» » Изменение напряжений при разрушении прозрачных полимеров
24.12.2014

Для измерения напряжений, возникающих в прозрачных диэлектриках при действии импульса лазера, целесообразно использовать поляризационно-оптический метод определения напряженных состояний. Этот метод позволяет получать изображение силового поля в определенной области материала и оценить абсолютные величины напряжений в прозрачных средах, которые становятся двулучепреломляющими под действием нагрузки.
В работе исследовано действие луча лазера в режиме свободной генерации на эпоксифтамал (эпоксидную смолу) полиметилметакрилат (органическое стекло), целлулоид, силикатное стекло К-8 и прозрачный ситалл. Установка позволяла проследить картину развития напряженной зоны и регистрировать распространение волн напряжений с временным разрешением 2*10в6 сек в балочках сечением 3X7 мм2 и длиной 200/250 мм. При нагружении на торцевую поверхность образца в ней можно было ожидать появления плосконапряженного состояния. Импульс сфокусированного вблизи поверхности излучения лазера образует каверну, окруженную трещинами, имеющими форму лепестков. Наблюдаемые остаточные напряжения приближенно симметричны относительно каверны и визуалируются с помощью поляризационной системы в форме четырех эллипсов, ориентированных в соответствии с поглощением плоской поляризации.
Скоростное, фотографирование показывает различие в характере разрушения отличающихся по своим свойствам прозрачных диэлектриков. В неоднородных материалах центрами разрушения являются местные включения или очаги теплового разложения вещества. Возникновение напряжений вследствие повышения давления в газовых пузырьках проявляется в виде локальных напряженных зон, имеющих форму четырех центросимметричных лепестков. Усиление поглощения в очагах разрушения и рост вещества увеличивают размеры зон напряжения до полного их перекрытия. Расширение напряженных зон происходит скачкообразно в соответствии с пульсациями излучения, и через несколько сотен микросекунд от начала облучения нагруженным оказывается весь объем образца. Одновременно в месте наибольших напряжений в фокусе линзы у поверхности образца развивается каверна, видимая как темная область разрушенного материала. Такая картина характерна для эпоксидной смолы.
В целлулоиде образуется большое число мелких трещин, зарождающихся на неоднородностях материала. В процессе роста этих трещин происходит их смыкание и выкрашивание образца. Рост трещин наблюдается в течение нескольких часов после облучения.
В хрупких материалах (стекло, полиметилметакрилат, ситалл) образуются крупные трещины и сколы, в том числе лицевой и тыльный отколы, что свидетельствует о волновой природе образования трещин в результате интерференции волн напряжений. В образовании каверны на входной поверхности участвуют также термоупругие напряжения вследствие сильного нагрева вещества излучением. Рост каверны происходит скачкообразно по мере смыкания отдельных трещин. При этом наблюдается задержка начала образования каверны от момента начала импульса, составляющая 150/200 мксек. Этот эффект связан с накоплением поглощенной энергии в облучаемом объеме, развитием термонапряжений и ростом давления в газовых пузырьках.
Фотохронограммы формирования волн напряжений вблизи зоны разрушения показывают, что в этой области регулярные волны еще не сформировались, а наблюдается интерференция большого числа волн напряжений, затрудняющая их расшифровку. Установившаяся волновая картина возникает на расстоянии 50/60 мм от места нагружения при энергии луча около 150 дж. Каждой упругой волне соответствует одна-—две мелких полосы, отвечающих амплитуде напряжений.
Определенный экспериментально временной интервал между отдельными волнами (5/10 мксек) хорошо коррелирует с частотой следования отдельных пичков излучения. Упругие волны от каждого пичка начинают распространяться примерно через 5 мксек после его воздействия на образец, что характеризует инерционность передачи импульса давления от испаренного малого объема к твердой стенке. Постоянство угла наклона полос, определяющих напряжения в упругой волне и неизменность расстояния между ними, свидетельствуют о движении волн с установившимися скоростью и распределением давления. Скорости распространения волн напряжений, вычисленные по фотохронограммам, соответствуют 1420 м/сек для эпоксидной смолы и 2800 м/сек — для стекла, что совпадает со скоростями звука в этих материалах.
Знак напряжений, возникающих при действии луча, определялся путем фокусирования луча на растянутую поверхность изогнутой балки. Полосы равных растягивающих напряжений при этом изгибались в сторону развивающейся каверны, т. е. величина растягивающих напряжений уменьшилась при сложении с напряжениями, возникающими при действии светового импульса. При дальнейшем распространении волн напряжения за нейтральной полосой изгиб полос равного напряжения происходит от каверны, т. е. в области сжатия сложение возникающих при действии светового импульса и статистических напряжений приводит к увеличению амплитуды. Таким образом, луч лазера вызывает появление сжимающих напряжений.
Амплитуда давлений оценивалась по порядку полос в волне от действия отдельного пичка излучения. Получено, что величина касательных напряжений тmax составляет для эпоксидной смолы 20 кГ/см2, на небольших расстояниях от каверны возрастает при приближении к ней, как 1/R, т. е. волна является сферической. На стенке каверны давление равно пределу прочности материала, внутри каверны давление значительно больше.
Анализ остаточных напряжений показывает, что после действия луча возникает радиально-симметричное сжатие. По величине остаточные напряжения наибольшие в эпоксифтамиле, в полиметилметакрилате они меньше на несколько порядков.
Область остаточных напряжений во много раз больше зоны пластической деформации вблизи каверны, т. е. происходит частичное закрепление в материале упругих напряжений при действии нагрева от источника напряжений (луча лазера).