Определение характеристик трещиностойкости слоистых углепластиков на образцах без инициатора трещины с применением метода акустической микроскопии

Одним из параметров трещиностойкости углепластиков является вязкость разрушения, которая представляет собой изменение энергии упругой деформации элемента конструкции при увеличении площади трещины на единицу в момент страгивания. В процессе исследования вязкости разрушения определяется положение фронта трещины — исходной и полученной в результате ее роста. Существующие в настоящее время стандарты испытаний (СТО ЦАГИ, ASTM D7905) определяют вязкость по моде сдвига G_IIc на образцах с инициатором трещины. Такой способ не отражает реальные условия возникновения трещин в конструкциях из ПКМ и может приводить к снижению точности при определении нагрузки страгивания трещины. В ЦАГИ разработана методика определения вязкости разрушения ПКМ при сдвиге G_IIc на образцах без стандартного инициатора расслоений. Цель работы — проведение исследований для отработки данной методики. Значения G_IIc определяли для трещины, образованной сдвигом в условиях трехточечного изгиба после расклинивания. Для определения положения и формы фронта трещины, а также оценки динамики ее распространения при последующих нагрузках вместо стандартного визуального наблюдения ее границ с торцевой поверхности образцов использовали ультразвуковые методы — ультразвуковую дефектоскопию (УЗК) и акустическую микроскопию. Установлено, что акустическая микроскопия на частоте 50 МГц позволяет определять положение фронта трещины в образцах из углепластика на глубине 3,0 – 3,5 мм с высоким разрешением, в данном случае — 100 мкм. Отмечены особенности распространения трещины в процессе роста в условиях сдвига. Результаты исследований показали, что высокая точность акустической микроскопии по сравнению с традиционной ультразвуковой диагностикой востребована при определении формы трещины, для анализа динамики ее распространения и выявления механизмов распространения межслоевых трещин в композиционной среде.

1. Pettit D. E., Lauraitis K. N., Cox J. M. Advanced residual strength degradation rate modeling for advanced composite structures / AFWAL-TR-79-3095. Vol. I. Task I: preliminary screening, 1979.

2. Loss of Rudder in Flight Air Transat Airbus A310-308 C-GPAT, Miami, Florida, 90 nm S, 6 March 2005, Transportation Safety Board of Canada / Report Number A05F0047, 2005.

3. Schoen J., Nyman T., Blom A., Ansell H. A numerical and experimental investigation of delamination behavior in the DCB specimen / Composite Science and Technology. 2000. Vol. 60. N 2. P. 173 – 184.

4. Perez Carlos L., Davidson Barry D. Evaluation of Precracking Methods for the End-Notched Flexure Test / AIAA Journal. 2007. Vol. 45. N 11. P. 2603 – 2611.

5. Frossard G., Cugnoni J., Gmür T., Botsis J. Ply thickness dependence of the intralaminar fracture in thin-ply carbonepoxy laminates / Composites Part A. 2018. N 109. P. 95 – 104.

6. Jones R., Kinloch A. J., Hu W. Cyclic-fatigue crack growth in composite and adhesively bonded structures: The FAA slow crack growth approach to certification and the problem of similitude / International Journal of Fatigue. 2016. Vol. 88. N 10. P. 8.

7. Яковлев Н. О., Гуляев А. И., Лашов О. А. Трещиностойкость слоистых полимерных композиционных материалов (обзор) / Труды ВИАМ. 2016. № 4(40). С. 106 – 114.

8. Крылов В. Д., Яковлев Н. О., Курганова Ю. А., Лашов О. А. Межслоевая трещиностойкость конструкционных полимерных композиционных материалов / Авиационные материалы и технологии. 2016. № 1(40). С. 79 – 85.

9. Яковлев Н. О., Гуляев А. И., Крылов В. Д., Шуртаков С. В. Микроструктура и свойства конструкционных композиционных материалов при испытании на статическую межслоевую трещиностойкость / Новости материаловедения. Наука и техника. 2016. ¹ 1(19). С. 65 – 74.

10. Funaria M. F., Grecoa F., Lonettia P., Lucianob R., Penna R. An interface approach based on moving mesh and cohesive modeling in Z-pinned composite laminates / Composites Part B. 2018. N 135. P. 207 – 217.

11. Krueger R. Computational fracture mechanics for composites. State of the art and challenges. Presented at the NAFEMS Nordic Seminar: Prediction and Modelling of Failure Using FEA. — Copenhagen/Roskilde, Denmark, 2006.

12. Pascoe J. A., Alderliesten R. C., Benedictus R. Methods for the prediction of fatigue delamination growth in composites and adhesive bonds — A critical review / Engineering Fracture Mechanics. 2013. Vol. 112 – 113. P. 72 – 96.

13. Xie J., Waas A. M., Rassaianc M. Estimating the process zone length of fracture tests used in characterizing composites / International Journal of Solids and Structures. 2016. N 100 – 101. P. 111 – 126.

14. Clay S. How ready are progressive damage analysis tool? / Composites World. July 2017. Vol. 3. N 7. P. 8 – 10.

15. ASTM D7905/D7905M-14. Standard Test Method for Determination of the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014.

16. ГОСТ 33685–2015. Метод определения удельной работы расслоения в условиях сдвига GIIc. Композиты полимерные. — М.: Стандартинформ, 2016.

17. Закутайлов К. В., Левин В. М., Петронюк Ю. С. Ультразвуковые методы высокого разрешения: визуализация микроструктуры и диагностика упругих свойств современных материалов (обзор) / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2009. Т. 75. ¹ 8. С. 28 – 34.

18. Petronyuk Y., Morokov E., Levin V., Ryzhova T., Chernov A., Sherbakov V., Shanygin A. Study of failure mechanisms of CFRP under mechanical load by impulse acoustic microscopy / Polymer Engineering Science. 2017. N 57. P. 703 – 708.

19. Morokov E. S., Levin V. M. Spatial Resolution of Acoustic Microscopy in the Visualization of Interfaces inside a Solid / Acoustical Physics. 2019. N. 65. P. 165 – 170.