ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Анализ м икр ом еханизм ов разрушения композиционных материалов на основании фрактографических и структурных исследований из "Процессы разрушения композиционных материалов " Структурно-имитационное моделирование на ЭВМ процессов разрушения композитов опирается на определенные представления об отдельных актах микроразрушения, их последовательности и взаимодействии. Эти представления складываются в первую очередь на основе экспериментального изучения структурных изменений в материалах на разных стадиях нагружения, а также на основании фрактографического анализа, т.е. анализа поверхностей разрушения как композита в целом, так и его отдельных компонентов. Информацию о кинетике накопления повреждений получают также путем регистрации сигналов акустической эмиссии, малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (в полимерных композитах) и другими экспериментальными методами [90, 91, 95, 172, 181, 184, 185]. [c.19] Развитие процесса разрушения на микроструктурном уровне предопределяется в первую очередь наличием разброса прочностных свойств армирующих волокон, который, как правило, сопутствует и в ряде случаев является неизбежным следствием их высокой средней прочности. При нагружении композита разрушение отдельных волокон может происходить уже на ранних стадиях деформирования. В зависимости от соотношения упругих и пластических свойств компонентов, от их объемных долей и укладки, от прочности связи между ними разрушение отдельных волокон может или локализоваться, не вызывая окончательного разрушения материала, или инициировать развитие макроразрушения. [c.20] Далее при анализе перераспределения напряжений будет показано, что с увеличением объемных долей волокон увеличивается перегрузка волокон, соседних с разрушившимися [75]. Это приводит к увеличению вероятности их последующих разрывов. Учет динамических эффектов, сопутствующих перераспределению напряжений, объясняет возможность дробления волокон на отрезки, значительно меньшие критической длины [117,166]. В целом, структурный анализ показывает,что макроразрушение бороалюминия, полученного методом горячего прессования [107], определяется взаимодействием таких Микромеханизмов, как разрушение волокон в дефектных местах и разрушение волокон в результате перегрузок, вызванных перераспределением напряжений. [c.20] Анализ поверхностей разрушения образцов углеалюминия, а также поверхностей разрушившихся волокон, проведенный А.А. Заболоцким [135], позволил представить последовательность отдельных актов разрушения. Например, среди разрушившихся волокон можно выделить волокна, разрушение которых произошло раньше других (гладкая поверхность разрушения с относительно крупными дефектами) (рис. 3,д) высокопрочные волокна, разрушение которых произошло значительно позднее других (неровная фибриальная поверхность разрушения) (рис. 3,6)-, волокна, разрушение которых произошло в результате прорастания в них трещин из матрицы (гладкая поверхность разрушения с небольшими дефектами на фоне плоского участка макроизлома) (рис. 3,в) [135]. [c.21] В целом фрактографический анализ показывает, что развитие разрушения углеалюминия, полученного методом принудительной пропитки, определяется такими микромеханизмами, как разрушение отдельных волокон, отслоение разрушившихся волокон от матрицы, разрушение матрицы между волокнами, разрушение волокон от перегрузок, перерезание волокон трещинами, развивающимися в матрице (рис. 4). [c.22] Микроструктурный анализ, проведенный в работах B. . Ивановой и др., выявил эффект многошеечности , при котором в волокнах развиваются одновременно несколько шеек [54-56, 59, 143]. Бьш установлен также эффект пластифицирования волокон, при котором волокна в композите показьшают значительно большее удлинение до разрушения, чем в свободном состоянии [58, 229]. [c.24] Начало образования шейки в пластичном волокне можно рассматривать как случайное явление, аналогичное разрушению хрупкого волокна. Как и в композитах с хрупкими волокнами, развитие шейки в пластичном волокне сопровождается и даже предопределяется, перераспределением напряжений. Актуальность исследования этих эффектов связана не только с определенными достижениями в создании металлических деформируемых композитов [61], но и с появлением гибридных композитов, в которых совместно работают и хрупкие, и пластичные волокна [169]. [c.24] Развитие разрушения композиционных материалов при действии постоянной растягивающей нагрузки. Одним из наиболее перспективных материалов дня работы при высоких температурах являются направленно кристаллизованные эвтектические композиционные материалы (НКЭ КМ). Принцип термодинамического равновесия составляющих, на основе которого построены НКЭ КМ, обеспечивает прочную связь на полукогерентной границе раздела фаз. Более того, одна из фаз кристаллизующаяся в форме волокон или mia THHi обладает совершенной структурой и по свойствам приближается к нитевидным кристаллам. В силу этого в НКЭ КМ реализуется оптимальная для композиционных материалов ситуация армирующая фаза с высокой прочностью, регулярное и ориентированное расположение этой фазы,идеальное сопряжение с матрицей и, как следствие, высокая стабильность структуры при температурах, близких к эвтектическим. [c.24] Примером таких материалов, предназначенных для лопаток ГТД, является сплав типа ota -744, матрица которого состоит из твердого раствора Ni, Со, Сг, легированного высоким содержанием W и упрочненного у -фазой сложного состава зА1. Волокна представляют собой карбиды Nb (Hf, W, V) С с объемной долей Vf 0,06 [66]. [c.24] Микро структурные исследования, проведенные И.Л. Светловым и Н.П. Абалакиным [128], показали, что окончательному разрушению материала, испытываемого на ползучесть и длительную прочность, предшествует развитие пластических деформаций в матрице и дробление или фрагментация волокон на отрезки примерно одинаковой длины (рис. 5). [c.24] Приложенной нагрузки, например возрастает с увеличением нагрузки [128]. Изменение величины зоны фрагментации характеризует качественное изменение характера накопления повреждений в зависимости от режимов испытания. [c.25] Наряду с накоплением повреждений на микроструктурном уровне при длительных испытаниях существенную роль играют процессы накопления повреждений внутри отдельных к рмпонентов и на их границах. Микроструктурные исследования выявляют также такие морфологические изменения в самих волокнах и на их границах, как появление поперечных дефектов упаковки и образование зубцов на нитевидных кристаллах (рис. 6). Скорость этих процессов, по-видимому, лимитируется скоростью фазового превращения у + МеС — у + МсазСб, которая, в свою очередь, является функцией температуры и времени испытания. [c.25] Разрушение отдельных компонентов с течением времени обусловлено накоплением повреждений в них на субмикроструктурном уровне. В частности, в работах по исследованию разрушения полимерных композитов показано, что разрушению армирующих волокон предшествует накопление субмикротрещин сначала преимущественно на их границах, а затем в самих волокнах [160, 161]. В рамках данной монографии не рассматриваются механизмы разрушения на субмикроструктурном уровне. Отметим лишь, что они могут эффективно моделироваться на ЭВМ путем применения представлений о термоактивационном характер ре образования зародышевых субмикротрещин [62,136,138]. [c.25] Отсутствие анализа конкретных механизмов накопления повреждений внутри отдельных компонентов можно частично компенсировать учетом изменения прочностных свойств компонентов и их связи с течением времени, т, е. в процессе длительных испытаний. [c.25] Развитие процессов разрушения композита при действии постоянной растягивающей нагрузки в общем случае определяется наряду с такими микромеханизмами, как разрушение отдельных волокон и отслоение их от матрицы, еще и процессами ползучести и релаксации напряжений в матрице, а также процессами разупрочнения компонентов и их связи как в результате физико-химического взаимодействия, так и в результате накопления повреждений на y6MHKpo fpyKTypnoM уровне. [c.26] Особенности усталостного разрушения композиционных материалов. В развитии разрушения композитов при действии циклических нагрузок выявляется особая роль поверхностей раздела компонентов, которые, как правило, представляют собой эффективные препятствия для микротрещин, возникающих как при усталостном разрушении отдельных волокон, так и при появлении усталостных повреждений в матрице. [c.26] Идея о возможности торможения трещин поверхностями раздела компонентов, по-видимОму, впервые была высказана и путем расчетов полей напряжений в вершине трещины доказана авторами работы [233]. Механизм этого торможения заключается в том, что поле напряжений в вершине трещины, приближающейся к поверхности раздела, может вызвать ее частичное разрушение, т.е. образование поры или трещины в направлении, поперечном развитию основной трещины. В свою очередь, эта пора является ловушкой, которая затупляет попавшую в нее трещину. [c.26] Милейко и В.М. Анищенкова [2, 105], в которых наряду с исследованием механизмов усталостного разрушения бороалюминия исследовались механизмы усталостного разрушения слоистого материала, полученного в результате диффузионной сварки пакета тонких фольг из алюми-ниево-магниевого сплава (6% Mg). [c.26] Таким образом, при анализе микромеханизмов разрушения в ряде случаев следует исходить не из усредненных характеристик прочности границ раздела компонентов, а учитывать неоднородность их связи, возможный островковый ее характер, а также учитывать наряду с усталостными свойствами отдельных компонентов возможность накопления субмикроповреждений на их границах, т.е. учитывать как бы усталостные свойства поверхностей раздела. [c.28] Вернуться к основной статье