ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механические аспекты поверхности раздела из "Поверхности раздела в металлических композитах Том 1 " Чтобы получить общее представление о механических аспектах поверхности раздела в волокнистых композитах, определенное внимание следует уделить ее природе. Специфическая природа поверхности раздела в волокнистых композитах и соответственн особые виды механического взаимодействия в ее окрестности входят в число важнейших факторов, обеспечивающих уникальные свойства волокнистых композитов. [c.42] Волокнистые композиты отличаются от других многофазных материалов прежде всего высокой степенью направленности поверхностей раздела между упрочняющей фазой и окружающей ее матрицей. Еще одно важное отличие некоторых типов композитных материалов — наличие градиента химического состава в направлении, перпендикулярном поверхности раздела. Обычно считают, что это второе отличие, т. е. существование градиента химического состава, неблагоприятно, хотя возможны особые случаи, когда взаимная диффузия компонентов приводит к желательному упрочнению твердого раствора. Для понимания механики поверхностей раздела И их влияния на поведение композита в целом необходимо учитывать, представляет ли композит континуум или дисконтинуум в отношении как механических свойств, так и химического состава. [c.43] Любой многофазный материал представляет собой механический континуум, в интегральные характеристики которого каждая из фаз со своими механическими свойствами вносит определенный вклад. Кроме того, при внешнем нагружении композитного материала заметное влияние на поддающиеся измерению свойства вносят реологические взаимодействия на межфазных поверхностях раздела, возникающие из-за различия упругих и пластических характеристик фаз. Взаимодействия такого типа в одних случаях желательны, в других — нет. [c.43] В тех композитах, где упрочнитель не является волокном, таких, как перлитные стали, реологические взаимодействия на поверхностях раздела континуума не имеют направленного характера, поскольку сами поверхности раздела ориентированы случайным образом в результате отсутствует направленность эффекта упрочнения армирующей фазы. Иная ситуация возникает в случае волокнистых композитов, особенно тех из них, где упрочняющие волокна строго ориентированы. Здесь континуум имеет направленный характер, и это обычно используется при эксплуатации волокнистых композитных материалов. [c.43] Поскольку нагрузки при эксплуатации или испытании могут быть приложены лишь к внешним поверхностям композитов, компоненты, находящиеся внутри композита—как упрочнитель, так и матрица, — должны воспринимать свою долю приложенной нагрузки от окружающего их материала путем сдвига. Иными словами, внешнее нагружение передается от поверхностей, к которым оно приложено, к прилежащему слою материала посредством сдвига. Этот слой материала, в свою очередь, передает таким же образом нагрузку далее в глубь композита. [c.43] В силу СДВИГОВОГО характера передачи нагрузки в глубь композита приложенная внешняя нагрузка или, точнее, наложенная извне деформация неравномерно распределена по поперечному сечению материала в. непосредственной близости от места ее приложения. Однако распределение наложенных извне деформаций в-пределах поперечного сечения композита на некотором удалении от этой области фактически становится равномерным. Здесь каЖ дый компонент композита подвергается действию напряжений в-направлении внешней нагрузки, а интенсивность напряжений определяется величиной деформации (постоянной) и модулем упругости компонента. В этой области деформация сдвига у поверхностей раздела композита в направлении приложенной нагрузки равна нулю (рис. 1). [c.45] Согласно теоретической работе Дау [15], расстояние от места приложения нагрузки до сечения композита, в котором вызванная этой нагрузкой деформация становится равномерной, составляет лишь 4—5 диаметров волокна. В реальных волокнистых композитах расстояние, на котором распределение деформаций становится равномерным, во много раз больше. [c.45] Концы разрушенных волокон или перекрещивания волокон в матрице приводят к появлению дисконтинуума в композите, что в свою очередь вызывает примерно такие же возмущения непрерывности распределения напряжений, какие имеют место в области приложения внешней нагрузки. Этот вопрос рассмотрен нил е, в разд. Короткие волокна . [c.45] Хотя вызванные внешней нагрузкой деформации равномерно распределены по поперечному сечению композита, из-за различия уровней напряжений в компонентах композита (а также различия их упругих постоянных) появляются поперечные напряжения между этими компонентами. Их знак и величина зависят от свойств компонентов, объемной доли упрочнителя, величины приложенной нагрузки и геометрических факторов. Возникает сложное напряженное состояние, которое характеризуется наибольшей жесткостью на поверхностях раздела между компонентами, но влияет и на поведение материала композита в целом. Природа этого напряженного состояния и его влияние на свойства рассмотрены более подробно в следующих разделах данной главы. [c.45] Как правило, отклонение от идеального континуума на поверхностях раздела (неполная и несовершенная связь) уменьшает эффективность упрочняющего действия более жесткой и прочной составляющей композита. Более того, менее совершенная связь на поверхности раздела приводит к значительно более быстрому ухудшению свойств композита, чем можно было бы ожидать на основе линейной зависимости свойств компонентов от объемной доли продукта их взаимодействия в реакционной зоне. [c.46] Согласно существующим представлениям, идеальный композитный материал представляет собой совершенный механический континуум (что, как отмечалось выше, обеспечивается совершенством связи между компонентами композита) кроме того, у поверхности раздела должен существовать совершенный химический дисконтинуум. Иными словами, не должна происходить реактивная диффузия элементов, входящих в состав компонентов композита. Причины, по которым предпочтителен идеальный химический дисконтинуум, связаны с существом проблем, возникающих в отсутствие дисконтинуума. [c.46] Помимо снижения эффективности поверхности раздела, химическое взаимодействие компонентов может привести к ухудшению основных свойств упрочнителя. В результате взаимодействия на поверхности упрочнителя часто возникают углубления и неровно сти, которые, по сущ,еству, являются надрезами. Поскольку боль шинству перспективных упрочнителей присуща высокая собственная чувствительность к надрезу, такие нерегулярности поверхности значительно снижают эффективную прочность упрочнителя, вследствие чего уменьшается и прочность композиционного материала в целом. [c.47] Наконец, из-за диффузии в паре упрочнитель — матрица, сопровождающей химическое взаимодействие у поверхности раздела, желательные свойства, которые каждый из компонентов придает композиту, часто не достигаются, поскольку при этом уменьшается пластичность матрицы и снижается собственная прочность упрочнителя. [c.47] Требования механического континуума и химического дисконтинуума выполняются полностью или почти полностью лишь в композитах, компоненты которых являются термодинамически совместимыми материалами. Яркий пример композита такого типа— эвтектический композит, где одна из фаз эвтектической смеси представляет собой компонент с большой твердостью. Термодинамический генезис твердой фазы практически исключает реактивную диффузию между составляющими композита и одновременно обеспечивает механическую непрерывность в направлении, перпендикулярном поверхности раздела. [c.47] Несмотря на благоприятное сочетание механического континуума и химического дисконтинуума, практическое применение ориентированных эвтектических композитов существенно ограничено по ряду обстоятельств. Термодинамика эвтектических n Tenf позволяет варьировать объемную долю упрочнителя лишь в очень узких пределах. Кроме того, выбор материалов матрицы и упрочнителя невелик, а материалы матрицы очень часто обладают большой плотностью. Наконец, процессы изготовления ориентированных материалов часто недопустимо дороги и позволяют получать изделия далеко не любой формы. [c.47] Потребность в композитных материалах, состоящих из термодинамически несовместимых компонентов, при искусственном объединении которых происходят диффузия через поверхность раздела и сопутствующие вредные эффекты, привела к интенсивной разработке барьерных слоев, предотвращающих диффузию между составляющими композита. Применение воло кон бора, покрытых карбидом кремния (борсик) и нитридом бора для упрочнения алюминиевых сплавов, заметно снизило скорость реакции между волокном и матрицей (гл. 3). Благодаря этому были созданы композиты, прочность которых в условиях повышенных температур сохранялась много дольше. Таким образом, дополнительная стоимость защиты волокон компенсируется улучшением свойств композитов. [c.48] Были предприняты попытки разработать аналитические методы, позволяющие прогнозировать влияние диффузии через поверхность раздела на механические свойства комшоиентов при этом градиенты состава в химическом континууме по нормали к поверхности раздела аппроксимировали с помощью дифференциальных методов [19]. Хотя развитый в работе [19] метод не является достаточно общим, там убедительно показано, что при наличии химически размытой зоны раздела вне зависимости от того, имеются ли в ней химические соединения или нет, композит превращается в многокомпонентное образование, каждый компонент которого вносит свой вклад в свойства композита. [c.49] Рассматривая значение поверхностей раздела как фактора, определяющего механические свойства волокнистых композитов, необходимо иметь в виду два возможных подхода. Анализ проблемы может быть сведен либо к исследованию влияния состояния и прочности поверхности раздела на свойства композита в целом, либо, напротив, к исследованию влияния свойств композита в целом на поведение поверхности раздела. Ни один из этих подходов не является исчерпывающим они взаимосвязаны, так как поведение поверхности раздела влияет на характеристики композита, а последние, в свою очередь, влияют на поведение поверхности раздела. Поскольку в большинстве глав этой книги, в основном, принят первый подход, здесь целесообразно рассмотреть поведение поверхности раздела, главным образом, с другой точки зрения. [c.49] Хотя поведение композита желательно анализировать, сводя к минимуму количество допущений, некоторые из них все же должны быть сделаны для упрощения математического описания задачи. [c.50] Продольное растягивающее нагружение (нагружение в направлении, параллельном волокнам), очевидно, представляет наибольший практический интерес, поскольку в этом случае могут быть полностью использованы высокие значения модуля и прочности материала волокна. Однако даже в этом простом случае внутреннее напряженное состояние композита (включая и состояние поверхности раздела) будет отклоняться от одноосного растяжения. Это было убедительно показано в )работах Эберта и Гэдда [16], Пилера [49] и Блума и Уилсона [7]. [c.51] Вернуться к основной статье