ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механика взаимодействия компонентов при деформировании композиционных материалов и накоплении в них повреждений из "Процессы разрушения композиционных материалов " Совместное д ормирование волокон и матрицы. В задачах о совместном деформировании компонентов рассматриваются композиты с непре-рьшными или длинными волокнами, предполагается, что в исследуемой области не происходит перераспределения осевых напряжений между волокнами и матрицей, и анализируется распределение напряжений только в поперечном направлении. Распределение радиальных и окружных напряжений в компонентах композиционного материала исследовалось теоретически и экспериментально многими исследователями. [c.29] Наиболее корректный анализ простых моноволОконных моделей приводится в работах [216, 238, 246], анализ композита с регулярной структурой приводится, например, в работе [94], и в целом вопросы совместного деформирования компонентов достаточно подробно рассмотрены в некоторых монографиях и сборниках [85]. [c.29] В ряде работ [55, 56] высказывалось мнение о том, что возникновение напряжений, обжимающих волокна (при деформировании композитов с металлическими матрицами), может оказать существенное влияние на развитие процесса разрушения. Это мнение основано на экспериментально установленном эффекте увеличения деформации до разрушения как у пластичных, так и у хрупких материалов при наличии в них сложного напряженного состояния, в частности, при сжатии их в направлении, поперечном приложению основной разрушающей нагрузки [19,153]. [c.29] Расчет для конкретного композиционного материала -. магниево-литиевого сплава (Mg-8%Li), армированного стальной проволокой У8А, показал, что в случае деформационно-неупрочняющейся матрицы величины напряжений обжатия составляют десятые доли от предела текучести матрицы, и ранее делались выводы, что они не могут оказать существенного влияния на свойства волокон [123]. Однако появление гибридных композиционных материалов, в которых параллельно работают, например, и борные, и стальные волокна, заставляет несколько изменить это мнение. Разрушение борных волокон в гибридных композитах в ряде случаев наступает при больших деформациях, чем в обычном бороалюминии [169]. [c.30] Этот эффект не имеет пока удовлетворительного объяснения. Можно предположить, что армирование стальными проволоками приводит к увеличению эффективной жесткости алюминиевой матрицы, В свою очередь, это приводит к возрастанию напряжений обжатия борных волокон настолько, что увеличивается их деформация до разрушения. Предварительные расчеты показывают реальность этих предположений, в частности, эффект увеличения деформации до разрушения волокон достигается при гибке листов бороалюминия с наложением поперечных сжи-маюцщх напряжений [20,70]. [c.30] Взаимодействие микромеханизмов разрушения приводит к ситуациям, когда волокна нагружаются силами трения, например при отслоении разрушившихся волокон от матрицы. При описании напряженного, состояния в общем случае возникают существенные -трудности, и, как правило, при анализе перераспределений в осевом направлении не учитьшается взаимодействие компонентов в поперечном направлении. Но представления о напряжениях обжатия волокон и информация об их величинах оказываются весьма полезными при оценке сил трения, возникающих на границах компонентов при развитии процессов расслоения. [c.30] Другой фундаментальный подход к анаиизу распределения напряжений в области концевых участков волокон основан на численных методах механики деформируемых сред, в частности на методе конечных элементов [217, 218, 222, 268]. Применение этого метода к задачам о концентрации напряжений в целом открывает широкие возможности, позволяет анализировать модели композитов с любыми геометрическими параметрами, с компонентами различной жесткости, с различными видами нагружения [30]. Но, как и в экспериментальных подходах, численные расчеты, как правило, приводят к неопределенности, связанной с нереально высокими значениями напряжений в локальных областях, прилегающих непосредственно к местам разрьшов. [c.31] Разнообразные модели, применяемые для получения аналитических зависимостей, описываюпщх распределение напряжений в композите с разрушенными или дискретными волокнами, можно классифицировать как по типу напряженного состояния (НС), которое учитывается моделью (трехмбрные (I), двумерные (П), одномерные (Ш)), так и по форме исследуемых объектов (линейные (а), плоские (б), объемные (в)) (рис.9). [c.31] В моделях, учитывающих трехмерность напряженного состояния, рассматривалось цилиндрическое волокно или погруженное в бесконечный континуум матрицы [263, 274], или окруженное цилиндрической матрицей [206] (см, рис. 9,1). Эти модели, как правило, являются громоздкими и малоинформативными. Значительно большая информация была получена с помощью двухмерных плоских моделей (см. рис. 9,2). Но решения, учитывающие двухосность напряженного состояния в компонентах [154], как правило, служат для оценки правомерности применения упрощающих гипотез, согласно которым вьщеляются жесткие элементы, работающие на растяжение, и более мягкие, работающие на сдвиг [112]. [c.31] Принципы построения и анализ одномерных моделей приводятся в главе 2. Отметим лишь, что их использование позволяет исследовать довольно широкий круг вопросов, например учесть влияние жесткости компонентов [163, 255], их объемных долей [237], укладки волокон [253, 258], пластических [252] и вязкоупругих [257, 271] свойств матрицы на распределение напряжений как в разрушившихся, так и в соседних с ними волокнах [127]. [c.32] В рамках одномерных моделей открывается возможность исследования и динамических эффектов, сопровождающих перераспределение напряжений при разрыве.волокон в композите [167]. Модели, учитывающие динамику перераспределения напряжений, рассматриваются в главе 3. [c.32] Применение вероятностных методов к исследованию процессов разрушения композитов с волокнами, имеющими существенный разброс прочностных свойств, обусловлено внутренней структурой этих материалов. Статистические теории прочности композитов, как правило, опираются на развитые В.А. Вейбуллом [27] представления о существовании статистического распределения механических свойств отдельных структурных элементов материала. [c.33] Следует отметить, что еще раньше вероятностные методы использовались при определении условий перехода металла от упругого состояния в пластическое с учетом разброса пределов текучести его отдельных зерен [270, 271]. При статистических оценках кратковременной прочности материалов наиболее часто применяется гипотеза разрушения по слабейшему звену, которая легла в основу подходов, развитых Я.И. Френкелем и Т.А. Конторовой [71], В.В. Болотиным [18] и другими исследователями, давшими объяснение некоторых аспектов прочности твердых тел в частности масштабного эффекта с вероятностных позиций [170, 194 226 ]. [c.33] Статистика накопления повреждений и вероятность развития магистральных треищи. На раннем этапе работ по композиционным материалам исследователей больше привлекал этап накопления повреждений, или кумулятивное разрушение. Предполагалось, что при дроблении волокон может быть реализована чрезвычайно высокая прочность коротких участков волокон. [c.33] В основу многих исследований бьши положены зависимости, полученные Даниэльсом [235] и Колеманом [231, 232], которые связывают прочность пучков волокон с разбросом прочности исходных волокон. Основное предположение в этих подходах состояло в том, что прочность композита зависит только от свойств волокон. [c.33] Модели, основанные на свойствах пучков волокон, наиболее последовательно развивались Б. Розеном [163], представившим композит в виде цешА, звенья которой сострят из пучков волокон критической длины / . Пря таком представлении учитывается то обстоятельство, что, разрушаясь в композите, волокна не выходят из строя полностью, как в пучке, а лишь разгружаются их концевые участки на длине 2р =1 2. [c.34] В этом плане модель Б, Розена отражает специфику работы волокон в композите и показывает, что с увеличением числа звеньев цепи изменение прочности материала значительно меньше зависит от изменения разброса прочности исходных волокон. Оценка прочности по схеме Б, Розена может рассматриваться как верхняя и имеет смысл, когда в полной мере реализуется постепенное накопление повреждений. Но накопление повреждений, как правило, прерывается развитием макро разрушения. [c.34] Вернуться к основной статье