Расслоение - Delamination

Для расслоения в геологии см. Расслоение (геология). О расслоении в эмбриологии см. Эмбриогенез.

Расслоение полимер, армированный углеродным волокном под сжимающей нагрузкой.

Расслоение это режим отказа, когда материал переломы в слои. Разнообразие материалов, включая ламинат композиты^[1] и конкретный может выйти из строя из-за расслоения. Обработка может создавать слои в таких материалах, как стали образована прокатка^[2][3] и пластмассы и металлы из 3D печать^[4][5] которые могут выйти из строя из-за разделения слоев. Также поверхность покрытия такие как краски и пленки, могут отслаиваться от подложки с покрытием.

В ламинированный композиты, адгезия между слоями часто нарушается, что приводит к разделению слоев.^[6] Например, в пластик, армированный волокном, листы высокопрочной арматуры (например, углеродное волокно, стекловолокно ) связаны между собой гораздо более слабой полимерной матрицей (например, эпоксидная смола ). В частности, нагрузки, прикладываемые перпендикулярно к высокопрочным слоям, и нагрузки сдвига могут вызвать разрушение полимерной матрицы или отслоение волоконной арматуры от полимера.

Расслоение также происходит в железобетон когда металлическая арматура (например, арматура) вблизи поверхности корродирует.^[7] Окисленный металл имеет больший объем, что приводит к возникновению напряжений в бетоне. Когда напряжения превышают прочность бетона, могут образовываться и распространяться трещины, чтобы соединиться с соседними трещинами, вызванными коррозией арматурного стержня, создавая плоскость излома, идущую параллельно поверхности. Как только плоскость излома сформировалась, бетон на поверхности может отделиться от основания.

Обработка может привести к образованию слоев в материалах, которые могут разрушиться из-за расслоения. В конкретный, поверхности могут отслаиваться из-за неправильной отделки. Если поверхность обработана и уплотняется затиркой, в то время как нижележащий бетон стекает водой и воздухом, плотный верхний слой может отделиться от воды и воздуха, толкая вверх.^[8] В стали, прокатка может создать микроструктуру, когда микроскопические зерна ориентированы в виде плоских листов, которые могут расколоться на слои.^[2] Кроме того, некоторые методы 3D-печати (например, Плавленое осаждение ) формирует детали слоями, которые могут расслаиваться во время печати или использования. При печати термопластов методом наплавления охлаждение горячего слоя пластика, нанесенного на холодный слой подложки, может вызвать изгиб из-за дифференциального теплового сжатия и разделения слоев.^[4]

Методы проверки

Существует несколько методов неразрушающего контроля для обнаружения расслоения в конструкциях, включая: визуальный осмотр, испытание отводом (т.е. зондирование), УЗИ, рентгенография, и инфракрасное изображение.

Визуальный осмотр полезен для обнаружения отслоений на поверхности и краях материалов. Однако визуальный осмотр может не выявить расслоение материала без разрезания материала.

Тестирование постукиванием или зондирование включает в себя легкие удары по материалу молотком или твердым предметом, чтобы обнаружить расслоение на основе полученного звука. В ламинированных композитах чистый звонкий звук указывает на хорошо склеенный материал, тогда как более глухой звук указывает на наличие расслоения из-за дефекта, смягчающего удар.^[9] Тестирование постукиванием хорошо подходит для обнаружения крупных дефектов в плоских композитных панелях с сотовой сердцевиной, в то время как тонкие ламинаты могут иметь небольшие дефекты, которые нельзя различить по звуку.^[10] Использование звука также является субъективным и зависит от качества слуха инспектора и его суждения. Любые преднамеренные изменения в детали могут также изменить высоту производимого звука, что повлияет на проверку. Некоторые из этих вариаций включают перекрытие слоев, изменение количества прослоек слоев, изменение плотности сердцевины (если используется) и геометрию.

В армированном бетоне неповрежденные участки будут звучать твердыми, а отслоенные - пустотелыми.^[11] Испытания на протекание больших бетонных конструкций проводятся либо с помощью молотка, либо с помощью цепного тянущего устройства для горизонтальных поверхностей, таких как настилы мостов. Настилы мостов в странах с холодным климатом, в которых используются противообледенительные соли и химикаты, обычно подвержены расслоению, и поэтому их обычно планируют ежегодно осматривать путем перетаскивания цепи, а также для последующего ремонта поверхности.^[12]

Методы испытаний сопротивления расслоению

Испытания на расслоение покрытий

Основная статья: Проверка адгезии краски

ASTM предоставляет стандарты для проверка адгезии краски который обеспечивает качественные показатели устойчивости красок и покрытий к отслоению от подложки. Тесты включают в себя испытание на поперечный разрез, адгезию со скобами,^[13] и испытание на отрыв.^[14]

Испытание на вязкость межслойного разрушения

Вязкость разрушения это свойство материала, которое описывает сопротивление разрушению и расслоению. Обозначается критическим коэффициент интенсивности напряжений ${\displaystyle K_{c}}$ или критический скорость высвобождения энергии деформации ${\displaystyle G_{c}}$.^[15] Для однонаправленного армированного волокном полимера ламинат композиты, ASTM предоставляет стандарты для определения режим I вязкость разрушения ${\displaystyle G_{IC}}$ и режим II вязкость разрушения ${\displaystyle G_{IIC}}$ межслойной матрицы.^[16][17] Во время тестов нагрузка ${\displaystyle P}$ и смещение ${\displaystyle \delta }$ записывается для анализа с целью определения скорости выделения энергии деформации из метод соответствия. ${\displaystyle G}$ с точки зрения соответствия дается

${\displaystyle G={\frac {P^{2}}{2B}}{\frac {dC}{da}}}$(1)

куда ${\displaystyle dC}$ изменение соответствия ${\displaystyle C}$ (соотношение ${\displaystyle \delta /P}$), ${\displaystyle B}$ - толщина образца, а ${\displaystyle da}$ - изменение длины трещины.

Вязкость при межслойном изломе режима I

Схема образца деформированной двухкантилеверной балки.

Стандарт ASTM D5528 определяет использование геометрии образца с двойной консольной балкой (DCB) для определения вязкости межслойного разрушения в режиме I.^[17] Образец балки с двойной консолью создается путем помещения антипригарной пленки между армирующими слоями в центре балки перед отверждением полимерной матрицы для создания начальной трещины длиной ${\displaystyle a_{0}}$. Во время испытания образец нагружается с растяжением со стороны конца исходной трещины балки, открывающей трещину. Используя метод податливости, критическая скорость выделения энергии деформации определяется как

${\displaystyle G_{IC}={\frac {3P_{C}\delta _{C}}{2Ba}}}$(2)

куда ${\displaystyle P_{C}}$ и ${\displaystyle \delta _{C}}$ являются максимальной нагрузкой и смещением соответственно, определяя, когда кривая прогиба нагрузки стала нелинейной с линией, проведенной от начала координат с увеличением податливости на 5%. Как правило, уравнение 2 переоценивает вязкость разрушения, потому что две консольные балки образца DCB будут иметь конечное вращение в трещине. Конечное вращение можно скорректировать, вычислив ${\displaystyle G}$ с чуть более длинной щелью с длиной ${\displaystyle a+\Delta }$ давая

${\displaystyle G_{IC}={\frac {3P_{C}\delta _{C}}{2B(a+\Delta )}}}$(3)

Коррекция длины трещины ${\displaystyle \Delta }$ можно рассчитать экспериментально, построив аппроксимацию методом наименьших квадратов кубического корня из соответствия ${\displaystyle C^{1/3}}$ по сравнению с длиной трещины ${\displaystyle a}$. Исправление ${\displaystyle \Delta }$ - абсолютное значение точки пересечения по оси x. Вязкость разрушения также можно скорректировать с помощью метода калибровки соответствия, где ${\displaystyle G_{IC}}$ данный

${\displaystyle G_{IC}={\frac {nP_{C}\delta _{C}}{2Ba}}}$(4)

куда ${\displaystyle n}$ наклон подбора наименьших квадратов ${\displaystyle log(C)}$ против. ${\displaystyle log(a)}$.

Вязкость при межслойном изломе режима II

Схема испытания на изгиб кромки надреза.

Вязкость межслойного разрушения по режиму II может быть определена с помощью испытания на изгиб с надрезом по краю, указанного в стандарте ASTM D7905.^[16] Образец готовится аналогично образцу DCB с образованием начальной трещины длиной ${\displaystyle a_{0}}$ перед отверждением полимерной матрицы. Если испытание проводится с исходной трещиной (метод без трещин), предполагаемая вязкость разрушения ${\displaystyle G_{Q}}$ дан кем-то

${\displaystyle G_{Q}={\frac {3mP_{max}^{2}a_{0}^{2}}{2B}}}$

куда ${\displaystyle B}$ - толщина образца и ${\displaystyle P_{max}}$ максимальная нагрузка и ${\displaystyle m}$- подгоночный параметр. ${\displaystyle m}$ определяется по результатам экспериментов методом наименьших квадратов соответствия ${\displaystyle C}$ в зависимости от длины трещины в кубе ${\displaystyle a^{3}}$ с формой

${\displaystyle C=A+ma^{3}}$.

Кандидатская вязкость разрушения ${\displaystyle G_{Q}}$ равна вязкости разрушения по моде II ${\displaystyle G_{IIC}}$ если скорость выделения энергии деформации попадает в определенный процент от ${\displaystyle G_{Q}}$ при различной длине трещин, указанной в ASTM.

Рекомендации

1. Cantwell, W.J .; Мортон, Дж. (1991). «Ударопрочность композитных материалов - обзор». Композиты. 22 (5): 347–362. Дои:10.1016 / 0010-4361 (91) 90549-В.
2. Bramfitt, B.L .; Мардер, А. Р. (1977). «Исследование поведения расслоения очень низкоуглеродистой стали». Металлургические операции A. 8 (8): 1263–1273. Дои:10.1007 / bf02643841. ISSN  0360-2133.
3. Доган, Мизам (2011). «Отслоение разрушения стальных одноугловых профилей». Анализ технических отказов. 18 (7): 1800–1807. Дои:10.1016 / j.engfailanal.2011.04.009.
4. «Разделение и разделение слоев». Prusa3D - 3D-принтеры от Йозефа Пруши. 2019-01-04. Получено 2019-05-03.
5. Бариль, Клаудиа; Касавола, Катерина; Кацзато, Альберто (18.09.2018). «Акустическая эмиссия деталей, напечатанных на 3D-принтере, при испытании на расслаивание в режиме I». Материалы. 11 (9): 1760. Дои:10.3390 / ma11091760. ISSN  1996-1944. ЧВК  6165299. PMID  30231488.
6. Висном, М. Р. (28 апреля 2012 г.). «Роль расслоения в разрушении композитов, армированных волокном». Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 370 (1965): 1850–1870. Дои:10.1098 / rsta.2011.0441. ISSN  1364-503X. PMID  22431760.
7. Li, C.Q .; Zheng, J. J .; Lawanwisut, W .; Мельчерс, Р. Э. (2007). «Расслоение бетона из-за коррозии стальной арматуры». Журнал материалов в гражданском строительстве. 19 (7): 591–600. Дои:10.1061 / (ASCE) 0899-1561 (2007) 19: 7 (591). ISSN  0899-1561.
8. «CIP 20 - Отслоение затертых бетонных поверхностей» (PDF). Национальная ассоциация готовых бетонных смесей NRMCA. 4 мая 2019.
9. "DOT / FAA / AR-02/121: Руководство по анализу, испытаниям и неразрушающему контролю композитных многослойных конструкций, поврежденных ударом" (PDF). Март 2003 г.
10. «Ограничения тестирования отводом». carbonbikerepair.com.au. Получено 2019-05-16.
11. ASTM ASTM D4580 / D4580M - 12: Стандартная практика измерения отслоений в бетонных настилах мостов путем зондирования, Вест Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2018
12. Ахмади, Хоссейн (декабрь 2017 г.). Старение, осмотр и обслуживание бетонного настила моста (Кандидатская диссертация). Университет Толедо.
13. ASTM D2197-98: Стандартный метод испытаний на адгезию органических покрытий путем склеивания, Вест Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 1998
14. ASTM D4541-17: Стандартный метод испытания прочности покрытий на отрыв с использованием портативных тестеров адгезии, Вест Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2017
15. Зендер, Алан (2012). Механика разрушения. Springer. ISBN  9789400725959. OCLC  905283457.
16. ASTM D7905 / D7905M - 14: Стандартный метод испытаний для определения прочности на межслойное разрушение в режиме II однонаправленных композитов с полимерной матрицей, армированных волокном, Вест Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2014
17. ASTM D5528-13: Стандартный метод испытаний для определения вязкости межслойного разрушения в режиме I для композитов с полимерной матрицей, армированной однонаправленным волокном, Вест Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, 2014