книги / Механика разрушения. Быстрое разрушение, остановка трещин

102 Т. Кобаяси, Д. Дэлли

механики разрушения к исследованию динамического раз­ рушения.

Недавние исследования посвящены следующим вопросам: 1) измерениям трещиностойкости Кы на стадии инициирова­ ния трещины, основанным на определении коэффициента ин­ тенсивности напряжений К в момент, предшествующий ее старту; 2) определению трещиностойкости по отношению к

напряжений KD, когда величины К вычисляются на основе энергетического баланса согласно аналитической модели.

Чтобы прояснить многие детали, связанные с очень слож­ ными измерениями мгновенных величин К, наблюдаемых в течение распространения и остановки трещины, требуется экспериментальный метод, который давал бы наряду с /< распределение поля напряжений по всему образцу. Как по­ казано в пионерских работах Уэллса и Поста [2], а также Ирвина [3] и более поздних работах Кобаяси и др. [4—6], мгновенные величины К могут быть определены при помощи метода динамической фотоупругости. При таком подходе об­ разцы изготавливаются из пластин прозрачных материалов, обладающих двойным лучепреломлением, а значения К в процессе распространения и остановки трещины получаются по динамическим изохромам, регистрируемым при помощи многократной мгновенной фотосъемки.

В предлагаемой работе описаны результаты тщательного изучения методом динамической фотоупругости двух матери­ алов с целью получения их характеристик разрушения. Ис­ следованы материалы: гомалит-100, очень хрупкий поли­ эфирный материал, обычно применяемый при исследованиях методом динамической фотоупругости, и модифицированный эпоксид КТЕ, являющийся более вязким, но и более чувстви­ тельным к скорости, чем гомалит-100. Детально рассмотрены методики проведения экспериментов и обработки данных. Полученные результаты представлены в виде зависимостей К от скорости трещины в диапазоне /С, соответствующих стадии остановки трещины — нижний предел и стадии ветвления трещины — верхний предел.

ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ

Гомалит-100 [3] — прозрачный полиэфирный материал с двойным лучепреломлением — используется в фотоупругости в течение последних 20 лет, поскольку его несложно получить в виде больших листов с оптически качественной полирован­

Связь между скоростью трещины и коэффициентом интенсивности 103

ной поверхностью, и он не меняет свойств при длительном нагружении. Кларк и Сэнфорд [7], изучая оптическую по­ стоянную материала fa, показали, что она не зависит от ско­ рости нагружения. Динамическое поведение гомали- та-100 также рассматривали Кобаяси, Уэйд и Брэдли [8]; они показали, что этот материал является пригодным для фотоупругпх исследований распространения трещины. Он был выбран для исследования в связи с тем, что является поли­ мером, наиболее часто используемым в исследованиях, прово­ димых методом фотоупругости, а также потому, что это один из наиболее хрупких и доступных материалов с двойным лу­ чепреломлением.

Вторым характерным материалом в данном исследовании была модифицированная эпоксидная смола, содержащая три составляющих. Использовались эпоксидная смола марки Ероп828 и смола эпихлорогидрин/бисфенол А, низкого мо­ лекулярного веса (380), производства фирмы «Шелл Кеми­ кал Компани». Для полимеризации эпоксида было использо­ вано вулканизирующее вещество полиоксипропиленамин, из­ вестное под названием «Джефамин D-400» с молекулярным весом 400. Так как реакция была замедленной, то с целью сокращения времени вулканизации добавлялась присадка А-398. Использовались вулканизирующее вещество и присад­ ки производства фирмы «Джефферсон Кемикал Компани». Модифицированный эпоксид, названный КТЕ, изготавливался в виде листов путем литья в закрытую форму.

Механические свойства го.малита-100 и эпоксида КТЕ оп­ ределялись при проведении стандартных испытаний на рас­ тяжение на гидравлической машине с сервоуправленнем при скоростях деформации 50-10-6 с-1.

Статическая трещиностойкость обоих материалов измеря­ лась с использованием образца в виде двухконсольной балки переменной высоты (образец ДКБ) [9], показанного на рис. 1. Образец ДКБ подвергался нагреванию в испытатель­ ной машине при постоянной скорости перемещения захвата в направлении, поперечном к направлению трещины, при этом нагрузка Р и перемещение точек приложения нагрузки А регистрировались на двухкоординатном записывающем уст­ ройстве. Типичные кривые нагрузка — перемещение для об­ разцов ДКБ из гомалита-100 и эпоксида КТЕ показаны на

ОБН-ЦПН величина К увеличивалась с увеличением длины трещины, и скорость распространения трещины возрастала, достигая предельной скорости.

D

Рис. 5. Образцы с одним боковым надрезом, а — образец с центральным приложением нагрузки; б — образец с эксцентричным приложением нагруз­ ки; в — образец, нагруженный по линии трещины. Все размеры даны в дюймах. Исходная длина трещины составляла 1,5—2 дюйм в образцах ЦПН и ЭПН и 0,5 дюйм от края отверстия в образцах НЛТ.

Подобным же образом нагружался образец ОБН-ЭПН, за исключением того, что в этом случае пальцы перемещались к ближайшему краю образца. Это изменение в положении пальцев приводило к уменьшению К при увеличении длины трещины. Обычно трещина страгивалась с промежуточными