Композиты с дисперсными частицами энергия разрушения

III. Энергия разрушения композитов с дисперсными частицами. . 18 [c.11]

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]

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]

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]

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]

Для определения пригодности этой модели в [37] исследована энергия разрушения композитной системы стекло — А12О3. Среднее расстояние между частицами А12О3 изменялось путем изготовления различных композитов с дисперсными частицами одного из трех усредненных размеров, а именно 3,5 11 и 44 мкм, и трех объемных содержаний частиц, а именно 0,10 0,25 и 0,40. Результаты этого исследования приведены на рис. 5, где показана энергия разрушения каждого композита в зависимости от величины [c.23]

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]

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]

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]

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]

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 ...