Разрушение волокнистых композиций

Разрушение волокнистых композиций. Характер разрушения волокнистых композиций при растяжении зависит от объемного содержания волокон и матрицы, а также от соотношения их деформаций до разрушения. Купер ввел понятие множественного и однократного разрушения волокнистых композиций [118]. Для выяснения особенностей множественного и однократного разрушения обратимся к рис. 2. При малых деформациях е запишем правило аддитивности для напряжений [c.17]

Работа разрушения композиционных материалов. Работа разрушения является важной инженерной характеристикой, во многом определяющей пригодность материалов для изготовления из них деталей и конструкций. Для волокнистых композиций общая работа разрушения значительно больше суммы работ разрушения составляющих с учетом их объемных долей. Это связано с тем, что при разрушении волокнистых композиций существуют специфические механизмы рассеяния энергии, такие как вытягивание волокон из своих гнезд и связанная с этим работа разрушение связи по поверхности раздела волокно—матрица. Последний процесс также связан с затратой энергии В случае пластичных матриц, например металлических, большой вклад в работу разрушения композиций вносит работа пластической деформации G . Таким образом, общая работа разрушения композиции будет состоять из трех слагаемых [c.23]

Теперь оценим вклад в общую вязкость разрушения волокнистых композиций процесса нарушения связи между матрицей и волокном. В композициях с ослабленной связью напряжение в вершине трещины вызывает разрушение связи прежде, чем разрушится волокно. Если связь нарушена на участке длиной у, то деформационная энергия, аккумулированная на этом участке волокна, рассеивается необратимо в виде теплоты при разрушении волокон. В связи с этим в первом приближении работу разрушения границы раздела можно приравнять деформационной энергии волокна длиной у. Деформационная энергия [c.25]

Роль адгезионных связей при разрушении волокнистых композиций еще полностью не выяснена. При высокой адгезионной прочности матрица или волокна разрушаются раньше, чем разрушаются адгезионные связи. Однако даже при отсутствии адгезионных связей, т. е. когда не затрачивается энергия на разделение матрицы и волокон, фазы могут находиться в контакте и при этом необходимо затратить энергию на выдергивание волокон из матрицы из-за наличия напряжений, обжимающих матрицу вокруг волокна и обусловленных разницей коэффициентов термического расширения компонентов и охлаждением композиции от температуры формования до температуры эксплуатации. Кроме того, между крайними условиями хорошей и плохой адгезии возможно большое число промежуточных случаев. [c.272]

Ld — длина отслаивания волокна от матрицы при разрушении волокнистых композиций, 8 [c.302]

В волокнистых композициях матрица скрепляет волокна или другие упрочняющие элементы в единый монолит, защищая их от повреждений. Матрица является средой, передающей нагрузку на волокна, а в случае разрушения отдельных волокон перераспределяет напряжения. Кроме того, ее механические свойства опре- [c.5]

Разрушение при циклическом нагружении волокнистых композиций чрезвычайно сложно и мало изучено. Усталостное разрушение таких композиций обычно начинается с образования трещин в матрице или разрушения связи полимер — волокно. Выносливость резко уменьшается с повышением амплитуды напряжения. Пластичная матрица повышает выносливость по сравнению с хрупкой. С увеличением отношения длины волокон к диаметру вплоть до 200 выносливость возрастает [76]. Тепловыделения при циклических нагрузках снижают выносливость, особенно при высоких частотах [79—80]. Механические потери в композициях особенно велики вблизи границы раздела фаз, рассеяние тепла затруднено, что приводит к быстрому нарастанию температуры и катастрофической потере жесткости и прочности. [c.277]

В этих уравнениях у — поверхностная энергия разрушения, т. е. энергия, затрачиваемая на образование единицы новой поверхности 01,2—разрывная прочность волокон L—длина волокон Ькр— критическая длина волокон, определяемая по уравнению (8.18) Ьд — длина участка волокна, по которому происходит разрушение адгезионной связи. Если выдергивание волокон является основным механизмом затрат энергии, наибольшая ударная прочность должна быть при Ь = кр- Разрушение связи волокно—матрица из-за плохой адгезии делает композиции менее чувствительными к надрезам и трещинам [89]. Таким образом, факторы, которые обусловливают увеличение ударной прочности волокнистых композиций, такие, как облегчение выдергивания волокон из матрицы и разрушения связи между ними, являются в то же время причинами снижения разрывной прочности при малых скоростях нагружения. [c.280]

В волокнистых и слоистых композициях сдвиговой механизм торможения трещин, имеющий место в традиционных сплавах, дополняется торможением трещин самими волокнами на поверхности ослабленного сцепления матрицы с армирующими упрочни-телями. В этих композициях выбор компонентов обусловлен получением определенной (оптимальной) степени взаимодействия с целью согласования высокого предела прочности с повышенной вязкостью разрушения. [c.6]

Применение новых материалов. Повышение прочности материалов в деталях машин ограничивается чувствительностью материалов к концентрации напряжений и повышением склонности к хрупким разрушениям. Поэтому большие перспективы имеют волокнистые металлические (так называемые композитные) материалы. Они представляют собой композиции из высокопрочных волокон в мягкой основе (матрице). Основную нагрузку воспринимают волокна, а матрица обеспечивает равномерное распределение нагрузки между волокнами. [c.64]

Вязкость разрушения, как указывалось, является одной из наиболее важных характеристик конструкционных материалов. С. Т. Милейко и др. [42], применив линейную механику разрушения к композиционному волокнистому материалу на алюминиевом сплаве с 50 об. % борных волокон (при однонаправленном армировании), определили для этой композиции величину вязкости разрушения. Работа разрушения указанной композиции оказалась в 3 раза выше работы разрушения алюминиевого сплава Д16Т, использованного в качестве матрицы. Они также определили, что вязкость разрушения, характеризующая сопротивление образованию трещин, повышается с увеличением объемного содержания в композиции хрупких армирующих волокон [42]. [c.26]

Подводя итог рассмотрению роли химического взаимодействия между волокнами и матрицей в поведении композиций под нагрузкой, следует еще раз подчеркнуть, что для получения композиций с оптимальным комплексом механических свойств следует допустить некоторую степень химического взаимодействия. Состояние поверхности раздела, прочность связи между компонентами непосредственно влияют на прочность в поперечном направлении, вязкость разрушения, усталостные свойства и прочность при сжатии. Прочность связи несущественно влияет на прочность в продольном направлении и длительную прочность одноосноармиро-ванных волокнистых композиций. [c.89]

При исследовании структуры термоциклированных композиционных материалов обнаружили поры и трещины. Цепочки пор размещались в матрице вдоль границы раздела с волокном, нередко по ним распространяются трещины (рис. 80, а). Прилегающая к волокнам зона матрицы имеет мелкозернистое строение, за нею размещен крупнозернистый ободок. После длительного термоциклирования наблюдалось образование трещин вдоль границы раздела волокна с матрицей и в вольфрамовом волокне. Эти наблюдения согласуются с данными работы [141, в которой описано разрушение нихрома и вольфрама при термоциклировании волокнистой композиции. [c.196]

Поскольку большинство полимерных композиций с короткими волокнами, распределенными хаотически, являются изотропными, их прочность при растяжении и сжатии должна быть примерно одинаковой. Однако, если все волокна ориентированы в направлении сжатия, то разрушение при сжатии наступит при меньшем напряжении, чем при растяжении. В материалах с низкой адгезионной прочностью сцепления волокон с матрицей при сжатии возможно продольное проскальзывание волокон, тогда как при растяжении поперечные силы, возникающие вследствие эффекта Пуассона, увеличивают прочность сцепления волокон с матрицей. При сжатии композиций с высокой адгезионной прочностью может быть реализована значительная часть их прочности при растяжении, однако при сжатии большая часть прикладываемой нагрузки выдерживает матрица, а так как волокна не являются непрерывными, локальные сдвиговые разрушения в матрице способствуют разрушению волокон при продольном изгибе с разрушением границы раздела волокон с матрицей и потерей усиливающего эффекта волокон. Аналогичная ситуация в однонаправленных волокнистых композициях при сжатии проанализирована теоретически и рассмотрена позднее. [c.99]

Несмотря на огромную практическую важность деформационнопрочностных свойств волокнистых композиций, теоретически они проанализированы значительцо хуже, чем упругие свойства. Процессы разрушения таких композиций необычайно сложны не только вследствие анизотропности и гетерогенности материала, но также вследствие многообразия возможных механизмов разрушения и определяющей роли адгезионных связей по границе раздела фаз, процессов их разрушения, из-за влияния таких факторов, как однородность ориентации волокон, концентрация напряжений на концах волокон, степень перекрывания концов соседних волокон, относительная хрупкость или пластичность компонентов и т. п. Только в случае бесконечно длинных волокон, ориентированных в одном направлении, при растяжении параллельно оси ориентации волокон прочность композиций может описываться простым правилом смешения [c.269]

Разрушение при ударе волокнистых композиций является значительно более сложным явлением, чем разрушение ненапол-ненных полимеров, что обусловлено особой ролью волокон и эффектами взаимодействия на границе раздела. Установление каких-либо общих закономерностей затруднено различием в используемых методах ударных испытаний. В общем случае для повышения работы разрушения и ударной прочности материала в нем должен реализовываться механизм распределения накапливаемой упругой энергии и поглощения ее как можно большим объемом материала. Если энергия концентрируется в малом объеме, материал разрушается хрупко, и его ударная прочность низка. [c.278]

При х у = 1 уравнение (8.39) превращается в простое правило смешения. При соответствующем выборе полимерной матрицы можно получить композиции, трансверсальная разрывная прочность которых более чем в 40 раз будет превосходить прочность матрицы, причем в процессе разрушения ленты будут ломаться в продольном направлении [981. В этом особое преимущество ленточных композиций по сравнению с однонаправленными волокнистыми композициями, обладающими трансверсальной прочностью значительно меньшей, чем прочность матрицы. Ленточные композиции могут иметь прочность выше прочности слоистых композиций с перекрестной или другими формами укладки волокон. [c.286]

На рис. 136 [37] представлена кривая растяжения образцов волокнистой композиции серебро —усы 51зМ4 с беспорядочно ориентированными усами в матрице содержание усов—15% по объему. Можно видеть, что чистое серебро показывает значительное пластическое течение при напряжении 10,5 кГ мм разрушение серебра происходит при напряжении 17,5 кГ1мм . Волокнистый материал приведенного состава [c.178]

Бурное развитие сверхзвуковой авиации и космической техники, в том числе разработка конструкций возвраш,аемых космических аппаратов, которые должны успешно преодолевать плотные слои атмосферы, вызвало необходимость интенсивных поисков материалов для абляционных покрытий. Основными функциями абляционного слоя является предотвращение перегрева и разрушения летательного аппарата. Наибольшее распространение в качестве абляционных покрытий получили композиционные материалы на основе полиамидных волокон и фенолоформальдегидных свя-зуюш,их. Однако, как отмечает Энгел [54], использование таких материалов в ракетах земля — воздух является нежелательным, поскольку в процессе их абляции наблюдается выделение ионов, создающих радиопомехи, что затрудняет осуществление радиоуп-равлення ракетами. Считают, что во избежание этого, необходимо применять особо чистые композиции, в частности на основе кремнеземного волокна, содержащего менее 25 млн , и эпоксидно-кремнийорганического связующего. В процессе абляции такого материала происходит обугливание отвержденного эпоксидного связующего и образование вспененного кремнийорганического полимера в процессе газоотделения и сублимации. Армирующий волокнистый наполнитель обеспечивает прочность материала. [c.342]

Распределение волокон в композиционных материалах может быть параллельным, хаотическим или слоистым. Волокна могут применяться в виде тканей, лент, матов. Отверждающиеся связующие наносят на волокнистые наполнители или волокна и напыляют на форму. В первом случае труднее обеспечить равномерное распределение связующего и его полное смачивание поверхности наполнителя. С термопластами стеклянные волокна обычно совмещаются механическим смешением с последующей переработкой наполненных композиций, что сопровождается разрушением значительной части волокон. [c.371]

Механические свойства матрицы являются определяющими для свойств композиций при сдвиге, сжатии и нагружении нормальными напряжениями в направлениях, отличных от ориентации волокон, а также в сопротивлении композиций усталостному разрушению. С ростом механических характеристик матриц пропорционально увеличиваются характеристики механических свойств композиций при сдвиге и сжатии. В волокнистых композиционных материалах усталостное разрушение начинается с матрицы при достижении в ней определенного напряжения. Гетерогенная структура материала, различие в уровнях напряженности волокон и матрицы, а также наличие поверхностей раздела затрудняют процесс зарождения и роста трещин в направлении, перпендикулярном к направлению армирования, и образование мятигтряльной трещины, приводящей к разрушению. Поэтому у композиционных материалов более высокое сопротивление y iajio itiOHy разрушению, чем у традиционных материалов. Так, например, отношение усталостной прочности (на базе 10 циклов) к пределу прочности у стандартных алюминиевых и магниевых сплавов составляет 0,2— 0,3, а у бор алюминиевой композиции ВКА-1—0,7—0,75, т. е. в 3—4 раза больше. [c.586]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...