температуре Г/. Тн - температура начала реакции, К;
^гши - температура, соответствующая максимальной скорости реакции, К; Тк - температура конца реакции, К;
г, - значение коэффициента корреляции расчетных точек і-й стадии; Тр - температура, при которой производилось механическое разрушение
материала, К; G - вес чашки с разновесами, кг; /0 - длина недеформированной нити, м;
С - жесткость пружинного компенсатора.
/ - длина деформированной нити, К;
S0 - площадь поперечного сечения недеформированной нити, м ;
S - площадь поперечного сечения деформированной нити, м2;
N - общее количесвто экспериментальных точек;
№режима - номер режима отжига;
№ст - номера стадий термической деструкции, которые подвергаются
отжигу на соответствующем режиме; ?ыд - время выдержки, с; Твыд - температура выдержки, с; п-число стадий (испытанных образцов); уп - удельная работа образования поверхности, Дж;
v - коэффициент Пуассона;
а - приложенное напряжение, Па;
г0 - константа, равная периоду тепловых колебаний атомов в твердых телах
около положения равновесия, т0 «10"12 - 10~13 с; у - структурно-чувствительный коэффициент, (кДж-м У(моль-Н); *,(<т,) - время действия напряжения, равного а,, с;
t*(crt) - время до разрушения при напряжении а,, неизменном в течении всего
процесса, с; / - время до разрушения, с;
(p{t) - ядро повреждений;
&02,- суммарная степень превращения;
Sco- погрешность совпадения расчетной и экспериментальных кривых.
a0i - начальная степень превращения /-ой стадии;
cot - текущая (задаваемая) степень превращения;
г* - потеря долговечности материала на /- й стадии термодеструкции, с;
т, - долговечность материала на /- й стадии при текущем значении со,, с;
со, - степень превращения /- й стадии термодеструкции;
б)э - значение экспериментальной степени превращения в / - й момент
времени; юр - значение расчетной степени превращения в / - й момент времени;
Асор - задаваемое изменение степени превращения стадии;
Нижние индексы:
О - относится к начальному моменту нагружения;
/- относится к стадии термодеструкции (или номеру эксперимента);
р - относится к моменту достижения разрушения;
Верхние индексы:
~- осреднённая величина; относительная величина;
Введение к работе
Сведения о прочности твердых тел, ставшие основой целой науки, относятся к одним из самых древних в развитии человеческого знания. Под механической прочностью понимается способность материалов, изделий, конструкций сохранять свою целостность без разрушения при действии на них механических нагрузок. С глубокой древности, когда люди начали создавать различные изделия, орудия труда, охоты, войны, позднее - строительные сооружения, корабли и др., вопросы обеспечения достаточной прочности всего изготовляемого или строящегося становились предметом размышлений, поисков, изобретений.
К 40 - 50-м годам прошлого века накопился комплекс вопросов относительно прочности твердых тел, которые требовали решения. Новая техника, в процессе развития которой повышались рабочие температуры, сложным образом менялись нагрузки на работающих деталях, строились крупные объекты многолетнего назначения, подталкивала к дальнейшему изучению прочности.
Например, авиации стали совершенно необходимыми прочные и легкие сплавы, новые композиционные материалы. В эпоху же космической техники необходимость материалов с высокой удельной прочностью (большая прочность при низкой плотности материала) стала еще более острой. Прочность имеет и огромное экономическое значение. Так, в масштабах страны увеличение прочности материалов ведет к значительной экономии металлов, древесины, бетона, пластмасс.
В 60-х годах XX века была создана Всемирная организация -Международный конгресс по разрушению (International Congress of Fracture). Характерно, что задачей этой организации стало выяснение путей упрочнения материалов и повышения надежности, долговечности работы конструкций, но названа она была не «Конгрессом по прочности», а «Конгрессом по
разрушению». Можно сказать, что приведенным примером с постановкой вопроса о прочности в международном масштабе также хорошо демонстрируется важнейшая роль исследования явления разрушения.
Развиваются и прочностные исследования нового типа. Последние десятилетия характеризуются небывалым размахом в использовании множества тонких физических и физико-химических методов для получения прямой информации о конкретных формах и деталях процесса разрушения. Так, выясняются структурные особенности материалов, создающие места повышенных напряжений, где наиболее интенсивно развивается термофлуктуационный процесс разрушения. Непосредственно регистрируются разрывы межатомных связей и измеряется накопление этих разрывов. Прослеживается очень важный этап разрушения - переход от одиночных разрывов связей к возникновению зародышевых разрывов сплошности -мельчайших трещин (с размерами в десятки - сотни размеров атомов). Далее выясняются закономерности укрупнения зародышевых трещин, которое может идти путем как индивидуального роста трещин, так и их слияния. После достаточной степени укрупнения трещин формируются магистральные трещины, прорастание которых через сечение образцов и приводит к разрушению. Очень важно подчеркнуть, что на всех отмеченных этапах разрушения выявляется единый атомно-молекулярный механизм -флуктуационный разрыв напряженных связей. Таким образом, представление о разрушении как о процессе, подводящем нагруженное тело к разрыву, наполняется конкретным и детальным содержанием. Именно эта информация открывает новые пути упрочнения материалов, увеличения их работоспособности, продления их долговечности. Эти же данные позволяют решать важные задачи прогнозирования долговечности уже эксплуатируемых систем, выяснения степени исчерпания их прочностных ресурсов со временем. Многообразие конструкционных материалов и условий, в которых они работают, выдвигает широкий круг задач, связанных с кинетическими (как
феноменологическими, так и микроскопическими) исследованиями. Для их решения потребуются еще многие годы.
Подход к разрушению именно как к процессу дал основание рассматривать механическую прочность тел как такое свойство, которое имеет не «чисто механическую» природу, определяемую только силовым взаимодействием атомов, а кинетическую природу, определяемую закономерностями внутренней атомной динамики в твердых телах. Поэтому кинетический подход к разработке проблем прочности является той основой, которая в настоящее время является необходимой для дальнейшего исследования механизмов процесса разрушения.
Целью работы является разработка экспериментально-расчетного метода прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях.
При выполнении работы решались следующие задачи:
Исследование с позиций кинетической теории закономерностей разрушения и деформирования ряда композиционных материалов в широком диапазоне заданных постоянных и переменных по времени температур и механических нагружений;
Выявление зависимостей, связывающих параметры: долговечность, температуру, механическое напряжение;
Экспериментальное исследование влияния теплового (постоянное, переменное по времени) и механического нагружения (постоянное, переменное по времени; растяжение, сжатие) на величины кинетических параметров механодеструкции;
Экспериментальное исследование процессов термодеструкции в ряде композиционных материалов;
Сопоставление процессов термодеструкции и механодеструкции;
6. Сравнение кинетических параметров термодеструкции и
механодеструкции исследуемых материалов по результатам многочисленных
экспериментов;
Экспериментальное подтверждение многостадийности процессов, протекающих при совместном действии тепловых и механических нагрузок;
Разработка математической модели для расчета долговечности полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях;
Разработка программного обеспечения для расчета долговечности полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и механических нагружениях;
10. Экспериментальное подтверждение адекватности математической
модели по результатам многочисленных исследований долговечности
полимерных композиционных материалов при совместных тепловых и
механических нагружениях.
Актуальность работы. Полимерные композиционные материалы нашли широкое применение в инженерных конструкциях, строительных изделиях, несущих конструкциях, теплоизоляционных материалах: в строительстве, машиностроении, авиа - и космических отраслях. Также на практике широко используются композиционные материалы на основе древесины. Одним из преимуществ данных материалов является существенная экономия различного рода сырья. Кроме того, такие материалы обладают хорошими теплоизоляционными, звукоизоляционными свойствами и высокими механическими характеристиками.
В ряде композиционных материалов наблюдается высокая неоднородность распределения компонентов по объему. Такое строение осложняет изучение и прогнозирование их физико-механических свойств. В настоящее время при проектировании строительных, машиностроительных конструкций широко используется эмпирический метод предельных состояний.
А влияние дополнительных факторов, снижающих прочностные показатели, учитывается поправочными коэффициентами. Это приводит к многократному запасу прочности и деформативности материала.
Методы, используемые для прогнозирования долговечности конструкционных композиционных материалов, широко применяются в инженерной практике. Однако большая часть из них основана на эмпирическом подходе и дает возможность достоверно описать поведение материала лишь узком диапазоне нагрузок. Это справедливо и для ряда математических моделей, описывающих поведение материала под нагрузкой. Для более полного прогнозирования работоспособности материалов необходимо проведение значительного количества экспериментальных исследований, что не всегда возможно.
При изучении прочностных и деформационных характеристик, прогнозировании работоспособности композиционных материалов в реальных условиях эксплуатации важным остается вопрос прогнозирования долговечности (времени до разрушения) под действием совместных тепловых и механических нагружений, изменяющихся во времени в широких пределах.
Как показывают многочисленные экспериментальные исследования, для полимерных композиционных материалов и композиционных материалов на основе древесины резко проявляется температурно-силовая зависимость долговечности при действии механической нагрузки [1-5].
Для разработки метода прогнозирования долговечности композиционных материалов использована кинетическая (термофлуктуационная) теория прочности твердых тел, развитие которой обязано, в первую очередь, фундаментальным работам С.Н. Журкова [1, 3, 8, 9]. В данной теории рассматривается тепловое движение атомов (кинетических единиц), как решающий фактор процесса разрушения твердого тела, а роль механической нагрузки заключается в уменьшении энергии этих связей.
Актуальность данной диссертационной работы обусловлена применением подхода к изучению процесса разрушения и деформирования, прогнозирования долговечности исследуемых материалов, связанного с исследованием их кинетических параметров. Предложенный экспериментально-расчетный метод позволяет учитывать совместное нестационарное влияние теплового и механического нагружения на долговечность материала, время их действия.
Обоснование достоверности полученных экспериментальных результатов основано на использовании в эксперименте приборов, прошедших метрологическую проверку, использовании различных методов тестирования и контроля измерительной системы экспериментальных установок, включая тщательную тарировку приборов. Проведением экспериментов с достаточной воспроизводимостью; статистической обработкой и значительным количеством повторных испытаний; сравнение их с аналогичными результатами, полученными другими авторами, которое показало хорошее соответствие результатов друг другу. Достоверность теоретических решений проверялась их сравнением с экспериментальными результатами.
Научная новизна.
1. Выявлены термофлуктуационные закономерности разрушения и
деформирования для широкого класса композиционных материалов при разных
видах нагружения.
2. Впервые получены величины кинетических параметров
многостадийных процессов термодеструкции и механодеструкции для ряда
композиционных материалов, определяющих их долговечность при
разрушении и деформировании.
3. Получены экспериментальные результаты по совместному действию
температуры и механической нагрузки на закономерности разрушения
исследуемых материалов, а также величины кинетических параметров,
физических и эмпирических констант, определяющих их долговечность.
4. Разработан экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов в широком диапазоне изменения температуры и механической нагрузки.
Практическая ценность результатов. Разработано программное обеспечение в интегрированной среде MathCAD для расчета долговечности композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и механических нагружениях. Его применение позволит автоматизировать практические и исследовательские расчеты, в конечном итоге снизить материалоемкость конструкций, повысить их надежность. Впервые получены многостадийные кинетические параметры процессов механодеструкции и термодеструкции материалов Терлон, ДВП, ВИМ №1.
Внедрение результатов. Теоретические разработки и результаты экспериментальных исследований использованы на предприятии РКК «Энергия». Ряд положений используется в учебном процессе МГУЛ при изучении дисциплин «Теплотехника» и «Пожарная безопасность промышленной продукции».
Автор защищает:
а) результаты исследований по влиянию теплового и механического
нагружения на закономерность разрушения и деформирования ряда
полимерных композиционных материалов, а также кинетические параметры,
физические и эмпирические константы, определяющие их долговечность;
б) математическую модель прогнозирования долговечности полимерных
композиционных материалов при совместных нестационарных тепловых и
механических нагружениях;
в) экспериментально-расчетный метод прогнозирования долговечности
полимерных композиционных материалов в широком диапазоне изменения
температуры и механической нагрузки.
г) результаты экспериментальных исследований по влиянию
нестационарных тепловых и механических нагружений на долговечность исследуемых материалов.
Апробация. Материалы отдельных разделов диссертации были представлены, докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах МГУЛ в 2000, 2004-2006 годах. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ и 2 работы в электронном журнале МГУЛ.
Автор выражает признательность своему научному руководителю - д.т.н., профессору Семенову Ю.П., научному консультанту - к.т.н., доценту Ермоченкову М.Г. и ведущему инженеру Евстигнееву А.Г. за всестороннюю поддержку и постоянную практическую помощь при выполнении работы.
