Приложение Н (справочное). Анализ методов испытаний по определению параметра стойкости к коррозии в напряженном состоянии

Приложение Н
(справочное)

Анализ методов испытаний по определению параметра стойкости к коррозии в напряженном состоянии

Н.1 Введение

В данном стандарте описывается несколько методов испытаний, которые можно использовать для определения параметра стойкости к коррозии в напряженном состоянии оптического волокна из стекла. Целью данного приложения является описание данного механического параметра и демонстрация связи между результатами, полученными при помощи разных методов испытаний.

Н.2 Рост трещины (процесс разрыва волокна)

Многомодовые волокна типов А1, А2, А3с и одномодовые волокна категории В изготавливают из кварцевого стекла, состоящего из кольцевых тетраэдральных образований . Механические связи такого типа разрушаются при нагрузке в 20 ГПа (то есть инертная прочность, без роста трещины). Концентрация напряжений на концах трещины приводит к разрушению волокна при меньших нагрузках [1]. Такая концентрация напряжений характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений

,

(Н.1)

где - геометрический коэффициент;

а - глубина трещины;

- величина прилагаемой нагрузки.

Разрушение происходит при достижении критического значения , составляющего приблизительно 0,8 МПа [2], [3]. Для полуэллиптической или полукруговой трещины = 1,24 [2]. Отсюда видно, что существует однозначная связь между глубиной трещины и разрывным усилием.

На практике разрыв происходит при гораздо меньших значениях разрывного усилия, чем следующих из соотношения глубины трещины и разрывного усилия. Более того, разрывное усилие для оптического волокна зависит от времени. Это объясняется ростом трещин вследствие химической реакции в напряженном состоянии, разрушающей связи. Экспериментальные условия, особенно вода, являются важным фактором, влияющим на рост трещин (da/dt). Коррозия кварцевого стекла, вызванная напряжением, обычно описывается степенной зависимостью, где скорость роста трещины v равна , где А - масштабный коэффициент скорости роста трещины, a n - параметр стойкости к коррозии в напряженном состоянии [1]. В моделях надежности волокна данная степенная зависимость часто используется [5], что показывает важность определения величины n. Эта величина может зависеть от специфических характеристик стекловолокна и/или его оболочки [6], [7], [8], [9].

При испытаниях волокна методами, описанными в данном стандарте, тестируются сравнительно небольшие длины волокна, в результате чего получают данные по коррозии в напряженном состоянии, имеющие распределение внутренней прочности.

На практике наличие микротрещин в волокне (то есть распределение внешней прочности ниже распределения внутренней прочности) приводит к разрушению волокна. Поэтому для расчета срока службы волокна следует использовать параметр стойкости к коррозии в напряженном состоянии этих микротрещин. Вследствие того, что данный параметр очень тяжело определить, в настоящее время используется коррозия, вызванная напряжением, имеющая распределение внутренней прочности. Оправданность такого подхода была показана в экспериментах с волокном, изношенным трением, где видно, что данный выбор отображает даже наихудшую ситуацию. Значение n для волокна, изношенного трением, оказалось выше, чем для распределения внутренней прочности [5], [10], [11], [12], [13].

H.3 Типы методов испытаний по определению стойкости к коррозии в напряженном состоянии

Значение параметра стойкости к коррозии в напряженном состоянии стандартного оптического стекловолокна обычно находится в пределах 17 - 40, большее значение свидетельствует о более медленном росте трещин. Различия в значениях параметра объясняются различиями в способах измерения. На практике применяют два вида испытаний: статические и динамические. Данные испытания описаны в следующих приложениях настоящего стандарта:

- динамические испытания:

приложение А: определение динамической величины n с помощью растяжения;

приложение В: определение динамической величины n с помощью двухточечного изгиба;

- статические испытания:

приложение С: определение статической величины n с помощью растяжения;

приложение D: определение статической величины n с помощью двухточечного изгиба;

приложение Е: определение статической величины n с помощью равномерного изгиба.

Как указано в представленных методах испытаний, данные испытания проводят в стандартных комнатных условиях. Результаты этих испытаний не должны использоваться для расчетов надежности в условиях отличных от стандартных.

Для сравнения двух групп испытаний на усталость возможно для испытания на динамическую усталость перевести историю нагружения в "эффективное" статическое время до разрыва [14].

Для испытания на растяжение записывают в виде

(Н.2)

при , где - скорость изменения напряжения и динамическая усталостная прочность , где - динамическое время до разрыва.

В данном уравнении подразумевается, что все параметры роста трещины являются постоянными величинами. Для других методов испытания, в которых усилие не измеряется напрямую (то есть волокно подвергают растяжению или изгибу), данные должны быть преобразованы в значения усилия (см. [14]). В этом случае динамическая усталостная прочность может быть представлена в виде графика зависимости (log/log) от эффективного времени до разрыва таким же образом, как и при испытании на статическую усталость.

Н.4 Сравнение значений n, полученных с помощью различных методов

В испытании по круговой системе, проводимом в Европе [14], используют почти все методы испытаний по определению усталости под воздействием нагрузки. Результаты приведены на рисунке Н.1, где показано колебание измеренных значений разрывного усилия. В зависимости от метода испытаний результаты изменяют свое значение по вертикальной оси из-за разницы в эффективной поверхности сердцевины испытуемого волокна (длины и геометрии).

"Рисунок Н.1 - Результирующие графики зависимости предела прочности при разрыве от времени при проведении испытаний по круговой системе"

На рисунке Н.2 приведены результаты, скорректированные для данных различий в поверхности сердцевины волокна [8], [14], что приводит к меньшему разбросу значений "эффективного" разрывного усилия. Графики коррозии в напряженном состоянии, описываемой степенной зависимостью, представляют собой прямые линии (постоянное значение n) при изображении времени до разрыва и прикладываемой нагрузки по координатным осям в логарифмическом масштабе. Рисунок Н.2 показывает, что значение разрывного усилия постепенно снижается с увеличением времени до разрыва; одновременно угол наклона уменьшается (n увеличивается). Это возможно происходит из-за влияния времени на поверхность сердцевины волокна; это может быть вызвано затуплением трещины [13], [15], что сопоставимо по значению с коррозией под воздействием нагрузки [16]. Некоторые исследователи даже предполагают наличие усталостного предела [12], [17].

На рисунке Н.2 можно увидеть две основные группы испытаний - динамические и статические испытания. Испытания на динамическую усталость обычно проводят за короткие промежутки времени, уменьшенные до еще более коротких эффективных промежутков времени в сочетании с высоким значением прочности на разрыв. В основном по результатам данных испытаний получают меньшие значения параметра стойкости к коррозии в напряженном состоянии . Статические испытания требуют несколько больших затрат времени и соответственно меньших прикладываемых нагрузок; по результатам данных испытаний получают большие значения .

Н.5 Заключение

При сравнении результатов различных методов испытаний на усталость можно перевести динамическое время до разрыва в эффективное статическое время до разрыва и наоборот. Более того, величина разрывного усилия должна быть скорректирована в соответствии с эффективной поверхностью сердцевины испытуемого волокна.

После данных коррекций видно, что параметр стойкости к коррозии в напряженном состоянии не является постоянной величиной при изменяющемся эффективном времени до разрыва (см. рисунок Н.2). Это в общих чертах описывает различия между динамическими и статическими методами испытаний на усталость.

"Рисунок Н.2 - Результирующие графики зависимости предела прочности при разрыве от времени при проведении испытаний по круговой системе"