Разрушение волокнистых композитов трещины

Рассмотрим подробнее феноменологическую сторону вопроса разрушения поверхности при трении. Поверхностный слой при сухом трении находится в сложно-напряженном состоянии сжатия со сдвигом. В работе [12] приводятся данные, полученные на основе изучения береговой линии частиц износа, которые показывают, что сила трения может инициировать в поверхностном слое как трещины нормального отрыва, так и трещины сдвига. Береговая линия каждой частицы образуется в результате объединения различных видов трещин. Можно предположить, что АЭ сигналы, соответствующие этим двум видам трещин, должны различаться. Это предположение основывается на результатах исследования разрушения волокнистых композитов. При этом было показано, что разрушение волокон при приложении осевой нагрузки к ним сопровождается относительно короткими сигналами АЭ, а разрушение же элементов композита, обусловленное сдвиговыми процессами (разрушение межфазовых границ раздела, вытягивание волокон из матрицы), сопровождается длинными сигналами АЭ. В нашем случае в качестве критерия относительной длины сигнала можно взять отношение двух измеряемых параметров АЭ сигнала - числа осцилляций 8 в сигнале к его максимальной амплитуде А в мВ на выходе канала усиления. Можно сделать еще одно предположение, которое заключается в том, что в первую очередь в поверхностном [c.69]

Армирование металлов прочными жесткими волокнами может значительно поднять предел усталости. При этом не только увеличивается несущая способность композита, но и усталостные трещины могут задерживаться, тормозиться и отклоняться волокнами. Усталостные процессы в металлах, армированных волокнами, можно охарактеризовать следующим образом в процессе одноосного циклического нагружения композиты имеют тенденцию к циклической устойчивости, к отсутствию значительного упрочнения или разупрочнения. Как и в металлах, усталостные трещины зарождаются на свободных поверхностях, но могут также возникать и внутри композита около оборванных волокон или у их концов. Поверхности раздела волокон и матрицы могут задерживать или тормозить усталостные трещины или же менять направление их роста таким образом, что распространение становится относительно безопасным. Поскольку мест для возможного зарождения трещин много и поверхности раздела способны изменять направление роста трещин, отличительной чертой поверхностей усталостного разрушения в волокнистых композитах в случае высокой усталостной прочности является их крайне неровный характер. [c.437]

В работе [52] развита полуэмпирическая детерминистическая схема для предсказания и установления взаимосвязи между распространением усталостной трещины, остаточной прочностью и временем жизни слоистых волокнистых композитов с надрезами и отверстиями. Этот подход находится в соответствии с принципами усталостного износа ) и охватывает главные физические характеристики и механизмы разрушения, которые наблюдались при статических и усталостных испытаниях волокнистых композитов (см., например, [45]). Существует три вида такого разрушения [c.87]

Результаты испытаний по определению характеристик механических свойств бороалюминия при растяжении вдоль волокон приведены в табл. 8.2. На ряде образцов наблюдался подрост трещины, стартовавшей из области перехода сечений, перпендикулярно продольной оси образца, расслоение вдоль волокон и основной долом происходили уже в захватной части образца. Такой характер разрушения обусловлен концентрацией касательных напряжений в области изменения сечения. Результаты испытаний таких образцов не учитывались. Разрушающие напряжения и деформации определялись по максимальной нагрузке, модуль упругости — по углу наклона диаграммы деформирования на линейном участке. Отметим, что существенный разброс значений прочности является характерной особенностью волокнистых композитов с высокой степенью армирования — поданным [1], коэффициент вариации прочности бороалюминия может достигать 21...23 % при объемном содержании волокон 54 %. [c.234]

Развитие усталостного разрушения волокнистых композиционных материалов существенно зависит от объемных долей армирующих волокон. При малых долях волокон разрушение на микроструктурном уровне начинается с возникновения усталостных трещин в матрице, и далее развитие процесса разрушения зависит от того, насколько эффективно волокна и границы раздела между компонентами способствуют торможению, отклонению и задержке микротрещин [105]. В этих случаях усталостное разрушение развивается одинаково и в композитах с хрупкими волокнами (алюминий-бор), и в композитах с пластичными волокнами (алюминий-сталь). [c.28]

Рассмотрим вопрос об устойчивости поперечных трещин в волокнистых композитах. Определим критический размер трещины как такое значение I, при котором каждое волокно на фронте трещины с вероятностью порядка единицы окажется разрушенным. Будем трактовать, как и ранее, дисковую трещину в большом массиве композита (с учетом расслоений) как трехмерное образование (см. рис. 6.13). Событие, состоящее в том, что наугад взятое волокно на фронте будет раз- [c.178]

В волокнистых металлических композитах, за исключением композитов с направленной эвтектикой, волокно и матрица, как правило, не находятся в состоянии химического равновесия. Из всех факторов, воздействующих на усталостную прочность композита, вероятно, самым малопонятным является влияние прочности и микроструктуры на границе раздела волокна и матрицы. Увеличение прочности происходит в результате того, что посредством касательных напряжений усилия передаются через границу раздела волокна и матрицы, и высокомодульные волокна несут большую часть приложенных параллельно им нагрузок. Поверхности раздела играют и другую важную роль в сопротивлении разрушению, контролируя вид распространения трещин они могут отклонять распространяющиеся трещины и задерживать рост трещин. [c.396]

Полученные результаты следует рассматривать как предварительные, так как рассмотренные модели не воспроизводят пока некоторые специфические эффекты, которые сопутствуют продвижению макротрещины в волокнистом композите и которые могут оказывать решающее влияние на развитие разрушения и трещиностойкость композитов в целом. В первую очередь имеется в виду множественное растрескивание, накопление разрывов волокон в объеме, прилегающем к фронту трещины [108]. Эти процессы, приводящие к дополнительному "размазыванию и в ряде случаев предопределяющие повышенную трещиностойкость, анализируются в работе [109] также с применением элементов имитационного моделирования на ЭВМ, [c.252]

Динамические фотоупругие исследования композитов сравнительно немногочисленны. Хантер [37] описал предварительное динамическое фотоупругое исследование распространения волны в модели композита. Двумерная модель, состоящая из чередующихся полос материалов волокна и матрицы , подвергалась взрывной нагрузке на одном конце при фотографировании динамических картин полос в качестве источника света применялся лазер с модулированной добротностью. Исследование носило качественный характер, а модель была нереалистической, поскольку отношение динамических модулей материалов волокна и матрицы составляло всего 1,61. Автор [16, 17] провел фотоупругое исследование динамики распространения трещин в более реалистической модели волокнистого композита. Цель этой работы заключалась в изучении распространения в матрице однонаправленного волокнистого композита трещины, возникающей при разрушении одного внутреннего волокна. Внезапно высвобождающаяся энергия обычно вызывает распространение трещины по направлению к соседним волокнам. Постановка эксперимента и результаты этого иследования вкратце описываются ниже. [c.540]

Для большинства жестких наполнителей в тех случаях, к /дз поверхность раздела прочна, вязкость разрушения уменьшается с ростом их объемной доли увеличение объемной доли напглнителя сопровождается усилением стеснения и пластического течения матрицы. В широко исследованной системе кобальт — карбид вольфрама стеснение матрицы при 80 об.% упрочнителя достаточно велико, чтобы не происходило ее заметного пластического течения поэтому разрушение происходит почти исключительно путем связывания трещиной в матрице смежных разрушенных карбидных частиц. В этой ситуации прочность при разрушении существенно зависит от тех же статистических функций, которые описывают разрушение волокнистых композитов если довольно много частиц разрушено, то несущая способность остальных частиц оказывается недостаточной и композит будет разрушаться. При меньшей объемной доле упрочнителя более значительную роль играют характеристики матрицы [48]. [c.303]

В качестве одного из путей преодоления этого несоответствия теории и реального процесса Си и Чен [31] предложили использовать для анализа разрушения волокнистых композитов так называемую теорию плотности энергии [30]. В основу теории положено предположение о том, что решение механики сплошной среды работает вплоть до области, лежащей вблизи кончика трещины на расстоянии порядка радиуса кривизны вершины трещины. Коэффициент плотности энергии деформирования элемента, лежащего вне этой области, является функцией его положения относительно осей надреза. Развитие трещины происходит, когда величина этого коэффициента достигает критического значения. Предполагая, что трещина распространяется только параллельно волокнам, при помощи теории плотности энергии в работе [31] получены значения критических напряжений для различных углов распространения трещины и зависимости угла разрушения от угла трещины для однонаправленного стеклопластика на эпоксидном связующем. Хотя в [31] и сказано, что рассматриваемая теория пригодна для случая трещины с притупленной вершиной, остается неясным, каким образом осуществить анализ напряжений, если вне области, примыкающей к вершине трещины, существует зона нелинейности. [c.54]

Высказывалось предположение, что возможны случаи, когда предпочтительна слабая поверхность раздела. Согласно Куку и Гордону [12], поле напряжений у вершины развивающейся трещины включает не только главные напряжения, стремящиеся раскрыть трещину в направлении ее распространения, но и напряжения, стремящиеся раскрыть ее в перпендикулярном направлении. Значит, эти дополнительные напряжения могут раскрывать плоскости с ослабленной связью, пересекаемые магистральной трещиной. Эм бери и др. [17] применили эти представления к случаю разрушения слоистых композитов. Они показали, что в пакете стальных листов распространение трещины задерживается процессом расслаивания это приводило к важному результату — снижению температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому более чем на 100 К. Эти исследования были продолжены Олмондом и др. [2], которые получили ряд новых данных об указанном типе структур, тормозящих распространение трещины. По очевидным соображениям аналогичный подход применим и к волокнистым композитам этот вопрос рассмотрен в гл. 7 в связи с проблемой разрушения. Значительные объемы композита, расположенные по обе стороны от магистральной трещины, могут быть охвачены одновременным действием различных механизмов разрушения, а в таких случаях, как показали Эдсит и Витцелл [1] на примере композитов алюминий — бор, вязкость разрушения композита может превосходить вязкость разрушения металлической матрицы. [c.25]

Разрушения бороалюминиевого композита с дефектами типа трещин, перпендикулярных направлению армирования, принципиально различаются при ииклическом и статическом нагружении за счет образования расслоений, направление которых совпадает с направлением армирования. Развитие повреждений по типу расслоения является одним из основных факторов, ограничивающих время эксплуатации конструкций из волокнистых композиционных материалов [29]. Поскольку расслоения могут возникать и развиваться при нагрузках значительно меньше статических предельных, знание параметров циклической трешиностойкости элемента, содержащего дефекты типа расслоений, является одним из необходимых условий для установления срока эксплуатации конструкции и назначения времени периодического контроля. [c.249]

ГО значения. Это уникальное свойство обусловливается внутренней волокнистой и слоистой структурой композита, которая может останавливать трещину до того, как ее pa3>liep станет неограниченно большим. Однако способность материала останавливать трещину допускает образование других трещин в матрице композита со временем или при возросших уровнях нагрузки. Следовательно, в ходе некоторого Щ1кла нагружения в матрице слоистого композита может развиться система трещин, распределение которых почти всегда определяется структурой армирования материала. Несомненно, что, по мере того как при возрастании нагрузки в матрице образуются трещины, происходит либо неустойчивый процесс объединения трещин, либо разрыв волокон в слоях, несущих основную нагрузку. Оба этих процесса могут вызвать окончательное разрушение композита. Следовательно, образование и накопление трещин в матрице слоистого композита снижают его прочность. Понимание основных механизмов растрескивания матрицы и создание подходящей аналитической модели, описывающей этот процесс, стали важными проблемами теории разрушения слоистых композитов. Однако на пути решения этих проблем стоят трудности как физического, так и математического характера. [c.90]

Среди немногих теоретических моделей, связывающих прочность волокнистого композита с прочностью связи между его компонентами, можно отметить подход, который развивается в работах М,Х. Шоршорова, Л.М. Устинова, Л.Е, Гукасяна [214]. Согласно этому подходу предполагается, что при разрушении композиционного материала развиваются два качественно различных процесса накопление разрывов волокон, или кумулятивное разрушение , и развитие трещин, приводящее к уменьшению живого сечения , или некумулятивное разрушение . Основное предположение модели заключается в том, что доля волокон, участвующих в некумулятивном процессе разрушения, прямо пропорциональна сдвиговой прочности связи волокон и матрицы. При экспериментальном определении этого коэффициента пропорциональности [214] данный подход, несмотря на довольно грубые представления о развитии разрушения, качественно отражает экспериментально наблюдаемую тенденцию перехода от объемного, рассеянного накопления повреждений в материале к локализованному разрушению при увеличении прочности связи между компонентами. Локализацией процесса разрушения отчасти объясняется и снижение прочности композита при увеличении прочности связи компонентов свыше некоторого уровня, а также наличие оптимального уровня прочности связи волокон и матрицы, что ранее отмечалось в работах B. . Ивановой, И.М, Копьева и др. [55]. [c.43]

Разрушение однонаправленных волокнистых, слоистых и слоисто-волокнистых композитов по плоскости раздела слоев наиболее близко по характеру к видам разрушения, которые рассматриваются в механике разрушения. Направление развития трещины в этом случае задано расположением слоев. Поэтому для оценки трещиностойкости композитов при межслойном разрушении часто применяют те же методы испытаний и обработки результатов, что и для обычных конструкционных материалов. Отличие состоит лишь в том, что в расчетах учитывают анизотропию композитов как макроскопически однородных материалов [24]. [c.178]

На практике не всегда так ясно определимы различные виды разрушения. Композиты могут разрушаться в результате комби- нации механизмов, особенно если матрица может стать хрупкой под влиянием локального напряженного состояния. В указанных моделях единственной функцией матрицы является создание барьера для распространения трещины, а статистические результаты применимы только к прочности хрупкой составляющей. В действительности матрица может нести часть нагрузки и может влиять на величину пика напряжений в композите вследствие ее способности к пластической деформации. Растрескивание частиц не может быть независимым, так как разрушенная частица может сильно влиять на изменение распределения напряжений в ее окрестности и, следовательно, трещины не могут распределяться случайно. Влияние концентрации локальной деформации вследствие разрыва волокна в волокнистом композите обсуждено в [3] в связи со статистическими моделями Гюсера — Гурланда и Розена, приведенными в [36, 37, 77]. Связанная с ними проблема образования больших критических трещин проанализирована статистическими методами в [56]. [c.102]

Ниспадающая ветвь графика деформационной зависимости при испытаниях металлических образцов является отражением, большей ча стью, равновесного прорастания магистральной трещины [120]. В oi> дельных случаях это справедливо и для композитов [349, 361]. Вместе с тем, если прочностные и деформационные свойства элементов структуры неоднородной среды существенно отличаются, что характерно для болыш1нства композиционных материалов, то формировал ния выраженной макротрещины может не происходить. Однако развитое дискретное рассеянное разрушение слабых элементов и в этом случае приводит к спаду на диаграмме [357]. Хаотичность включений обеспечивает последовательность возникновения зон разрушения в отдаленных друг от друга частях неоднородной среды, что создает преграду для локализации деформаций и позволяет с использованием вероятностных подходов определять связи между средним напряжением и средней деформацией [125]. Определенная структурная неоднородность обеспечивает преим]гщественный вид деформации, отличный от локализованного. В частности, для тел волокнистой структуры ниспадающий участок диаграммы возникает в результате последовзг тельного обрыва неравнопрочных волокон [124]. Характер процесса разрушения неоднородных сред существенно зависит от хаотичности в расположении и степени разброса свойств элементов структуры, поэтому статистические характеристики прочности этих элементов во многом предопределяют параметры ниспадающей ветви, в частности, ее наклон, который отражает склонность материала к хрупкому разрушению. [c.26]

В книге излагаются на современном уровне теоретической строгости наиболее принципиалы1ые вопросы механики разрушения композитов закономерности развития и торможения трещин, армирование упругих тел сингулярными злементами, оптималыюе проектирование композиционных материалов. Рассмотрены волокнистые и многослойные материалы, а также сингулярно-армированные элементы конструкций. [c.2]

Хрупкий однонаправленный композит. Рассмотрим произвольную поперечную трещину в однонаправленном волокнистом композите. Найдем напряжения в целых волокнах, расположенных вблизи фронта поперечной трещины. Обозначим через п число нитей, приходящихся на единицу площади поперечного сечения композита. Очевидно, объемная доля нитей равна Vf= ттго п. На одну нить приходится площадь сечения, равная 1/w . Фронт трещины продвигается вглубь тела сразу на расстояние, равное d = вследствие почти одновременного разрыва нескольких нитей вдоль фронта трещины (элементарный акт разрушения). Развитие трещины в композите состоит в некоторой последовательности элементарных актов. [c.83]

Сопоставление результатов испытаний волокнистых и слоистых композитов показывает, что существенное повышение усталостной прочности происходит не только за счет наличия жестких волокон, но и за счет торможения трещин границами компонентов [2, 105]. При высоких объемных долях волокон развитие разрушения на микроструктурном уровне сопровождается разрушением. отдельных волокон, которое может быть как усталостным, т.е. в результате накопления локальных субмикроповреждений, так и статическим, вызванным локальными перегрузками в результате перераспределения напряжений в композите. В этих случаях развитие процесса разрушения еще более чувствительно к состоянию границ раздела волокон и матрицы например, при наличии пор на границах разрушение отдельных волокон может не приводить к окончательному разрушению материала, в то же время при наличии прочной связи разрушение отдельных волокон приводит к развитию макроразрушения композита. [c.28]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...