Kumulace poškození termoplastického laminátu C/PPS při cyklickém zatížení a jeho posuzování Jiří Minster, Martin Šperl, ÚTAM AV ČR, v. v. i., Praha Jaroslav Lukeš, FS ČVUT v Praze
Motivace a obsah přednášky
Vztah poškození (degradace vlastností) prvku s jeho životností Kumulace poškození termoplastického laminátu C/PPS při cyklickém zatížení Využití mikroindentace ke sledování lokálních vlastností matrice Závěr
Metody předpovědi životnosti materiálů, konstrukčních prvků a systémů
Požadavky uživatele: bezpečnost , vhodnost, trvanlivost, spolehlivost, cena Typ a rozsah možných zatížení Požadavky na chování z hlediska mechaniky, fyziky, chemie,… Typ použitých materiálů
Trvanlivost (durability)
Praktický inženýrský přístup: schopnost prvku vzdorovat mechanickému porušení, chemické degradaci a vlivům jiných objektů v určitém časovém intervalu za příslušných podmínek zatížení a stanovených účinků okolí (tj. odolnost spojená s dlouhodobým užitím prvku bez oprav).
Spolehlivost (reliability) Spolehlivost je pravděpodobnost, že určitá věc bude vykonávat požadovanou funkci bez poruchy za daných podmínek po předem stanovenou dobu. Spolehlivost zahrnuje použití mnoha disciplin: statistiku, pravděpodobnost, materiálové inženýrství, strukturní analýzu, otázky návrhu konstrukčního prvku nebo systému (rozdíl závisí na kontextu) a další.
Návrh materiálu
Předběžné (krátkodobé nebo zrychlené) zkoušky až do porušení pro určení typu extrémní degradace a jejího mechanismu.
Degradační mechanismy a faktory, které je ovlivňují (struktura kompozitu) Nejvýznamnější indikátory poškození (ovlivňují pevnost nebo tuhost prvku)
Ultrazvuk, vibrometrie, změna drsnosti povrchu, transparentnost, analýza impaktních spekter, šířen vln atd.
Vlivy stárnutí Porušení (failure): konec schopnosti prvku vykonávat požadovanou funkci
Kompozit – materiál nebo integrovaná struktura
δ
- charakteristická délka inkluze RVE - representativní objemový element v okolí bodu P s char. dimensí d d* - char. dimense objemu beze změny vlastností homogenizační podmínka δ « d < d* D – char. rozměr konstrukčního prvku d*« D (pro d*≈ D, jde o strukturu)
Zkoušení
Návrh a provedení předběžných (předpovědních) zkoušek životnosti Návrh a provedení dlouhodobých zkoušek životnosti za reálných podmínek Posouzení shody výsledků Matematické modely pro předpověď životnosti
Kdy zkoušet a kolik vzorků 1. 2.
3.
v průběhu návrhové etapy v průběhu výroby nebo konstrukce v průběhu provozní fáze Jednotlivé prvky 10-1000 jedn. Subsystémy 10-30 jedn. Kompletní systémy 1-10 jedn.
dané podmínky vliv výroby výrobní vady náhodné vady stadium C
(t)
Rychlost porušování
A infant mortality výrobní vady
B safe usage náhodné (vrozené) vady
0 0
(t )
Nf N 0 .t
time
C wear out opotrebení únava
Typy porušení
pro zatížení statické, dynamické, cyklické
ztráta nosnosti ztráta stability tečení (creep) vznik trhliny, trhlin drcení koroze
nadměrná deformace poškození povrchu (spalling) oděr obroušení opotřebení účinky okolí
Účinky okolí
vlhkost, spodní voda, vlhčení a vysoušení kyselost nebo zásaditost, pH soli teplotní vlivy mrznutí/tání creep UV záření požár galvanická koroze
Akcelerované zkoušení
1.
2.
3.
Hodnocení kumulace poškození na životnost bývá časově i finančně náročné. Proto: Experiment se provede pouze do prvé poruchy nebo poruchy části vzorku Jako akcelerační faktor se použije zvýšené zatížení (síla, teplota, vlhkost, …) Pokud vzorky nejsou drahé, použijí se destruktivní zkoušky
Motivace pro sledování únavové životnosti
přednosti termoplastických kompozitů: vyšší rázová odolnost, výborná tolerance vnitřního poškození, nízká absorpce vody a vynikající dielektrické vlastnosti nevýhody: vyšší lisovací tlaky i teploty, nutnost fixace každé jednotlivé vrstvy, nižší pevnost v tlaku nebo únavová životnost
Materiál
materiálová specifikace: AIMS 05-09-002 (viz Airbus, 2007); uhlíková tkanina satinové vazby + polyfenylensulfidová matrice (C/PPS); 0[0/45/0/-45/45/0/45/0]0
Experimentální program
(i) měření pevnosti v tahu na proužcích (ii) měření Youngova modulu vzorků pomocí zkoušek na tříbodový ohyb (iii) únavové míjivé tahové zatěžování vzorků s amplitudami různé velikosti vzhledem k tahové pevnosti (až do porušení vzorku) (iv) měření Youngova modulu v průběhu přestávek cyklického zatěžování (v) posouzení okamžitých a vazkopružných lokálních mechanických vlastností matrice v závislosti na počtu cyklů
Měření Youngova modulu tří-bodovým ohybem
C/PPS 003
pfs 006 y=44.05 y=44.85 E [GPa] 1. load. 1. unload. 2. load. 2. unload.
46
47
0 cycles 289800 c 560700 c 741960 c
46 45
E [GPa]
E [GPa]
45
44 43
44
42 43 -1000
-800
-600
-400
w [m]
-200
0
41 -1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 w [m]
0
Pokles relativní hodnoty Youngova modulu s počtem cyklů 1.00
index E(c)/E(0)
0.95 0.90 CMX sp.2, max = 76,3 % Rm sp.3, max = 80,2 % Rm sp.5, max = 81,0 % Rm sp. zk4, max = 85,0 % Rm
0.85 0.80 0.75 0
0.2x10
6
0.4x10
6
0.6x10
6
number of cycles
0.8x10
6
1.0x10
6
Lokální mechanické vlastnosti matrice
vzorek bez únavového zatížení (vz.0, modrý), s 5040 cykly (vz.8, zelený) a s 745200 cykly (vz.3, červený) reálná a imaginární část dynamického modulu pružnosti matrice nezávislost na frekvenci dynamické složky přitěžování v rozsahu 1-180 Hz nezávislost na výběru místa mikroindentace
Youngův modul matrice
pro kontaktní hloubky s konstantními mechanickými vlastnostmi
Nezávislost na frekvenci dynamické složky přitěžování v rozsahu 1-180 Hz
-1
viscoelastic compliance D(t) [GPa ]
Vazkopružná poddajnost matrice 0.15 sp. 0 sp. 3 sp. 8
0.13 0.11 0.09 0.07 1
10
100
1000
time t [s]
D(t) (sp.8)/D(t) (sp.0)~0,98; D(t) (sp.3)/D(t) (sp.0)~0,89
Typy porušení
obdélníkové vzorky a vzorky „psí kost“
Únavová křivka
Závěr
Pro hodnocení kumulace poškození, tj. degradace vlastností materiálu, konstrukčního prvku, konstrukce či systému lze použít širokou škálu metod a technik. Srovnáním výsledků standardního postupu měření poklesu tuhosti termoplastického laminátu s výsledky lokální mikroindentační analýzy bylo prokázáno, že okamžité i časově závislé mechanické vlastnosti matrice lze pro hodnocení únavové životnosti použít jako indikátor poškození.
Děkuji za pozornost
