Расслаивание

Чтобы узнать о расслоении в геологии, см. Расслаивание (геология) . О расслаивании в эмбриологии см. Эмбриогенез .

Расслаивание полимера, армированного углеродным волокном, под действием сжимающей нагрузки

Расслоение — это вид разрушения, при котором материал раскалывается на слои. Разнообразие материалов, в том числе ламинатные композиты. и бетон , могут выйти из строя из-за расслоения. Обработка может создавать слои в материалах, таких как сталь, образованных прокаткой. а также пластики и металлы от 3D-печати который может 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 в первую очередь часто нарушается адгезия между слоями, что приводит к их разделению. Например, в армированных волокном пластиках листы высокопрочной арматуры (например, углеродного волокна , стекловолокна ) скреплены между собой гораздо более слабой полимерной матрицей (например, эпоксидной смолой ). В частности, нагрузки, приложенные перпендикулярно высокопрочным слоям, и сдвиговые нагрузки могут привести к разрушению полимерной матрицы или отслоению армирующего волокна от полимера.

Расслоение также происходит в железобетоне , когда металлическая арматура вблизи поверхности подвергается коррозии. Окисленный металл имеет больший объем, вызывая напряжения, когда он удерживается бетоном. Когда напряжения превышают прочность бетона, трещины могут образовываться и распространяться, соединяясь с соседними трещинами, вызванными коррозией арматуры, создавая плоскость разрушения, идущую параллельно поверхности. После развития плоскости разрушения бетон на поверхности может отделиться от основания.

Обработка может привести к образованию слоев в материалах, которые могут выйти из строя из-за расслоения. Бетонные . поверхности могут отслаиваться из-за неправильной отделки Если поверхность обработана и уплотнена шпателем, в то время как из нижележащего бетона вытекает вода и воздух, плотный верхний слой может отделиться от воды и воздуха, выталкиваясь вверх. В сталях . прокатка может создать микроструктуру, когда микроскопические зерна ориентированы в плоские листы, которые могут разрушаться на слои Кроме того, некоторые методы 3D-печати (например, наплавление ) позволяют создавать детали слоями, которые могут расслаиваться во время печати или использования. При печати термопластами методом наплавления охлаждение горячего слоя пластика, нанесенного на холодный слой подложки, может вызвать изгиб из-за дифференциального термического сжатия и разделения слоев.

Методы проверки

Существует множество методов неразрушающего контроля для обнаружения расслоения в конструкциях, включая визуальный осмотр , постукивание (т.е. зондирование), ультразвук , рентгенографию и инфракрасную визуализацию .

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

Тестирование постукиванием или зондирование включает в себя осторожные удары по материалу молотком или твердым предметом, чтобы определить расслоение по полученному звуку. В ламинированных композитах чистый звонкий звук указывает на хорошее сцепление материала, тогда как более глухой звук указывает на наличие расслоения из-за дефекта, амортизирующего удар. Тестирование постукиванием хорошо подходит для обнаружения крупных дефектов в композитных плоских панелях с сотовой сердцевиной, тогда как тонкие ламинаты могут иметь небольшие дефекты, которые не различимы звуком. Использование звука также является субъективным и зависит от качества слуха и суждений инспектора. Любые преднамеренные изменения в детали могут также изменить высоту издаваемого звука, что повлияет на проверку. Некоторые из этих вариантов включают перекрытие слоев, изменение количества слоев, изменение плотности сердцевины (если используется) и геометрию.

В железобетоне неповрежденные участки будут звучать твердо, тогда как расслоившиеся участки будут звучать глухо. Испытание на удар больших бетонных конструкций проводится либо с помощью молотка, либо с помощью цепного волочильного устройства для горизонтальных поверхностей, таких как пролеты мостов. Настилы мостов в странах с холодным климатом, где используются противообледенительные соли и химические вещества, обычно подвергаются расслоению, и поэтому их обычно планируют ежегодно проверять путем перетаскивания цепей, а также последующий ремонт поверхности.

испытаний на устойчивость

Испытания

Основная статья: Испытание адгезии краски

ASTM предоставляет стандарты для испытаний на адгезию красок , которые обеспечивают качественные измерения устойчивости красок и покрытий к отслаиванию от подложек. Испытания включают испытание на поперечный разрез, адгезию к царапинам, и тест на отрыв .

вязкость разрушения

Вязкость разрушения — это свойство материала, которое описывает устойчивость к разрушению и расслоению. Обозначается критическим коэффициентом интенсивности напряжений. $K_{c}$ или критическая скорость выделения энергии деформации $G_{c}$. , армированных однонаправленными волокнами из полимерных ламинатов Для композитов , ASTM предоставляет стандарты для определения в режиме I. вязкости разрушения $G_{IC}$ и в режиме II вязкость разрушения $G_{IIC}$ межламинарной матрицы. Во время тестов нагрузка $P$ и перемещение $\delta$ записывается для анализа с целью определения скорости выделения энергии деформации методом податливости . $G$ с точки зрения соответствия определяется

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

где $dC$ это изменение соответствия $C$ (соотношение $\delta /P$), $B$ - толщина образца, а $da$ – изменение длины трещины.

Режим I

Схема деформированного образца двойной консольной балки.

ASTM D5528 определяет использование геометрии образца двойной консольной балки (DCB) для определения вязкости межламинарного разрушения в режиме I. Образец двойной консольной балки создается путем размещения антипригарной пленки между слоями армирования в центре балки перед отверждением полимерной матрицы для создания начальной трещины длиной $a_{0}$. Во время испытания образец нагружается на растяжение со стороны начальной трещины балки, открывающей трещину. Используя метод податливости, критическая скорость выделения энергии деформации определяется выражением

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

где $P_{C}$ и $\delta _{C}$ представляют собой максимальную нагрузку и смещение соответственно, определяя, когда кривая отклонения нагрузки становится нелинейной с линией, проведенной из начала координат с увеличением податливости на 5%. Обычно уравнение 2 переоценивает вязкость разрушения, поскольку две консольные балки образца DCB будут иметь конечное вращение в месте трещины. Конечное вращение можно исправить, вычислив $G$ с немного более длинной трещиной по длине $a+\Delta$ предоставление

$G_{Ic}={\frac {3P_{C}\delta _{C}}{2B(a+\Delta )}}$(3)

Коррекция длины трещины $\Delta$ можно рассчитать экспериментально, построив график наименьших квадратов кубического корня податливости $C^{1/3}$ против длины трещины $a$. Исправление $\Delta$ - абсолютное значение точки пересечения x. Вязкость разрушения также можно скорректировать с помощью метода калибровки соответствия, где $G_{Ic}$ данный

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

где $n$ это наклон аппроксимации методом наименьших квадратов $\log(C)$ против. $\log(a)$.

межламинарного разрушения в

Схема испытания на изгиб кромочного надреза.

Вязкость межламинарного разрушения в режиме II можно определить с помощью испытания на изгиб с надрезом на кромке, указанного в стандарте ASTM D7905. Образец готовят аналогично образцу DCB с введением начальной трещины длиной $a_{0}$ перед отверждением полимерной матрицы. Если испытание проводится с начальной трещиной (метод без образования трещин), предполагаемая вязкость разрушения $G_{Q}$ дается

$G_{Q}={\frac {3mP_{\max }^{2}a_{0}^{2}}{2B}}$

где $B$ - толщина образца и $P_{\max }$ максимальная нагрузка и $m$ является подходящим параметром. $m$ определяется экспериментальными результатами с помощью метода наименьших квадратов соответствия $C$ в зависимости от длины трещины в кубе $a^{3}$ с формой

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

Кандидатная вязкость разрушения $G_{Q}$ соответствует вязкости разрушения в режиме II $G_{IIc}$ если скорость выделения энергии деформации находится в пределах определенного процента от $G_{Q}$ при различной длине трещины, указанной ASTM.

межламинарной прочности

Межламинарная прочность на сдвиг используется как дополнительная мера прочности связи волокна с матрицей в армированных волокнами композитах. Расслоение, вызванное сдвигом, наблюдается в различных условиях нагрузки, когда изгибающий момент композита быстро меняется, например, в трубах с изменением толщины или изгибов. Для измерения межламинарной прочности на сдвиг было предложено несколько архитектур испытаний, включая испытание на сдвиг короткой балки, испытание Иосипеску, испытание на сдвиг рельса и испытание на асимметричный четырехточечный изгиб. Целью каждого из этих испытаний является максимизация соотношения сдвигового напряжения к растягивающему напряжению, проявляемому в образце, что способствует разрушению образца за счет расслоения границы раздела волокно-матрица, а не за счет натяжения волокна или коробления . Ортотропная симметрия волокнистых композиционных материалов затрудняет получение состояния чистого напряжения сдвига при испытаниях образцов; Можно использовать тонкие цилиндрические образцы, но их производство дорого. Таким образом, геометрия образца выбрана с учетом простоты механической обработки и оптимизации напряженного состояния при нагрузке.

Помимо промышленных композитов, таких как полимеры, армированные стекловолокном , межслойная прочность на сдвиг является важным свойством натуральных материалов, таких как древесина. Например, длинная и тонкая форма половиц может способствовать деформации, приводящей к вибрациям.

Асимметричный четырехточечный изгиб

(вверху-внизу) Точечные силы, напряжения сдвига и моменты, действующие на асимметричный четырехточечный образец для испытаний на изгиб.

Асимметричный четырехточечный изгиб (AFPB) может быть выбран для измерения прочности на межламинарный сдвиг по сравнению с другими процедурами по ряду причин, включая обрабатываемость образца, воспроизводимость испытаний и доступность оборудования. Например, образцы сдвига с короткими балками ограничены определенным соотношением длины и толщины, чтобы предотвратить разрушение при изгибе, а распределение напряжения сдвига по образцу является неравномерным, и то и другое приводит к отсутствию воспроизводимости. Испытание рельсов на сдвиг также приводит к неоднородному напряжению сдвига, что делает его подходящим для определения модуля сдвига, но не прочности на сдвиг. Испытание Иосипеску требует специального оборудования в дополнение к роликовой установке, уже используемой для других испытаний на трех- и четырехточечный изгиб.

ASTM C1469 описывает стандарт для испытаний AFPB современных керамических соединений, и этот метод было предложено адаптировать для использования с композитами с непрерывной керамической матрицей . Прямоугольные образцы могут использоваться с выемками в центре или без них; добавление надрезов помогает контролировать положение разрушения по длине образца, но неправильная или несимметричная обработка может привести к добавлению нежелательных нормальных напряжений, которые уменьшают измеренную прочность. Затем образец нагружается на сжатие в испытательном приспособлении, при этом нагрузка прикладывается непосредственно к образцу с помощью 4 нагрузочных штифтов, расположенных в форме параллелограмма. Нагрузка, приложенная от испытательного приспособления, неравномерно передается на два верхних штифта; коэффициент нагрузки на внутренний штифт $P$ и нагрузка на внешний штифт $Q$ определяется как коэффициент загрузки $\lambda$, такой, что

${\frac {P}{Q}}={\frac {S_{2}}{S_{1}}}=\lambda$,

где $S_{1}$ и $S_{2}$ — длины от внутреннего штифта до приложенной точечной нагрузки и от внешнего штифта до приложенной точечной нагрузки соответственно. Нормальное напряжение в образце $\sigma _{xx}$ максимизируется в местах расположения внутренних штифтов и эквивалентно

$\sigma _{xx}={\frac {6(\lambda -1)FL}{(1+\lambda ^{2})bt}}$,

где $F$ – общая приложенная нагрузка на образец, $L$ длина выборки, $b$ - ширина образца (на странице, как показано на двумерной диаграмме свободного тела), и $t$ – толщина образца. Напряжение сдвига $\sigma _{xz}$ в образце максимизируется между внутренним пролетом штифтов и определяется выражением

$\sigma _{xz}={\frac {3(1-\lambda )F}{2(1+\lambda )bt}}$.

Отношение нормального напряжения к сдвиговому в образце $C$ дается

$C={\frac {\sigma _{xx}}{\sigma _{xz}}}={\frac {4L}{(1+\lambda )t}}$.

Это соотношение зависит как от коэффициента загрузки образца, так и от соотношения его длины и толщины; обе эти величины важны для определения характера разрушения образца при испытаниях.