Прочность поверхности раздела при растяжении

Независимо от уже имевшихся количественных оценок некоторые исследователи указывали, что свойства композитных материалов должны зависеть от того, насколько поверхности раздела отличаются по свойствам от матрицы и волокна. Купер и Келли [13], например, делят характеристики композитного материала на те, которые определяются в основном прочностью поверхности раздела при растяжении о , и те, которые определяются сдвиговой прочностью Тг. В числе характеристик, определяемых прочностью поверхности раздела при растяжении, авторы называют поперечную прочность, прочность на сжатие и сопротивление распространению трещины в процессе расслаивания при испытании на растяжение. К характеристикам, которые определяются в основном сдвиговой прочностью, относятся критическая длина волокна (длина передачи нагрузки), характер разрушения при вытягивании волокон и деформация матрицы в изломе. Теория Купера и Келли будет рассмотрена ниже. [c.19]

Характер влияния реакции на свойства композита с пластич-нмм и непластичным упрочнителем различен во многих отношениях. К сожалению, результаты систематических исследований взаимосвязи между состоянием поверхности раздела и прочностью данной системы при растяжении отсутствуют. Предметом исследования были другие механические характеристики, например усталостная прочность, прочность при изгибе, поперечная прочность эти данные включены в настоящий раздел с тем, чтобы развить по возможности общую картину поверхности раздела. [c.176]

На основании проведенного анализа был сделан вывод, что если прочность поверхности раздела на сдвиг составляет 0,8t/, то образцы с 0>1О7° будут разрушаться по поверхности раздела разрывом (растяжением), а не сдвигом. При 0<1О7° будет происходить разрушение сдвигом. Сплошной линией на рис. 13 обозначены результаты расчета для образцов чистый никель —АЬОз в предположении 17=11,9 кГ/мм . Наблюдаемое изменение прочно- [c.328]

Теперь рассмотрим вопрос о влиянии силы связи между компонентами на прочность композиций в поперечном направлении. Довольно часто при растяжении поперек укладки волокон разрушение происходит в результате расщепления последних, так как их прочность в поперечном направлении меньше прочности поверхности раздела а,,, р и матрицы а . В общем случае характер разрушения при испытаниях в указанном направлении зависит от соотношения величин ст .р. Если > Оп. р, [c.88]

Специалисты по технологии производства композитов с алюминиевой матрицей придерживаются общей точки зрения относительно оптимальных условий изготовления композита. Если поддерживать, постоянство двух из трех параметров технологического процесса— температуры, давления и продолжительности обработки, то с ростом значения третьего параметра прочность при растяжении вначале растет, затем проходит через максимум и потом снижается. Эти данные согласуются с моделью, предполагающей, чтО на поверхности раздела имеется окисная пленка. Рост прочности при растяжении объясняют уменьшением пористости и улучшением окисной связи между матрицей и волокнами. Снижение прочности при растяжении с увеличением давления, температуры или продолжительности процесса происходит из-за общего разрушения окисной связи и излишнего развития реакции. Оптимальное значение параметров отвечает равновесию между завершением процесса образования связи и началом развития локальной реакции на участках разрушения пленки. При повышенной температуре или продолжительности процесса прессования разрушение пленки может происходить по механизму сфероидизации, а при повышенном давлении — механическим путем вследствие сдвига. Однако наличие оптимальных значений параметров процесса приводит к заметным изменениям состава и строения поверхности раздела. Эти изменения имеют место как в пределах одного образца композита, так и от одной партии горячепрессованного композита к другой, поскольку трудно тщательно контролировать состояние поверхности компонентов, технологические циклы и все остальные параметры, определяющие характеристики поверхности раздела. [c.170]

Лин и др. [14] продолжили исследование этих композитов, чтобы оценить влияние термической обработки матрицы и условий изготовления композита на его прочность при поперечном растяжении. Их экспериментальные данные, хорошо согласующиеся с теорией, показали, что прочность связи на поверхности раздела зависит от состояния поверхности волокон. [c.192]

Метод конечных элементов применял и Адамс [1] он использовал метод модуля сдвига для определения напряженного состояния композита при поперечном растяжении. Рассматривались напряжения, отвечающие интервалу от предела упругости до разрушения одной из составляющих композита, при квадратном и прямоугольном расположениях волокон предполагалось, что разрушение матрицы происходит тогда, когда напряжения в композите достигают предела прочности материала матрицы. По оценке Адамса, в композите А1—34% В с прямоугольным расположением волокон первой должна разрушаться матрица на участках минимального расстояния между волокнами. Разрушение по расчету должно происходить при поперечном нагружении композита напряжением 17,2 кГ/мм (что много меньше предела прочности материала матрицы, составляющего более 23,1 кГ/мм ). Однако в эксперименте композит разрушался путем расщепления волокон. Предсказать такой характер разрушения не представлялось возможным, так как, хотя напряжения на поверхности раздела и в волокнах были рассчитаны, прочность этих элементов при поперечном растяжении неизвестна. Автор совершенствует эту модель с целью описать процессы распространения трещины и полного разрушения композита. Вообще говоря, если известны механические свойства поверхности раздела матрицы и волокон, эта модель позволяет предсказать как разрушение по поверхности раздела, так и другие типы разрушения. [c.193]

Интересно отметить, что при термической обработке, приводящей к интенсификации химического взаимодействия на поверхности раздела, продольная и поперечная прочности меняются согласованно. Рис. 31 характеризует эту корреляцию для образцов, вырезанных из одной панели композита А1—В. Таким образом, оптимальные значения как продольной, так и поперечной прочности при растяжении отвечают определенному сочетанию значений продолжительности и тем пературы отжига и, следовательно, определенному состоянию поверхности раздела. На поверхности раздела всех рассматриваемых образцов в той или иной мере происходило химическое взаимодействие значит, эта реакция может благоприятно влиять на продольную и поперечную прочность или, во всяком случае, не приводить к разупрочнению. Однако с этой точки зрения трудно объяснить результаты, полученные после обработки Т-6 ,— определенное снижение прочности при растяжении вызвано, вероятно, неполным переходом матрицы в твердый раствор при небольшой продолжительности отжига. [c.223]

Аналогичные теории и представления о прочности поверхности раздела при растяжении и сдвиге были развиты применительно к композитам первого класса. Приведенные Купером и Келли примеры композитов (таких, как медь — вольфрам) подтверждают справедливость выполненного ими анализа поведения систем с металлической матрицей. В системах второго и третьего классов на границе волокно — матрица появляется зона конечной ширины, отличающаяся по свойствам как от матрицы, так и от волокна. Анализ систем второго класса был начат Эбертом и др. [16]. Они использовали дифференциальные методы для оценки влияния диффузии в зоне раздела на механические свойства компонентов. Эта работа является одновременно и первым анализом немодельных систем, хотя она и была ограничена лишь системами с химическим континуумом, т. е. непрерывным изменением состава (см. гл. 2). В системах третьего класса наличие продукта реакции приводит к химическому дисконтинууму — прерывистому измене- [c.19]

Купер и Келли 6] выделили среди механических свойств композитов те, которые зависят от прочности поверхности раздела при растяжении о,, и те, которые зависят от сдвиговой прочности Тг. Они пришли к выводу, что для условий продольного растягивающего нагружения прочность поверхности раздела при растяжении не критична, а сдвиго вая прочность поверхности раздела определяет следующие свойства [c.141]

Недавно Николас [35] применил (см. обсуждение системы Ni —AI2O3) метод расчета предела прочности поверхности раздела на растяжение U из кривых зависимости прочности связи от краевого угла. Его данные для системы алюминий — поликристалличе-ская окись алюминия представлены на рис. 9. Экспериментальные результаты соответствуют предложенной модели при краевом угле 109° происходит переход от разрушения разрывом к разрушению сдвигом. Этот анализ показывает, что высокий предел прочности поверхности раздела на растяжение не зависит от смачивания. [c.322]

Можно ожидать, что разрушение по поверхности раздела легче происходит при определенных условиях нагружения. Обычно механические испытания композитов начинают с продольного растяжения, но такие условия испытания могут не быть наиболее чувствительными к свойствам поверхности раздела. Под действием продольных напряжений передача нагрузок между волокном и матрицей может осуществляться на больших длинах, и поэтому напряжения сдвига на поверхности раздела могут быть невелики. С другой стороны, поперечное нагружение неблагоприятно для передачи нагрузки по длине волокна, и условия нагружения поверхности раздела в этом случае могут быть более жесткими. Приложение к композиту внеосных напряжений может создать еще более жесткое напряженное состояние на поверхности разде--ла оно зависит от относительной прочности поверхности раздела [c.24]

ПОД действием различных напряжений и их сочетаний (рис. 3). Напряженное состояние поверхности раздела мол<ет оказаться наиболее жестким при таких условиях внешнего нагружения, которые сводят к минимуму пластическую деформацию, снижающук> концентрацию напряжений. Наиболее жесткими условиями испытания прочности поверхности раздела могут быть и растяжение образцов с надрезом, и знакопеременное нагружение при усталостных испытаниях, и условия, возникающие в окрестности концов разрушенных волокон. Распределение напряжений у поверхности раздела для некоторых случаев, упомянутых выше, подробно рассмотрено в гл. 2. [c.25]

Установлено, что, независимо от характера влияния термических остаточных напряжений, возникающих а поверхности раздела при охлаждении, они неизменно снижают прочность волокнистых композитов при растяжении [27]. Причина заключается в том, что обусловленное ими напряженное состояние в целом отвечает растяжению (рис. 16) даже в тех случаях, когда радиальные напряжения являются сжимающими. Например, в случае осевого растягивающего нагружения пластическое течение начнется при меньшем, ло сравнению с 0жидаемы1м, значении приложенной нагрузки (естественно, если оно еще не началось при охлаждении). [c.68]

При анализе прочности композитов в условиях внеосного нагружения влияние поверхности раздела может быть учтено несколькими способами. Например, можно предположить, что прочность поверхности раздела достаточно велика для передачи вне-осных нагрузок между волокнами и матрицей вплоть до момента разрушения композита. Такое предположение означае т, что по-ве рхность раздела прочна и не разрушается. Таким образом, в соответствии с терминологией, использованной в гл. 4, посвященной прочности при продольном растяжении, теории этого типа могут быть названы теориями прочных поверхностей раздела . [c.186]

Изломы образцов, испытанных при 1477 К иод углами 90 и 45°, показаны на рис. 15. При обеих ориентациях разрушение происходит по поверхности раздела, и, следовательно, прочность при внеосном нагружении определяется прочностью поверхности раздела. С ростом прочности поверхности раздела прочность композита должна увеличиваться, и разрушение должно происходить не по поверхности раздела, а по матрице или по проволоке. Одним из возможных способов упрочнения поверхности раздела в композите ниобий—вольфрам является термическая обработка, усиливающая взаимную диффузию веществ проволоки и матрицы. С этой целью ряд образцов перед испытанием на растяжение при 1477 К подвергали предварительному отжигу при той же темпе ратуре. Влияние предварительного отжига на прочность [c.204]

ВИЯХ растяжения. При испытаниях под углами 60 и 90° разрушение происходит в основном не по поверхности раздела, а путем расщепления волокон, и, значит, при данных условиях испытания прочность поверхности раздела превышает поперечную проч1Ность волокна. Расщепление волокон при поперечном растяжении образцов показано на рис. 20. Хотя двух- и четырехслойные образцы обладают примерно одинаковой проч ностью при растяжении, они различаются по характеру распределения разрушенных волокон. В образцах большей толщины расщепление волокон происходит по всей ширине рабочей части образца. В таких образцах большей толщины поперечное сечение уменьшается пропорционально сечению расщепленных волокон, и матрица благодаря деформационному упрочнению может взять на себя нагрузку, высвобожденную расщепленным волокном, раньше, чем в данной точке. начнется разрушение композита. В более тонких образцах расщепление волокна уменьшает поперечное сечение до такой степени, что композит разрушается раньше, чем матрица оказывается в состоянии компенсировать это уменьшение за счет деформационного упрочнения. [c.213]

Материалы с ориентированным расположением упрочнителя, как правило, разрушаются в направлении, параллельном волокнам (рис. 18). Вязкость разрушения при отрыве может зависеть от поперечной прочности волокна, от прочности поверхности раздела или от свойств матрицы. Так, при испытании на растяжение композита борсик — алюминий Крайдер и др. [21] обнаружили расщепление волокон. Чаще, однако, разрушение происходит по поверхности раздела или по матрице. Оба эти случая исследовал Герберих [12]. [c.289]

Браутман [И] установил, что максимальное радиальное растягивающее напряжение на поверхности раздела возникает по линии 30°, достигая 1,6 югс/мм (табл. 1). Непосредственные измерения микроостаточных напряжений показали, что прочность адгезионного соединения составляет примерно 0,56 кгс/мм . На основании этого можно сделать вывод, что напряжение, равное 1,6 кгс/мм , достаточно для разрыва такого соединения. Окружные напряжения до линии 30° составляют 8,4—10,5 кгс/мм , т. е. близки к прочности полимерной матрицы при растяжении. Таким образом, 1в данном случае происходит растрескивание матрицы вокруг волокон на поверхности раздела, что приводит к нарушению целостности адгезионного соединения. [c.71]

Применительно к условиям, существующим на поверхности раздела, можно оценить величину двух механических характеристик, изученных достаточно детально. Этим характеристикам, а именно, пределам прочности при продольном и поперечном нагружении, посвящены гл. 4 и 5. Для системы псевдопервого класса алюминиевый сплав 6061 — бор показано, что прочность как при продольном, так и при поперечном растяжении достигает максимума тогда, когда начинается разрушение псевдостабильной поверхности раздела. Через исходную поверхность раздела прорастают многочисленные, изолированные друг от друга иглы ди- [c.25]

В отличие от гладкой поверхности раздела образца, отожженного в течение 0,5 ч, поверхность образца, отожженного перед испытанием в течение 150 ч, сильно изрыта и нерегулярна из-за взаимодействия волокна с матр Ицей (рис. 6). Диборид алюминия, образующийся на стороне поверхности раздела, обращенной к борному волокну, остается на волокнах, а AIB2, образующийся на стороне, обращенной к алюминию, частично разрушается и вклинивается в матрицу. Продукт взаимодействия на волокнах у поверхности раздела имеет грубую гранулярную структуру, наследуя очень нерегулярную поверхность волокна. В результате этого возникает много дефектов поверхности, которые, возможно, являются концентраторами напряжений и, конечно, могут способствовать уменьшению прочности при растяжении волокон и композита в целом. Один из таких дефектов указан на ри с. 6 стрелкой. [c.150]

Перед механическими испытаниями на растяжение образцы (по три образца на каждый режим) отжигали при 1144 К в течение различных промежутков времени, чтобы обеспечить заданную толщину зоны взаимодействия на поверхности раздела. Результаты испытаний приведены в табл. 4. Вследствие химической реакции прочность уменьшается на 7% при толщине реакционной зоны 0,49 mkim с ростом толщины зоны до 1,20 и 1,47 мкм прочность уменьшается соответственно на 10 и 15%. Отжиг при 1144 К в те-че ие 10 ч приводит к неожиданному росту прочности. Однако данные по деформации разрушения волокон согла суются с данными для системы титан — бор и с выводами теории слабых поверхностей раздела. Деформация разрушения начинает снижаться, когда толщина реакциоиного слоя превышает 0,49 мкм (примерно то же наблюдается в системе титан —бор) и принимает постоянные значения (4,3-г4,4) 10 в интервале толщин 1,20—1,47 мкм. Этот результат согласуется со значением 4,5-10 предсказанным Меткалфом [18] для случая, когда разрушение определяется разрушением силицида титаиа. Данные для двух наибольших толщин реакционного слоя свидетельствуют о том, что деформация разрушения продолжает уменьшаться. Кинетические характеристики [c.166]

Хотя эти результаты прямо показывают, что существуют оптимальные условия изготовления, обеспечивающие максимальную усталостную прочность, возникает вопрос, являются ли данные условия оптимальными с точки зрения характеристик продольного растяжения, которые и составляют предмет обсуждения настоящей главы. Дэвис [9] изготавливал композит при температурах, близких к тем, которые, по Бэйкеру [1], отвечают оптимуму. Пин-нел и Лоули [25, 26] применяли прессование в области оптимальных температур для получения оптимальной усталостной прочности, однако в изготовленных ими композитах реакция, как правило, не происходила. Можно прийти к общему заключению, что при сходстве условий изготовления, выбранных всеми авторами, состояние поверхности раздела в разных исследованиях не было одинаковым. [c.177]

Влияние состояния поверхности раздела мелгду волокном и матрицей на прочность композита при виеосном растяжении [c.185]

В предыдущей главе было рассмотрено влияние поверхности раздела на прочность композитов пр и растяжении в направлении, параллельном волокнам. Настоящая глава посвящена исследованию влияния поверхности раздела на прочность композитов в условиях, когда нагружение приложено под углом к осям волокон. Обсуждение ограничено случаем одноосного нагружения композитов с непрерывными однонаправленными волокнами, поскольку экспериментальные данные и теоре гические модели поверхности раздела для более сложных случаев расположения волокон и более сложного напряженного состояния отсутствуют. Хотя характе- ристики внеосного растяжения определены для многих композитов, лишь несколько работ было посвящено исследованию влияния лойерхности раздела на прочность при растяжении. Идеальные условия, рассмотренные в настоящей главе, проще условий, ветре- [c.185]

Вначале будут изложены теоретические модели, использованные для анализа прочности при внеосном растяжении. Они послужат основой для последующего обсуж,дения поведения реальных систем и экспериментальных данных по влиянию поверхности раздела. [c.186]

Выше приводились экспериментальные данные, демонстрирую щие справедливость этих различных теоретических подходов. Тео рия прочных поверхностей раздела удовлетворительно согласуется с экспериментальными значениями прочности композитов, в которых волокно прочно связано с матрицей (что, однако, не приводит к охрупчиванию композита). Значения прочности, вычисленные по этой теоретической модели, представляют собой, по существу , верхнее предельное значение прочности композита. Если из-за слабой связи или из-за образования непрочного продукта взаимодействия разрушение происходит по поверхности раздела, прочность при внеосном нагружении снижается, и применима теория слабых поверхностей раздела. Таким образом, случай слабой связи на поверхности раздела или ее отсутствия соответствует иия -нему предельному значению прочности при внеосном растяжении.. Далее в этой главе верхнее и нижнее предельные значения проч-. ности при внеосном нагружении будут рассмотрены более де-, тально. [c.187]

Для решения этих уравнений и определения зависимости Г7к= =/(0) необходимы экспериментальные значения продольной, поперечной и сдвиговой прочности композита при сжатии и растяжении. Теория не предполагает определенного механизма разрушения влияние поверхности раздела на прочность при внеосном растяжении может быть учтено лишь косвенно — с помощью экспериментальных данных для О и 90°, а форма кривой при значениях углов, близких к 45°, определяется в основном сдвиговой прочностью композита и величиной недиагональных членов тензора Fij. Цай и By показали, что с теорией хорошо согласуются экспериментальные данные по прочности однонаправленных углепластиков при внеосном нагружении, но для других композитов или более сложных видов напряженного состояния теория не проверялась., , [c.191]

Таким образом, теория прочности композитов при внеосном растягивающем нагружении развита для случаев, когда либо разрушение происходит не по поверхности раздела, либо разрушение по поверхности раздела учитывается лишь косвенно. При решении более сложной задачи — прямого анализа влияния поверхности раздела на прочность при внеосном нагружении — достигнуто меньше успехов, хотя определенные возможности представляет метод конечных элементов [1]. С помощью теорий, рассматривающих непосредственно поверхность раздела, были предсказаны разумные величины верхнего и нижнего предельных значений поперечной прочности, однако они пока не подтверждены экспериментально. Задача разработки более соверщенного подхода, который позволил бы количественно оценить влияние поверхности раздела на прочность при внеосном нагружении, пока не решена. Ряд проблем возникает из-за трудностей экспериментального определения важных характеристик поверхности раздела, другая группа проблем — из-за того, что неясно, как на основе экспериментальных значений данных характеристик предсказать прочность композита. Это — сложные проблемы драктического и теоретического характера, однако начало их решению может быть положено определением характеристик композита при внеосном растяжении и исследованием разрушенных образцов, что позволяет установить роль поверхности раздела в разрушении композита при растяжении. Результаты ряда таких исследований рассмотрены ниже. [c.203]

Излом образца, испытанного на поперечное растяжение при 1477 К после 100-часового отжига при той же температуре, показан на рис. 17, а. Предварительный отжиг вызывает диффузию вольфрама из проволоки в матрицу и на поверхность раздела, что упрочняет их. Поэтому деформация разрушения матрицы уменьшается, трещина не распространяется по поверхности раздела, и в результате прочность композита при 1477 К становится больше. Дальнейшее повышение прочности композита, по-видпмому, ограничено расщеплением проволоки ил.и разрушением по поверх ности раздела, обусловленным пористостью диффузионного происхождения. Не приводя соотвеггствующих данных, укажем лишь, что последний тип разрушения был характерен для ряда предва- [c.206]

Кляйн и Меткалф [10] изучали влияние поверхности разделана прочность композита А16061—В с волокнами диаметром 140 мкм при поперечном растяжении. Характеристики поверхности они изменяли путем предварительного отжига при 811 К, после чего матрицу подвергали термической обработке Т-6 (закалка образцов композита в воду и старение при 450 К). Поперечная прочность и тип разрушения характеризуются в табл. 2 (в основном, средними значениями для трех образцов). Авторы оценивали вклад трех типов разрушения расщепления волокна, разрушения по поверхности раздела волокно—матрица или в зоне взаимодействия и разрушения по матрице. Частичное разрушение по матрице должно наблюдаться во всех образцах композитов, так как матрица образует из волокон непрерывный каркас, вое- [c.217]

В данной главе теории прочности при внеосном растяжении классифицировались в зависимости от того, каким образом учитывается роль поверхности раздела были выделены три группы теорий. В теориях прочных поверхностей раздела предполагается, что разрушение поверхности раздела не опережает разрушение композита. В феноменологических теориях влияние поверхности раздела учитывается косвенно — в той мере, в какой она влияет на механические характеристики, значения которых входят в предложенные аналитические решения. В теориях слабых поверхностей раздела разрушение по поверхности раздела учитываетоя непосредственно. Последняя группа теорий является наиболее сложной и наименее разработанной. В настоящее время не существует теорий, развитых настолько, чтобы с их помощью можно было [c.227]

Смотреть страницы где упоминается термин Прочность поверхности раздела при растяжении : [c.196] [c.20] [c.189] [c.332] [c.242] [c.53] [c.263] [c.26] [c.30] [c.95] [c.98] [c.155] [c.171] [c.176] [c.177] [c.178] [c.180] [c.192] [c.215]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...