Способ определения характеристки трещиностойкости материалов

Изобретение относится к исследованию процессов разрушения хрупких композитных материалов. Способ включает нагружение растягивающим усилием и доведение до разрушения образцов с искусственно созданной трещиной и идентичных образцов, не имеющих таковой трещины. После чего по величинам коэффициентов динамического упрочнения, полученным в результате испытаний образцов при различных скоростях нагружения, определяют критическую длину магистральной трещины. Изобретение направлено на повышение точности и достоверности определения критической длины магистральной трещины.

 

Заявляемое изобретение относится к исследованию процессов разрушения хрупких композитных материалов и может быть использовано при определении критической длины макротрещины, при которой дальнейшее увеличение растягивающей нагрузки, действующей перпендикулярно развивающейся магистральной трещине, приводит к неустойчивому ее развитию и окончательному разрушению образца материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ определения критической длины магистральной трещины путем испытания партии образцов с искусственно созданной трещиной, вдвое превышающей максимальный размер включений композитного материала, и партии образцов, не имеющих такой трещины. По величинам предельных напряжений определяют критическую длину трещины [а.с. № 819618, 1981 г. - прототип].

Недостатком способа является недостаточная точность и достоверность определения критической длины макротрещины ввиду того, что пределы прочности испытываемых образцов с искусственной трещиной и без нее определялись только при одной (стандартной) скорости нагружения. Однако вязкость разрушения и длина магистральной трещины зависят от скорости нагружения.

При испытании композитного материала, в частности бетона, полученное значение критической длины макротрещины по прототипу, равное максимальному размеру включений бетона и в 10 раз меньшее линейного размера образца, по которому развивалась трещина, не может считаться достоверным. Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что критическая длина трещины развивалась примерно до 1/2 и более размера сечения бетонного образца, что связано с торможением трещины при попадании ее на более прочный крупный заполнитель. Дальнейшее продвижение макротрещины происходило только при увеличении действующей на образец растягивающей нагрузки.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности и достоверности определения критической длины магистральной трещины.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения характеристики трещиностойкости материалов, включающем нагружение растягивающим усилием и доведение до разрушения образцов с искусственно созданной трещиной с длиной, превышающей не менее чем вдвое максимальный размер включений композитного материала и перпендикулярной этому усилию, и идентичных образцов, не имеющих таковой трещины, - по величинам коэффициентов динамического упрочнения, полученным в результате испытания образцов при различных скоростях нагружения определяют критическую длину магистральной трещины по следующей формуле:

где l_кр. - критическая длина макротрещины;

h - линейный размер образца (толщина или высота);

- функция, зависящая от формы образца и схемы испытания (растяжение);

а - длина искусственно созданной трещины;

К^/ _Д.У. - коэффициент динамического упрочнения образца с искусственно созданной трещиной;

К_Д.У. - коэффициент динамического упрочнения образца, не имеющего начальной искусственно созданной трещины.

Как известно, коэффициент динамического упрочнения показывает отношение предела прочности образца, полученной при максимальной скорости нагружения (т.е. при которой рост прочности прекращается), к пределу прочности, полученному при минимальной (ниже стандартной) скорости нагружения (т.е. при которой прочность минимальная). Использование вместо предела прочности, определяемого только при одной (стандартной) скорости нагружения, коэффициента динамического упрочнения позволяет более точно определить момент старта макротрещины (минимальная прочность при самой низкой скорости нагружения) и момент достижения образцом предельного механического состояния, т.е. разрушения (максимальная прочность при максимальной скорости нагружения), что является новым техническим эффектом заявляемого способа, повышает точность и достоверность полученных результатов.

Чем больше разница в прочностях, полученных на образцах с искусственной трещиной и без нее, или чем меньше К^/ _Д.У./К_Д.У., тем выше чувствительность материала к образованию трещины и тем меньше ее критическая длина. Чем больше К^/ _Д.У./К_Д.У., тем меньше материал чувствителен к образованию макротрещины и тем больше ее критическая длина l_кр..

Способ осуществляют следующим образом.

Изготавливают две партии идентичных образцов, в частности бетона, в одной из которых выполняют искусственную трещину путем установки специальной пластины в процессе изготовления образца или посредством надреза специальным диском с алмазным покрытием после окончания твердения и набора прочности материала. При этом, размер искусственной трещины а не менее чем в 2 раза превышает максимальный размер включений композитного материала d_max, а отношение длины трещины к высоте сечения образца a/h равно 0,2-0,4. Размеры образца превосходят d_max не менее чем в 10 раз. Испытание двух партий образцов проводят растягивающей нагрузкой в широком диапазоне скоростей нагружения. С увеличением скорости нагружения прочность образцов бетона возрастает до некоторой величины. Дальнейшее увеличение скорости нагружения не приводит к росту прочности в связи с отсутствием роста трещины.

По полученным значениям прочностей определяют коэффициент динамического упрочнения в каждой партии образцов, а по ним находят критическую длину магистральной трещины.

Пример конкретного выполнения.

Образцы-балочки размером 100×100×400 мм изготавливали из бетона состава 1:1,8:3,65 и В/Ц=0,51. Максимальный размер гранитного заполнителя d_max=10 мм. В качестве вяжущего использовали портландцемент марки «500». Искусственную трещину выполняли алмазным диском после затвердения образца длиной а=40 мм и толщиной 2 мм. Таким образом, отношение длины трещины к высоте сечения образца a/h, по которому будет развивалась магистральная трещина составило 0,4.

Испытания растягивающей нагрузкой проводили на двух партиях образцов (с надрезом и без него) со скоростями нагружения от 10^-7 м/с до 10^-1 м/с. Определяли средние значения пределов прочности при различных скоростях нагружения. Для каждой партии образцов находили коэффициенты динамического упрочнения, которые составляли: К^/ _Д.У.=1,1 и К_Д.У.=1,8. Значение функции - для краевой трещины в случае растяжения составляет 1,12. В соответствии с предложенной формулой критическая длина магистральной трещины l_кр. составила 68 мм, т.е. более половины размера сечения бетонного образца. Таким образом, в бетоне, являющемся грубонеоднородным материалом, образовавшаяся магистральная трещина постоянно встречает на своем пути более прочный крупный заполнитель с площадью сечения в несколько раз превышающей размер (ширину раскрытия) трещины. Это способствует замедлению разрушения и увеличению критической длины макротрещины.

Способ определения характеристики трещиностойкости материалов, включающий нагружение растягивающим усилием и доведение до разрушения образцов с искусственно созданной трещиной длиной, превышающей не менее чем вдвое максимальный размер включений композитного материала и перпендикулярной этому усилию, и идентичных образцов, не имеющих таковой трещины, отличающийся тем, что по величинам коэффициентов динамического упрочнения, полученным в результате испытаний образцов при различных скоростях нагружения, определяют критическую длину магистральной трещины по следующей формуле:

где l_кр. - критическая длина макротрещины;

h - линейный размер образца (толщина или высота);

- функция, зависящая от формы образца и схемы испытания (растяжение);

а - длина искусственно созданной трещины;

К^/ _Д.У. - коэффициент динамического упрочнения образца с искусственно созданной трещиной;

К_Д.У. - коэффициент динамического упрочнения образца, не имеющего начальной искусственно созданной трещины.