Композиты с дисперсными частицами трещин

V. Инициаторы трещин в композитах с дисперсными частицами 34 [c.11]

Из трех факторов, определяющих прочность, размер трещины больше всего зависит от дисперсной фазы. Вследствие различия в термоупругих свойствах отдельных фаз, их плохого сцепления и т. п. частицы и агломераты частиц могут служить источниками зарождения трещин и инициаторами разрушения. Теоретически и экспериментально показано, что размер трещин может быть доведен до минимума для получения высокой прочности, если в процессе изготовления композита выбирать дисперсию частиц малого размера. Таким образом, представляется возможным оптимизировать прочность композитов с дисперсными частицами, если определено влияние дисперсии на три фактора, определяющих прочность. [c.12]

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]

Примерами композитов с дисперсными частицами могут служить полимерный строительный раствор и полимерный бетон. Эти материалы являются довольно хрупкими, поэтому их разрушение после возникновения трещины протекает за [c.199]

Отметим в заключение, что большое различие в термическом расширении может существенно повлиять на прочность композитов с дисперсией частиц большого размера вследствие наличия трещин, образующихся в процессе изготовления. Хотя одинаковые остаточные напряжения образуются и в композитах, содержащих дисперсные частицы меньшего размера, трещины в процессе изготовления не образуются и можно получить упрочнение стеклянной матрицы такими дисперсными частицами несмотря на большое, различие в термическом расширении. Таким образом, как отмечено ранее, можно получить оптимальную прочность композита путем введения дисперсной фазы, состоящей из частиц малого размера. [c.54]

В изложенной выше концепции было сделано одно допущение о том, НТО частицы находились на большом расстоянии друг от друга и поля энергии деформации частиц не накладывались ). В реальных композитах имеется большая вероятность того, что две или большее количество частиц соединятся вместе и будут представлять собой агломерат. Так как поля энергии деформации частиц в агломерате перекрывают одно другое, такие агломераты должны рассматриваться как большие частицы, увеличивающие возможность образования трещины в композите. Увеличение объемного содержания дисперсной фазы также уменьшает расстояние между частицами и приводит к перекрытию полей деформации. Таким образом, в композитах с агломератами и большой объемной долей дисперсной фазы трещины будут образовываться более быстро. [c.38]

Автор использовал основы механики разрушения для исследования влияния второй дисперсной фазы на прочность композитов с хрупкой матрицей при помощи трех факторов, определяющих прочность, а именно энергии разрушения, модуля упругости и размера трещины. Указанные факторы зависят от пяти параметров композитов, связанных с выбором фаз композитов и методом их изготовления 1) размера частиц дисперсной фазы 2) объемного содержания дисперсной фазы 3) степени связи по поверхностям раздела 4) отношения модулей упругости фаз и 5) различия в термическом расширении фаз. [c.55]

В пользу механизма затупления вершины трещины свидетельствует также поведение некоторых металлических композитов. При введении малых количеств (2—5%) дисперсных (размером 1— 5 мкм) слабо связанных с матрицей твердых сферических частиц в материал, которому обычно присущи малые значения энергии разрушения, вязкость последнего может существенно увеличиться. Слабая поверхность раздела способствует образованию округлых полостей и не может выдерживать растягивающих напряжений, вследствие чего трещина тормозится из-за уменьшения локальных растягивающих напряжений, а вершина ее притупляется полностью. Таким образом, работа разрушения композита значительно увеличивается [18]. [c.303]

К сожалению, дисперсия частиц большого размера приводит также к нежелательно большому размеру трещины. Таким образом, должен быть выбран соответствующий размер частицы для изготовления композита и получения его оптимальной прочности. Было показано, что в полимерных системах энергия разрушения достигает максимальных значений при некотором объемном содержании дисперсной фазы. Объемное содержание для получения оптимальной прочности можно выбрать при анализе влияния модуля упругости с учетом указанных максимальных значений энергии разрушения. [c.56]

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]

Подобными соображениями объясняется появление максимума, характерного для ряда композитов с дисперсными частицами наибольшего размера. Предполагалось, что энергия разрзчпения этих композитов зависела от двух конкурирующих особенностей первая вызывала увеличение энергии разрушения вследствие взаимодействия фронта трещины с дисперсной фазой, а вторая приводила к ее уменьшению вследствие ослабления матрицы дисперсными частицами. Поэтому было сделано заключение, что хрупкая дисперсная фаза может привести к увеличению энергии разрушения поликристаллической матрицы в том случае, когда размер дисперсных частиц существенно больше размера зерна матричной фазы. [c.27]

Рис. 13. Природа остаточных термических напряжений, расположение трещины II путь ра.зрушения (пунктирные линии) в композитах с дисперсными частицами (а — коэффициент термического расширения, у — энергия ра.зрушения, т ж р — соответственно индексы матричной и дисперсной фаз).

В основном наибольшее влияние дисперсной фазы состоит в увеличении размера трещины, который влияет на все пять параметров композитов, отмеченных выше. Это влияние обычно приводит к более низкой прочности по сравнению с прочностью матрицы без второй фазы. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что размер трещины можно довести до минимума и тем самым получить оптимальную прочность композита при применении дисперсных частиц малого размера. Для этого требуется также незначительный разброс размеров частиц, а скопления частиц (агломераты) должны быть сведены до минимума посредством соответствующего метода введения дисперсной фазы. Как отмечено, модуль упругости композитов с дисперсными частицами зависит не только от упругих свойств двух фаз. Трещины, которые могут развиться в процессе охлаждения композита ниже температуры его изготовления, и псевдопоры, образованные под напряжением вследствие слабой связи по поверхностям раздела, приводят к более низким модулям упругости по сравнению с обычно вычисляемыми. Так как для получения оптимальной прочности необходим наибольший модуль упругости, наличие трещин может быть сведено до минимума, несмотря на большие остаточные термические напряжения путем изготовления композита с дисперсными частицами малого размера. Подобным образом можно избежать образования псевдопор при низком уровне приложенных напряжений путем обеспечения хорошей связи по поверхностям раздела между соединяемыми фазами. Следует отметить, что, хотя большие остаточные напряжения обычно нежелательны, они могут быть полезны в полимерных композитах для увеличения уровня приложенных напряжений, приводящих к образованию псевдопор, в тех случаях, когда невозможно получить хорошую связь по поверхностям раздела. [c.55]

Недавно были опубликованы несколько работ по определению энергии разрушения композитов, содержащих дисперсные частицы в полимерной матрице [9, 22, 40]. Связь между энергией разрушения и объемным содержанием дисперсных частиц, как отмечено в [40] и показано на рис. 6, наиболее существенно заметна в системе эпоксидная смола — А120з-ЗН20. Положение максимума на рис. б зависит от размера дисперсных частиц. Уменьшение энергии разрушения ниже этого максимума было объяснено неэффективным взаимодействием при близком расположении частиц, т. е., когда частицы были расположены слишком близко друг к другу, композит представлял собой сплошную среду и фронт трещины не взаимодействовал с отдельными частицами. Еще один результат этого исследования состоял в том, что аналогично системе стекло — А1аОз наибольший размер дисперсных частиц приводит к наибольшему увеличению энергии разрушения. [c.24]

Модули упругости хрупких композитов, содержащих дисперсные частицы, можно вычислить, если известны отношение модулей и объемное содержание дисперсной фазы. Нижняя граница, приведенная Хашином и Штрикманом, и решения типа, полученного Исаи, находятся в хорошем согласии с большинством экспериментальных данных. Поры, образованные в процессе изготовления, и трещины, возникшие вследствие различной термической усадки, существенно уменьшают модули по сравнению с расчетными величинами. Как будет показано в следующем разделе, в процессе приложения напряжений каждая частица дисперсной фазы может рассматриваться в качестве инициатора трещины. Трещина, образованная при нагружении, будет уменьшать модуль упруго сти перед разрушением. Таким образом, когда модуль упругости используется для расчетов при высоких напряжениях, его значения, измеренные при низких напряжениях, должны применяться с осторожностью. [c.34]

Влияние трещин на модуль упругости было изучено в [6], путем изготовления ряда стекол, содержащих дисперсные частицы большого размера А12О3 или 2гЗЮ4. Различные стекла были выбраны с целью изменения разности термического расширения матрицы и дисперсной фазы. Как показано на рис. 11-, предсказанные более высокие модули упругости были получены только на тех композитах, у которых термическое расщирение дисперсных частиц было близко к термическому расширению стекла. Во всех [c.33]

В предыдущих трех разделах показано, что каждый из трех факторов, определяющих прочность, а именно энергия разрушения, модуль упругости и размер трещины, связан с дисперсной фазой. В связи с этими определяющими факторами обсуждены пять параметров композитов 1) размер частиц, 2) объемное содержание, 3) связи по границам, 4) отношение модулей и 5) остаточные терлшческие напряжения, т. е. различие в термическом расширении. Последний из них важен только в том случае, когда композит применяется или испытывается на прочность при температуре, отличной от температуры его изготовления. [c.43]

В каждый тип стеклянной матрицы были введены дисперсные частицы 2г8104 и А120д. Изменялся также средний размер частиц. Различные композиты были изготовлены горячим прессованием смеси стекла и порошка дисперсной фазы при температурах между 600 и 700 °С. Для большинства композитов были определены прочность, модуль упругости и плотность. Для наблюдения за трещинами образцы были отполированы. Контролировался также путь трещины в композитах. [c.53]

Образование переориентации здесь является эффектом поверхности и не связано с локализацией деформации внутри объема связки. Наличие исходного мезоскопического масштаба в композитах (например, расстояния между включепиямп I) приводит к увеличению вероятности зарождения в таких материалах ротационной деформации [27]. Включения в композитах играют роль, подобную границам зерен в поликристаллах. Они могут являться переключателями механизмов деформации [28]. Экспериментальным свидетельством наличия переключения служит работа [29], в которой показано, что реализация скольжения или двойникования в композитном материале зависит от расстояния между включениями I. Типичным примером этого процесса может быть зарождение дискли-национных мод кручения вблизи упрочняющих волокон [30]. Неоднородность плотности заторможенных дислокаций на фасетках границ волокон-частиц приводит к образованию дисклинаций и поворотных моментов. Дальнейшая релаксация может происходить за счет образования трещин по границе, если она неподвижна, либо за счет скручивания волокон или поворота дисперсных частиц [30]. [c.198]

Как и следует из теоретических предположений, дисперсная фаза увеличивает энергию разрушения хрупкого материала, причем в наибольшей степени при дисперсии частиц большого размера. Модуль упругости композита обычно определяется упругими свойствами составляющих его фаз. Когда существует либо большое различие в термическом расширении отдельных фаз, либо фазы плохо соединены друг с другом, модуль упругости композита значительно ниже предсказанного теорией из-за возникновения либо трещин в процессе изготовления, либо дефектов типа пор (псевдопор) в процессе приложения напряжений. Для получения высокой прочности необходимы большая энергия разрушения и высокий модуль упругости. [c.12]

Хотя, по-видимому, увеличенная энергия разрушения в полимерах, содержащих дисперсный эластомер, и связана с увеличенной степенью молекулярной ориентации внутри полимерной матрицы, окружающей частицы эластомера, приведенные объяснения этого явления не очевидны. В других исследованиях по развитию трещины показано, что уровень возникающей молекулярной ориентации зависит от времени, в течение которого материал находится под влиянием поля напряжений около фронта трещины [2]. В одной из первых работ по полимерам с введенными для повышения вязкости частицами эластомера предполагалось, что частицы эластомера просто уменьшают скорость роста трещины. Это заключение было основано на наблюдениях Мерца и др. [43], которые показали, что частицы эластомера допускают значительное упругое удлинение и поэтому удерживают разрушенные поверхности полимера вместе до разрушения частиц. Таким образом, полимер в окрестности частиц эластомера находится под действием высоких напряжений вследствие влияния как поля напряжений в окрестности фронта трещины, так и неразрушенных частиц эластомера более долгое время, чем поверхности разрушения, не содержащие частиц. Этим может быть объяснена большая степень ориентации молекул в композитах полимер — эластомер. [c.28]

Вторая система представляет собой композит SiзN4 — 31С [39], в котором могли возникать большие остаточные напряжения внутри и вокруг частиц 31С вследствие различия в термическом расширении двух фаз (а = 3,6-10" /°С и = 5-10" /°С) и высокой температуры изготовления (1750°С). Отношение модулей в этой системе было малым т = 1,35). Приведенные на рис. 16 данные по прочности показывают, что никакая из трех сёрий с различными размерами частиц не увеличивает прочности матрицы. Энергия разрушения этих композитов была обсуждена ранее (см. рис. 8). Для каждой из трех серий произведение уЕ существенно не изменялось при увеличении объемного содержания дисперсной фазы. В сравнении со значением для матрццы величина уЕ была несколько ниже для серии частиц 5 мкм, приблизительно равна для серии частиц 9 мкм и примерно на 50% больше для серии частиц 32 мкм. Из сравнения величин уЕ и прочности Ленг сделал вывод, что дисперсия частиц большого размера (серии частиц 32 мкм) существенно влияет на размер трещины, в то время как дисперсия частиц наименьшего размера не оказывает такого влияния. Дисперсия промежуточного размера (9 мкм) незначительно влияет на размер трещин. Как показано на рис. 12 и обсуждено ранее, вычисленный размер трещины также увеличивается с увеличением объемного содержания обеих дисперсий большего размера. Было [c.45]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...