Введение коротких углеродных волокон (КУВ) способно значительно повышать усталостные свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ). ПКМ используются в тяжелых условиях, где кроме механических свойств, также важны и функциональные, например, антифрикционные. Для этого в композит дополнительно вводятся специальные функциональные добавки, которые, однако, могут значительно ухудшить структуру ПКМ, и, как следствие, его сопротивление усталости. При этом оценка демпфирования является распространенным подходом для исследования сопротивления усталости материалов, в том числе полимерных композитов. Однако в литературе представлено недостаточное количество работ, в которых устанавливается взаимосвязь структуры ПКМ с сопротивлением усталости и демпфирующими свойствами. Объектом исследования были композиты на основе полиэфиримида (ПЭИ), армированные молотыми углеродными волокнами длиной 200 мкм с аспектным соотношением AR=20. В качестве антифрикционной добавки использован политетрафторэтилен (ПТФЭ) со средним размером частиц 3 мкм. Массовая доля компонентов в составе исследованных композитов была следующей: в двухкомпонентном композите «ПЭИ/КУВ»: 90 % ПЭИ + 10 % КУВ; в трёхкомпонентном «ПЭИ/КУВ/ПТФЭ»: 80 % ПЭИ + 10 % КУВ + 10 % ПТФЭ. Целью исследования было установление корреляционных связей «состав-структура-свойства» при усталостных испытаниях указанных композитов с использованием параметров петель механического гистерезиса. Усталостные испытания проведены на сервогидравлической испытательной машине при контроле нагрузки и максимальном напряжении в цикле i) 35, ii) 45 и iii) 55 МПа для трехкомпонентного антифрикционного композита ПЭИ/КУВ/ПТФЭ, а также i) 55, ii) 65 и iii) 75 МПа для двухкомпонентного композита ПЭИ/КУВ. Форма импульса нагружения – синусоидальная с коэффициентом асимметрии цикла R=0, т.е. минимальное напряжение во всех испытаниях было принято нулевым. В процессе усталостных испытаний чередовались два блока: i) основной блок нагружения с частотой 5 Гц и ii) измерительные блоки (циклы) для регистрации параметров петель гистерезиса с частотой нагружения 1 Гц. Во время измерительных циклов проводилась запись данных нагрузки, а также фотосъемка поверхности образца для оценки деформации и построения петель механического гистерезиса. По полученным петлям определялись следующие параметры: площадь петли, изменение динамического модуля и развитие циклической ползучести. Коэффициент демпфирования (потерь) ψ определялся как отношение площади петли гистерезиса к площади упругой энергии деформации. По результатам исследования проведена аттестация усталостных свойств антифрикционного композита ПЭИ/КУВ/ПТФЭ, а также даны рекомендации по их повышению.

Исследование посвящено установлению характерных особенностей сигналов акустической эмиссии (АЭ) при развитии усталостной трещины в поле остаточных напряжений, предварительно созданном лазерной ударной (ЛУ) обработкой. Этот метод заключается в формировании поля остаточных напряжений путем высокомощного короткоимпульсного лазерного воздействия и генерации в материале упруго-пластической волны. В результате такого воздействия структура материала в поверхностном слое претерпевает изменения, которые влияют не только на возможности зарождения и развития усталостной трещины, но и характеристики АЭ в процессе циклического деформирования. В ходе работы серия образцов из титанового сплава ВТ6 подвергалась ЛУ воздействию в зоне концентратора напряжений с целью замедления зарождения и развития усталостной трещины. Далее обработанные образцы испытывались в условиях циклического деформирования для демонстрации эффективности выбранного режима ЛУ упрочнения. На исследуемых образцах в процессе испытаний регистрировались длина трещины методом падения электрического потенциала и сигналы АЭ. На основе полученных экспериментальных данных был проведен кластерный анализ сигналов АЭ, в результате которого было показано, что сигналы АЭ явно разделяются на два кластера, что может свидетельствовать о наличии двух доминирующих источников, качественно отражающих два преобладающих механизма разрушения. Было показано, что на образцах после ЛУ обработки величина кумулятивной энергии сигналов АЭ в каждом из кластеров значительно выше по сравнению с базовыми образцами до момента начала активного роста усталостной трещины. Таким образом, в результате ЛУ обработки наблюдаются значительные изменения в эволюции сигналов АЭ в процессе циклического деформирования образцов из титанового сплава Вт6 с боковым полукруглым надрезом. Это косвенно свидетельствует о том, что ЛУ обработка оказывает влияние на структурные характеристики материала, создавая поле остаточных напряжений и продлевая усталостный ресурс образцов.

Разработан и верифицирован новый неразрушающий метод количественного описания накопления повреждений в зоне концентрации напряжений при малоцикловой усталости. Созданный подход основан на эволюции диаметра пластической вмятины, вызванной контактным взаимодействием сферического индентора и плоской поверхности алюминиевого образца, на различных этапах малоцикловой усталости. Вдавливание закаленного стального шарика выполняется в непосредственной близости от контура сквозного отверстия в плоском прямоугольном образце. Научная новизна предлагаемого подхода заключается в том, что в качестве текущих индикаторов повреждаемости используются величины трех параметров, связанных с контактной вмятиной, которые получены на основе прямых физических измерений методом спекл-интерферометрии. Для регистрации картин интерференционных полос используется самый простой вариант оптической схемы. На первом этапе показана высокая степень корреляции функций накопления повреждений, построенных с использованием параметров, которые связаны с перемещениями контура отпечатка Сравнение аналогичных данных, полученных с помощью известного разрушающего подхода и предложенного метода, дает уникальную возможность количественного сравнения результатов двух типов. Это вытекает из того факта, что сопоставляемые данные получены на противоположных поверхностях одного и того же образца с одинаковым уровнем поврежденности. После регистрации картин интерференционных полос, вызванных вдавливанием стальной сферы на одной из внешних сторон образца, на противоположной поверхности того же образца визуализируются интерферограммы, которые генерируются нанесением искусственного надреза при постоянной внешней нагрузке. Величины параметров механики разрушения, которые служат в качестве текущих параметров повреждаемости, определятся для набора образцов на различных этапах малоцикловой усталости. Зависимости этих параметров от количества циклов нагружения позволяют получить явный вид функции накопления повреждений. Такие же функции получены ранее на основе эволюции параметров пластического отпечатка. Сравнение данных двух типов выявляет их высокую корреляцию. Данный факт доказывает надежность неразрушающего метода анализа накопления повреждений на основе вдавливания сферического индентора.

В работе представлены результаты экспериментальных исследований деформирования, акустической эмиссии и накопления микроповреждений в тканевом углепластике полотняного переплетения при циклическом растяжении вдоль нитей основы. Измерения деформаций проведены с помощью оптического экстензометра, обеспечивающего точное позиционирование образца вдоль направления нагружения. Программа нагружения предусматривала до 100 циклов растяжения с коэффициентом асимметрии R=0,1 с последующим дорывом. Все образцы выдержали программу предварительного циклического нагружения. Максимальные значения напряжений в циклах соответствовали 25…90% от статического предела прочности. Выявлено, что в процессе циклического растяжения происходит одностороннее накопление деформаций (циклическая ползучесть). Накопленная деформация немонотонно зависит от максимального напряжения в цикле, возрастая до 600 МПа и снижаясь при больших напряжениях. Анализ кинетики деформирования в циклах выявил рост касательного модуля, что связано, очевидно, с распрямлением волокон. При дорыве отмечено повышение на 5-10% остаточной прочности в сравнении с пределом прочности при однократном нагружении. Явления акустической эмиссии происходят как в полуциклах растяжения, так и в полуциклах разгрузки, эффект Кайзера не наблюдается. Циклические испытания при температуре 80С показали резкое снижение числа акустических событий и исчезновение событий в средних диапазонах частот. Это связано с тем, что нагрев приводит к снижению остаточных технологических напряжений в элементах мезоструктуры тканевого композита, вызывая изменения в процессе возникновения микроповреждений поперек волокон и на сдвиг в местах переплетения нитей основы и утка. Разрушение образцов во всех случаях происходит при достижении продольными деформациями величины 1,50±0,06%. Это может служить основой для прогнозирования прочности при других программах циклического нагружения.

В работе исследуется влияние предварительных динамических воздействий на изменение остаточных прочностных и усталостных характеристик тканевого композита с использованием современного испытательного и диагностического оборудования. Предложена новая методика испытаний слоистых композитов, заключающаяся в проведении предварительного низкоскоростного удара падающим грузом с последующим циклическим сжатием. Проведены серии испытаний на удар падающим грузом в широком диапазоне энергии с последующим квазистатическим и циклическим сжатием поврежденных слоистых стеклопластиковых пластин. Получены опытные зависимости остаточной статической прочности и усталостной долговечности от энергии предварительного динамического воздействия. Выявлено существование порогового значения энергии предварительного удара падающим грузом, ниже которого предварительное динамическое воздействие не оказывает влияния на остаточные механические характеристики. На основе ранее разработанных моделей и их модификаций проведена аппроксимация экспериментальных данных об остаточных свойствах композита. Отмечена высокая описательная способность предложенных моделей. Кинетика процесса разрушения при квазистатическом сжатии проанализирована на основе данных, полученных с применением бесконтактной оптической видеосистемы VIC-3D и метода корреляции цифровых изображений. Отмечен неоднородный характер распределения полей деформаций на поверхности поврежденных образцов. Данные ультразвукового сканирования позволили провести оценку развития эксплуатационных повреждений, образованных в результате предварительных поперечных низкоскоростных ударов. Установлена связь между энергией динамического воздействия, остаточными механическими характеристиками и характерным размером зоны повреждения. Выявлена нелинейность полученных зависимостей. Сделан вывод о необходимости исследования механического поведения полимерных композитов в условиях комбинированных воздействий для обеспечения надежности и безопасности ответственных конструкций.

В настоящей работе представлен обзор накопленного опыта разработки и реализации принципов имитационного моделирования при прогнозировании остаточной долговечности элементов конструкций при их проектировании и эксплуатации в соответствии с концепцией допускаемой повреждаемости. Сформулированные принципы предполагают сохранение накопленной поврежденности в процессе состоявшейся эксплуатации элементов конструкций в качестве наследственности истории их нагружения. Предложенная последовательность реализации развиваемого подхода включает анализ напряженно-деформированного состояния поврежденного элемента конструкции, разработку и обоснование геометрии и условий нагружения в эксплуатации, а также экспериментальную верификацию и валидацию путем испытаний имитационных моделей. Объектами анализа выступали лопатки и вращающиеся диски паровых турбин и авиационных двигателей. Представлены конфигурации и условия нагружения предложенных имитационных моделей, воспроизводящих состояние критических зон элементов конструкций. Рассмотрены сочетания условий сложного напряженного состояния, формы дефекта, рабочей температуры и профиля эксплуатационного цикла деформирования. Получены численные решения для наиболее сложных ситуаций моделирования поведения поверхностных несквозных дефектов при сочетании смешанных мод деформирования отрывом, продольным и поперечным сдвигом. Достигнутые результаты оценки остаточной долговечности отнесены к составу оригинальных испытательных устройств и методов.