Zastosowanie badań dynamicznych do analizy mechanizmu pękania udarowego kompozytów warstwowych

• Autorzy: Hyla I. , Lizurek A.

Warianty tytułu

EN

Application of dynamic testing to the analysis of impact strength in laminates composites

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Polimerowe kompozyty włókniste, wykorzystywane w konstrukcjach inżynierskich w formie wielowarstwowych laminatów, charakteryzują się dużą wrażliwością na obciążenia udarowe. Obciążenia te, nawet wówczas gdy nie prowadzą do powstania złomu, powodują powstawanie w materiale mikropęknięć, co skutkuje spadkiem wytrzymałości laminatu. Zmieniają się w materiale zarówno wartości charakteryzujące jego wytrzymałość, jak również kinetyka rozwoju procesu zniszczenia. O odporności dynamicznej kompozytów włóknistych decyduje wiec nie tylko wartość udarności, ale również stosunek poszczególnych członów energii zniszczenia w czasie od momentu obciążenia aż do momentu zniszczenia materiału. Na te dwa elementy zatem zwrócono uwagę w badanych kompozytach. W prezentowanej pracy przedstawiono wyniki badań uzyskane dla kompozytu: żywica poliestrowa-włókna szklane, poddanego próbie trójpunktowego zginania dynamicznego. Badania realizowano przy wykorzystaniu oprzyrządowanego młota wahadłowego typu Charpy. Oprzyrządowanie młota pozwala rejestrować siłę zginającą i towarzyszące jej ugięcie próbki w bardzo małych przedziałach czasu, co umożliwia uzyskanie wykresu siła-odksztalcenie (rys. 1). Wykres ten ilustruje wydatek energii niezbędnej do zniszczenia próbki zarówno w obszarze odkształceń sprężystych (Ue), jak i w obszarze rozwoju nieodwracalnych zmian dekohezyjnych (Up). Uzyskane wyniki badań wykazały, że o udarności kompozytu, a także jego odporności na pękanie, decydujące znaczenie ma obok ilości włókien, przede wszystkim ich postać, w jakiej są wprowadzone do osnowy. Włókna ciągłe wprowadzone w formie tkaniny zapewniły znacznie większą udarność niż włókna krótkie wprowadzone w formie maty (rys. 2). Pozostaje to w ścisłym związku z kinetyką rozwoju zniszczenia kompozytu (rys. 3), o czym można również wnioskować na podstawie obrazu powstającego złomu. Analiza wpływu głębokości karbu nanoszonego na próbki wykazała (rys. rys. 4 i 5), że wraz ze wzrostem głębokości karbu zmniejsza się nie tylko odporność udarowa kompozytu, ale również zmienia się kinetyka rozwoju jego zniszczenia. W kompozytach zbrojonych tkaniną wpływ głębokości karbu uwidacznia się przede wszystkim w drugim członie całkowitej energii zniszczenia (tzn. w wielkości energii Up), natomiast w kompozytach zbrojonych matą obydwa człony całkowitej energii zniszczenia, tzn. zarówno energia Ue jak i Up, ulegają zbliżonej zmianie. Może stanowić to potwierdzenie faktu istnienia odmiennych warunków i możliwości rozwoju makropęknięć w obu typach zbrojenia. O ile przy zbrojeniu włóknem krótkim pęknięcie może rozwijać się tylko w osnowie i omijać włókna, to przy zbrojeniu włóknem ciągłym makrodefekt musi pokonać oprócz oporu osnowy również opór włókien.

EN

Fibrous polymer composites in the form of multilayer laminates show high sensitivity to any impact loads. Even if we assume that the loads do not lead to fracture they definitely cause microcracks formation, which in turn result in the loss of laminate strength. The strength values of the material as well as the kinetics of the destruction process undergo significant changes. Therefore the dynamic strength of fibrous composites is not only effected by impact strength value but also by the interrelation between elements of the destructive energy in the period between load initiation and the moment of material destruction. Therefore our studies on composites focused on the above problem. The paper presents test results obtained for the composite: polyester resin-glass fibres, which has been subjected to a three-point dynamic bending test. The tests have been performed with Charpy pendulum machine. The instrumentation of the machine enables to record the bending force and the sample deflection at very small time intervals. This helps obtain force-strain diagram (Fig. I). The diagram illustrates the amount of energy required for destruction of the sample both within elastic strain range (Ue) and the range of irreversible decohesive changes (Up). The results obtained indicated that the impact strength of the composite and its crack resistance strongly depend on the number of fibres and the form in which they are introduced into the matrix. Continuous filament introduced in the form of a woven fabric ensured better impact strength than short fibres introduced in the form of a mat (Fig. 2). This remains in close dependence with the kinetics of composite destruction process (Fig. 3). Such conclusions may be drawn from the image of the fracture. The analysis of the crack length (Figs 4 and 5) showed that the deeper the crack was the smaller the impact strength of the composite became but at the same time different kinetics of its destruction. In composites reinforced with a fabric the crack length effect is visible mainly in the second element of the total destructive energy (i.e. Up energy value). In composites reinforced with a mat both elements of the total destructive energy (i.e. Ue and Up) undergo similar change. This might prove the existence of different environment and different possibilities for microcrack development in both types of reinforcements. In case of short fibre reinforcement the crack can develop only in the matrix and avoid fibres. However at continuous fibre reinforcement the macrodefect has to overcome both resistance of the matrix and that of the fibres.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty; kompozyty warstwowe; pękanie; badania dynamiczne

EN

composites; laminates composites; strength; dynamic testing

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2002
• Tom: R. 2, nr 5
• Strony: 374--377
• Opis fizyczny: Bibliogr. 6 poz., wykr.

Twórcy

autor

Hyla I.

• Politechnika Ślaska, Wydział Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice

autor

Lizurek A.

• Politechnika Ślaska, Wydział Inżynierii Materiałowej, Metalurgii i Transportu, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice

Bibliografia

• [1] Hyla I., Beitrag zum Schädigungs - und Bruchverhalten von faserverstärkten Verbndwerkstoffen, Hutnictwo, ZN 33, Gliwice 1989.
• [2] Grellmann W., Seidler S., Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen, Springer Verlag 1998.
• [3] Hyla I., Metoda określania odporności na pękanie tworzyw polimerowych, Materiały Konferencyjne nt. Kompozyty i ich wykorzystanie w technice 2000.
• [4] Sumpter J.G.D., Turner C.E., Cracks and Fracture, ASTM STP 601, 1976.
• [5] Neimitz A., Mechanika pękania, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1998.
• [6] Hyla I., Myalski J., Zastosowanie dynamicznej całki J do określenia mechanizmów zniszczenia kompozytów, Sprawozdanie z BW-520/RM (praca niepublikowana).