Расслоение материалов: причины, виды и методы обнаружения.

Введение

Режим разрушения, при котором материал расслаивается на слои.

Деламинация – это режим разрушения, при котором материал расслаивается на слои. Различные материалы, включая ламинатные композиты и бетон, могут разрушаться посредством деламинации. Технологические процессы могут создавать слои в материалах, таких как сталь, полученная прокатом, и пластики и металлы, изготовленные методом 3D-печати, которые могут разрушаться из-за разделения слоев. Кроме того, поверхностные покрытия, такие как краски и пленки, могут отделяться от покрываемого основания. В ламинированных композитах адгезия между слоями часто нарушается первой, что приводит к разделению слоев. Например, в волокноармированных пластиках листы с высокой прочностью (например, углеродное волокно, стекловолокно) связаны вместе более слабой полимерной матрицей (например, эпоксидной смолой). В частности, нагрузки, приложенные перпендикулярно слоям с высокой прочностью, и сдвиговые нагрузки могут приводить к разрушению полимерной матрицы или к отслаиванию волокнистого армирования от полимера. Деламинация также возникает в армированном бетоне при коррозии металлической арматуры вблизи поверхности. Окисленный металл имеет больший объем, что создает напряжения при ограничении бетоном. Когда напряжения превышают прочность бетона, могут образовываться трещины и распространяться, соединяясь с соседними трещинами, вызванными коррозией арматуры, образуя плоскость разрушения, проходящую параллельно поверхности. После развития плоскости разрушения бетон на поверхности может отделиться от основания. Технологические процессы могут создавать слои в материалах, которые могут разрушаться посредством деламинации. В бетоне поверхности могут отслаиваться из-за неправильной отделки. Если поверхность выравнивается и уплотняется при помощи кельмы, в то время как нижний слой бетона выделяет воду и воздух, плотный верхний слой может отделиться от поднимающейся воды и воздуха. В сталях прокатка может создавать микроструктуру, при которой микроскопические зерна ориентированы в плоские слои, которые могут расслаиваться. Простукивание хорошо подходит для обнаружения крупных дефектов в плоских композитных панелях с сотовой структурой, в то время как тонкие ламинаты могут иметь небольшие дефекты, которые не обнаруживаются на слух. Использование звука также субъективно и зависит от качества слуха и опыта инспектора. Любые преднамеренные изменения в детали также могут изменять тон производимого звука, влияя на инспекцию. Некоторые из этих изменений включают перекрытия слоев, изменение количества слоев, изменение плотности сердцевины (если используется) и геометрию. В армированном бетоне целые участки будут звучать плотно, в то время как участки с деламинацией будут звучать пусто. Простукивание больших бетонных конструкций проводится либо молотком, либо с помощью цепного устройства для горизонтальных поверхностей, таких как проезжая часть мостов. Проезжая часть мостов в странах с холодным климатом, где используются противогололедные соли и химические вещества, часто подвержена деламинации и, следовательно, обычно планируется для ежегодной инспекции с помощью цепного устройства, а также последующего ремонта поверхности.

Delamination is a mode of failure where a material fractures into layers. A variety of materials, including laminate composites and concrete, can fail by delamination. Processing can create layers in materials, such as steel formed by rolling and plastics and metals from 3D printing which can fail from layer separation. Also, surface coatings, such as paints and films, can delaminate from the coated substrate. In laminated composites, the adhesion between layers often fails first, causing the layers to separate. For example, in fiber reinforced plastics, sheets of high strength reinforcement (e. g., carbon fiber, fiberglass) are bound together by a much weaker polymer matrix (e. g., epoxy). In particular, loads applied perpendicular to the high strength layers, and shear loads can cause the polymer matrix to fracture or the fiber reinforcement to debond from the polymer. Delamination also occurs in reinforced concrete when metal reinforcements near the surface corrode. The oxidized metal has a larger volume causing stresses when confined by the concrete. When the stresses exceed the strength of the concrete, cracks can form and spread to join with neighboring cracks caused by corroded rebar creating a fracture plane that runs parallel to the surface. Once the fracture plane has developed, the concrete at the surface can separate from the substrate. Processing can create layers in materials which can fail by delamination. In concrete, surfaces can flake off from improper finishing. If the surface is finished and densified by troweling while the underlying concrete is bleeding water and air, the dense top layer may separate from the water and air pushing upwards. In steels, rolling can create a microstructure when the microscopic grains are oriented in flat sheets which can fracture into layers. Tap testing is well suited for finding large defects in flat panel composites with a honeycomb core whereas thin laminates may have small defects that are not discernible by sound. Using sound is also subjective and dependent on the inspector's quality of hearing as well as judgement. Any intentional variations in the part may also change the pitch of the produced sound, influencing the inspection. Some of these variations include ply overlaps, ply count change gores, core density change (if used), and geometry. In reinforced concretes intact regions will sound solid whereas delaminated areas will sound hollow. Tap testing large concrete structures is carried about either with a hammer or with a chain dragging device for horizontal surfaces like bridge decks. Bridge decks in cold climate countries which use de icing salts and chemicals are commonly subject to delamination and as such are typically scheduled for annual inspection by chain dragging as well as subsequent patch repairs of the surface.

Испытания на деламинацию покрытия

ASTM предоставляет стандарты для испытаний адгезии покрытий, которые позволяют оценить устойчивость красок и покрытий к отслаиванию от основы. Методы испытаний включают в себя решетчатый надрез, испытание скребком и метод отрыва.

Испытание прочности на межпластинчатое переломы

Прочность на разрушение – это характеристика материала, описывающая сопротивление распространению трещин и расслоению. Она обозначается критическим коэффициентом интенсивности напряжений или критической скоростью выделения энергии деформации. Для однонаправленных волокноусиленных полимерных композитных ламинатов ASTM предоставляет стандарты для определения прочности на разрушение типа I и прочности на разрушение типа II межслойной матрицы. Во время испытаний регистрируются нагрузка и перемещение для анализа и определения скорости выделения энергии деформации методом соответствия. Скорость выделения энергии деформации в терминах соответствия выражается следующим образом:

где – изменение соответствия (отношение ), – толщина образца, а – изменение длины трещины.

Режим I прочность на межпластиковые переломы

ASTM D5528 определяет геометрию образца двойного консольного балки (DCB) для определения трещиностойкости при режиме I. Для измерения прочности на межслойный сдвиг было предложено несколько методик испытаний, включая испытание на сдвиг короткой балки, испытание Иосипеску, испытание на сдвиг по рельсам и асимметричное четырехточечное изгибание. Цель каждого из этих испытаний – максимизировать отношение напряжения сдвига к растягивающему напряжению в образце, способствуя разрушению посредством расслоения интерфейса волокна-матрицы, а не за счет растяжения или выпучивания волокон. Ортотропная симметрия волокнистых композиционных материалов затрудняет получение чистого напряжения сдвига при испытании образцов; можно использовать тонкие цилиндрические образцы, но их изготовление обходится дорого. Поэтому геометрия образца выбирается с учетом простоты обработки и оптимизации напряженного состояния при нагружении. Помимо искусственных композитов, таких как полимеры, армированные стекловолокном, прочность на межслойный сдвиг является важным свойством и для природных материалов, таких как древесина. Например, удлиненная и тонкая форма половых досок может способствовать деформации, приводящей к вибрациям.