ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой матрице. Перевод П. Ф. Кошелева из "Разрушение и усталость Том 5 " Существуют различные классы композитных материалов, отличающиеся как областью применения, так и своими свойствами. Хотя прочностные свойства отдельных классов могут совпадать друг с другом, в этой главе будут рассмотрены только композиты с дисперсными частицами в хрупкой матрице. Понятие хрупкого поведения означает упругое состояние вплоть до разрушения и малую вязкость разрушения. Кроме керамики и перекрестно сшитых высокополимеров никакие материалы матрицы не подходят под это определение. Керамики являются наиболее хрупкими материалами и не обнаруживают текучести перед разрушением вплоть до температур, обычно превышающих половину их температуры плавления. Хрупким полимерам свойственна некоторая текучесть, но она пренебрежимо мала по сравнению с менее хрупкими полимерами (т. е. термопластами) и металлами. [c.12] Вязкость разрушения представляет собой инженерный термин, который характеризует сопротивление материала развитию трещины и разрушению (обычно при ударном приложении нагрузки). [c.12] Наука механика разрушения в качестве меры этого свойства предлагает величину, называемую энергией разрушения. Обычно энергия разрушения керамик меньше 50 000 эрг/см , хрупких полимеров — меньше 200 000 эрг/см а энергия разрушения менее хрупких материалов может превышать эти величины на несколько порядков. [c.13] Хотя прочностные свойства композитов с дисперсными частицами как в полимерной, так и в керамической матрице подобны, цели их изготовления весьма различны. Композиты с дисперсными частицами в полимерной матрице изготавливаются и наиболее широко используются в технике, когда одновременно необходимы формуемость полимерной фазы и такие свойства, которые не присущи полимеру, но которые могут быть обеспечены наличием дисперсной фазы, обычно называемой наполнителем. Наполнитель выполняет две функции. Во-первых, это уменьшение объема более дорогого полимера. Стоимость сырья для различных фаз может различаться в 25 раз. Во-вторых, это получение улучшенных физических и термических свойств при изготовлении реального изделия, как видно из следующих примеров. [c.13] Окислы, например двуокись кремния, добавляются для уменьшения присущего полимеру высокого термического расширения, что дает возможность помещать изделия из металла со сравнительно низким термическим расширением в оболочки или капсулы из относительно недорогого полимерного композита. Трансформаторы помещаются в кожух из полимера, содержащего в качестве наполнителя берилл, который имеет высокую теплопроводность и ускоряет отвод тепла. Для высоковольтных изоляторов применяются полимеры, содержащие тригидрат окиси алюминия, который обладает способностью гашения дуги. Основное влияние дисперсной фазы состоит в уменьшении предела прочности, а дисперсная фаза вводится для того, чтобы уменьшить стоимость изделия и придать ему свойства, не присущие собственно полимеру. [c.13] Из-за сложности структуры традиционных керамик, которые образуют большую отрасль промышленности, для тш,ательного экспериментального исследования был изготовлен ряд искусственных модельных композитов. Хотя эти материалы бесполезньг в смысле промышленного использования, исследование их механических свойств приводит к лучшему пониманию прочностных свойств хрупких материалов. [c.14] Цель этой главы состоит в обсуждении известных данных по прочностным свойствам хрупких композитов с дисперсными частицами и в демонстрации возможных путей оптимизации их прочности. Для этого были использованы основные представления механики разрушения, связывающие прочность с тремя определяющими ее факторами, т. е. с энергией разрушения, модулем упругости и размером трещины. В следующих разделах сначала будет установ.ле-на зависимость действительной прочности материала от трех указанных факторов. Затем будет рассмотрено влияние дисперсии второй фазы на каждый из этих факторов. Из этого станет очевидной важность пяти параметров, зависящих от выбора двух фаз и технологии изготовления композитов. Наконец, будут рассмотрены и обсуждены прочностные свойства различных полимерных и керамических композитных систем в зависимости от трех определяющих факторов и пяти основных параметров композитов. [c.14] Давно признано, что теоретическая прочность материала значительно больше получаемой на практике. Теоретические расчеты, основанные на модели межатомных связей, показывают, что прочность материала должна составлять от 1/20 до 1/7 его модуля упругости, т. е. приблизительно равна /10, однако большинство материалов разрушаются при напряжениях от /10 до /10 [32]. Предполагается, что причиной таких низких прочностей служит наличие трещин, возникших либо до приложения напряжений, либо в процессе нагружения. Если устранить трещины в ненапряженном материале или причины, ведущие к возникновению трещин в процессе приложения напряжений, то значения прочности будут приближаться к теоретическим оценкам [7, 15]. [c.14] Правильнее сказать одним из первых . Наиболее раннее решение этой задачи принадлежит Г. В. Колосову (1909 г.).— Прим, перев. [c.14] Состояния А ш В использованы для определения потенциальной энергии тела со щелевой трещиной длиной с. Состояния Б ж В использованы для определения критерия продвижения трещины от длины с до длины с - - Дс. [c.15] Физически это уравнение означает, что работа приложенной к телу растягивающей нагрузки во время роста трещины должна быть либо равна, либо больше суммы энергии, затраченной на образование новых поверхностей трещины и увеличения энергии деформации тела, сопровождающего рост трещины. [c.16] Уменьшение потенциальной энергии нагружения равно ХЬе, тогда как энергия деформирования тела из-за наличия треп1,ины равна Чii -XLg , таким образом, = —2 7дд, где g — ускорение силы тяжести. [c.16] Таким образом, Ос представляет собой прочность бесконечной полосы с щелевой трещиной длиной с. [c.17] Уравнение разрушения Гриффитса не только устанавливает, что прочность тела связана с наличием трещины согласно анализу Инглиса, но показывает также, что реальная прочность материала зависит от размера трещины и двух характеристик материала. Таким образом, прочность материала определяется тремя факторами энергией разрушения у, модулем упругости Е и размером трещины с. Важное значение этого соотношения состоит в том, что представляется возможным проанализировать прочность материала в зависимости от этих определяющих прочность факторов. Для объяснения прочностных свойств композитов с дисперсными частицами необходимо исследовать влияние дисперсной фазы на каждый из указанных факторов. Прежде чем сделать это, обсудим две важные стороны концепции Гриффитса, так как они составляют основу этой главы. [c.17] В оригинальной работе Гриффитса величина у определена как поверхностная энергия материала без учета того, что в эту величину могут быть включены и другие способы поглощения энергии. Однако позднее было обнаружено, что образованию поверхностей трещин в металлах сопутствует также значительная пластическая деформация, и Орован [48] включил в величину у работу, необходимую для движения дислокаций, возникающих около поверхностей развивающейся трещины. В металлах поглощенная в результате пластической деформации у фронта трещины энергия превышает поверхностную энергию на несколько порядков. [c.17] Ирвин [29] применил аналогичный, но несколько отличающийся подход и получил такое же уравнение разрушения, что и Гриффитс, но без ограничения на вид поглощенной энергии, связанной с образованием новой поверхности разрушения. Таким образом, в основном признано, что все явления, связанные с поглощением энергии (или, наоборот, явления, требующие затраты работы) и происходящие в объеме материала, примыкающем к фронту трещины, дают вклад в энергию разрушения у. [c.17] Энергия разрушения определяется либо как работа, необходимая для образования единицы новой поверхности трещины, либо как энергия, поглощенная вновь образованной поверхностью разрушения и приходящаяся на единицу площади. Для определения энергии разрушения материалов было предложено много различных форм образцов [10] с острой трещиной, которая во всех случаях наносится до испытаний. При вычислении энергии разрушения необходимо знать силу, требуемую для развития острой трещины, ее длину, модуль упругости материала, размеры образца и соответствующее уравнение, связывающее эти параметры. Необходимо также следить за тем, чтобы длина трещины и размеры образца были в интервале справедливости используемого уравнения в соответствии с деформационными свойствами исследуемого материала. Для испытаний керамик и хрупких полимеров широко используется двойная консольная балка, что обусловлено разработкой различных методов получения в материале острых трещин [61]. [c.18] Известно, что вторая дисперсная фаза влияет на энергию разрушения хрупкой матрицы тремя путями. Один из них связан с пластической деформацией вследствие высоких напряжений около фронта трещины, и эта деформация поглощает энергию при развитии трещины. Явление пластической деформации обычно ассоциируется с такими вязкими материалами, как металлы и термопласты, но, поскольку энергия разрушения даже наиболее хрупких керамик и пластиков больше присущих им поверхностных энергий [2, 13], следует предположить, что развитие трещины во всех материалах сопровождается некоторой пластической деформацией. Как будет кратко показано, пластическая деформация, обусловленная ориентацией молекул, может быть в хрупких полимерах увеличена введением дисперсных частиц эластомера. Второй эффект дисперсной фазы состоит в увеличении шероховатости поверхности разрушения вследствие нерегулярной траектории продвижения трещины [37]. Поскольку при выводе уравнений для вычисления энергии разрушения предполагается, что поверхность трещины плоская, шероховатость поверхности будет увеличивать энергию разрушения. Третий эффект обусловлен взаимодействием трещины и второй дисперсной фазы и будет обсужден в первую очередь. [c.19] Многие исследователи отмечали, что фронт трещины, движущейся в хрупком материале, на мгновение останавливается при встрече с включеними [5, 16, 47]. На рис. 2 показано такое взаимодействие для случая трещиноподобных пор, преграждающих путь фронту трещины в процессе разрушения сколом монокристалла окиси магния. В процессе такого разрушения перпендикулярно движению фронта трещины образовывались ступеньки. Картина этих ступенек, обычно называемая ручейковым узором, может быть использована для определения формы фронта трещины при любом его положении в процессе разрушения. Это показано на рис. 2 для пяти последовательных положений фронта трещины, отмеченных пунктирными линиями. Изучение этих положений свидетельствует о том, что каждая неоднородность на мгновение задерживает продвижение фронта трещины и что перед окончательным разрывом фронт трещины изгибается между парой располагающихся рядом мест задержки. [c.19] Форма фронта трещины определялась по расположению ступенек скола. Стрелками в йравой части отмечены две большие ступеньки, которые образовались после разрыва фронта трещины у двух мест задержки стрелка слева указывает на общую картину ступенек. Фронт трещины перемещается слева направо. [c.20] Вернуться к основной статье