Прочность поверхности раздела

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]

Общий результат взаимодействия между матрицей и волокном будет зависеть от влияния данной реакции на характер разрушения волокна, отслаивание, прочность поверхности раздела при сдвиге и многие другие характеристики. Неудивительно поэтому, что пока роль этих многочисленных факторов полностью не выяснена ни для одной конкретной композитной системы. [c.27]

Степень совершенства композита как механического континуума имеет определяющее значение в отношении эксплуатационных характеристик, а также максимального использования упрочняющего эффекта более жесткой и прочной составляющей композита. В идеале стремятся к совершенному континууму, т. е. к совершенной связи между компонентами композита. Это означает, что атомная структура компонентов, разделенных поверхностью раздела, обусловливает ее когерентность и что прочность поверхности раздела не меняется от точки к точке. Непрерывность [c.45]

Рассматривая значение поверхностей раздела как фактора, определяющего механические свойства волокнистых композитов, необходимо иметь в виду два возможных подхода. Анализ проблемы может быть сведен либо к исследованию влияния состояния и прочности поверхности раздела на свойства композита в целом, либо, напротив, к исследованию влияния свойств композита в целом на поведение поверхности раздела. Ни один из этих подходов не является исчерпывающим они взаимосвязаны, так как поведение поверхности раздела влияет на характеристики композита, а последние, в свою очередь, влияют на поведение поверхности раздела. Поскольку в большинстве глав этой книги, в основном, принят первый подход, здесь целесообразно рассмотреть поведение поверхности раздела, главным образом, с другой точки зрения. [c.49]

Предполагается, что связь между компонентами либо совершенна (т. е. прочность поверхности раздела превышает прочность матрицы), либо вообще отсутствует (т. е. на поверхности раздела отсутствуют и растягивающие напряжения, и напряжения сдвига). Случай совершенной связи изучен более глубоко, чем случай ее отсутствия, поскольку совершенная связь обеспечивает, как правило, наилучшие свойства композита. Анализ промежуточных случаев умеренно прочных связей или чередования областей прочной связи и областей, где связь отсутствует, значительно более труден, так как усложняются граничные условия на поверхности раздела. Поэтому исследованию промежуточных случаев уделяют мало внимания. [c.50]

IV. Методы определения прочности поверхности раздела [c.69]

Сдвиговую прочность поверхности раздела измеряют также на образцах, содержащих одно волокно (или пруток), заделанное в цилиндр из материала матрицы затем волокно вытягивают из цилиндра путем приложения осевого растягивающего усилия (рис. 20). Это, по-видимому, наиболее распространенный тип испытаний, особенно для композитов с металлической матрицей. Сторонники таких испытаний ссылаются на большое сходство геометрических условий и внутренних напряжений, существующих в образце и в реальных композитах. [c.71]

Данный подход имеет ряд недостатков. Во-первых, как обсуждалось в разд. II, распределение напряжений в образце много сложнее, чем предполагает модель запаздывания сдвига. Рассчитанное с помощью этой модели распределение напряжений сдвига по поверхности раздела оказывается неверным, а значит, некорректной будет и расчетная прочность поверхности раздела. Изменение напряжений по поверхности раздела означает, что разрушение будет развиваться постепенно и неравномерно в интервале приложенных нагрузок. [c.71]

Во-вторых, условия нагружения, возникающие в образцах с вытягиваемыми волокнами, несмотря на кажущееся сходство с условиями, существующими в реальных композитах с короткими волокнами, не идентичны последним. Это вызвано тем обстоятельством, что при испытаниях нагрузка прилагается непосредственно к волокну, а в композитах нагрузка всегда прилагается через матрицу. Если в образце для вытягивания длина заделанной части волокна очень велика, то указанное различие не имеет решающего значения, поскольку длина заделанной части достаточна для адекватного распределения нагрузки между волокном и матрицей. Однако во многих системах с металлической матрицей это невозможно из-за высокой прочности поверхности раздела, так как уже при малой глубине заделки достигается критическая длина волокна /кр- [c.72]

Рис. 21. Образцы с одиночным волокном для определения прочности поверхности раздела.

Трапециевидные образцы позволяют определять прочность поверхности раздела при сдвиге, потому что быстрое изменение осевых напряжений в образце приводит к возникновению на поверхности раздела напряжений сдвига [50] [c.73]

В их исследовании термические радиальные напряжения на поверхности раздела оказались сжимающими и росли с ростом температуры полимеризации. Эти сжимающие остаточные напряжения компенсируют растягивающие радиальные напряжения,, возникающие на поверхности раздела при последующем сжатии образца. Поэтому прочность поверхности раздела растет с ростом температур термической обработки. Однако, если интервал температур при охлаждении слишком велик, у концов волокна развиваются дополнительные термические напряжения сдвига. Они приводят к преждевременному разрушению образца у конца волокна, так что прочность связи уменьшается, если температура термической обработки превышает оптимальную. [c.74]

Хотя существенное влияние остаточных напряжений на эффективную прочность поверхности раздела очевидно, тем не менее при измерении прочности поверхности раздела в системах с металлической матрицей их, как правило, не учитывают. Это, наряду [c.74]

Здесь эффективная прочность поверхности раздела при сдвиге т характеризует изменение сдвиговой прочности в результате пластической деформации (или критические сдвиговые напряжения, необходимые для преодоления трения скольжения). [c.144]

Влияние прочности поверхности раздела на поперечную прочность композита рассматривали Купер и Келли [5] они получили верхнее и нижнее предельные значения для случаев слабой и прочной поверхностей раздела. За нижнее предельное значение они тоже принимали прочность матрицы, в которой волокна заменены отверстиями. Если матрица стеснена и пластическое течение уменьшает концентрацию напряжений, то это условие выпол- [c.194]

Согласно определению Купера и Келли, прочность поверхности раздела at — это величина растягивающих напряжений, которые необходимы для отделения волокна от матрицы при поперечном нагружении. Однако для широко распространенного типа разрушения путем расщепления волокон (ав<иг) данное определение следует обобщить так, чтобы оно распространялось и на величину Ов, т. е. на напряжения, при которых происходит расщепление волокон. [c.196]

Типы разрушения при комнатной температуре, соответствующие углам 90 и 45°, показаны на рис. 14. При угле 90° трещина в основном распространяется через проволоку (последняя расщепляется), а не через матрицу или поверхность раздела (рис. 14, а). Значит, поперечная прочность не зависит от Прочности поверхности раздела. Однако при угле 45° трещина в образце распространяется частично по поверхности раздела, хотя проходит также через проволоку и матрицу. Таким образом, при данной ориентации разрушение нельзя описать единственным механизмом. [c.204]

При испытании неотожженного композита Ti—борсик в поперечном направлении трещина обычно проходит через волокна, а не по поверхности раздела (рис. 22). Значит, и в этом композите прочность поверхности раздела больше поперечной прочности волокна. Однако после отжига при 1144 К в течение 1,5 ч этот композит, как и рассмотренный ранее, разрушается по поверхности раздела. Трещины проходят, по-видимому, по зоне взаимодействия или между покрытием (карбидом кремния) и зоной взаимодействия (рис. 23). Тем не менее, как видно из рис. 24, увеличение толщины зоны взаимодействия в результате отжига слабо влияет на поперечную прочность. Эти данные также подтверждают, что поперечная прочность близка к нижнему предельному [c.214]

Слоистые композиты, как показано, обладают тем преимуществом, что в них слабые плоскости могут быть ориентированы желательным образом. Эти композиты можно использовать как материал, задерживающий или распределяющий трещину. В первом случае можно обеспечить максимальную вязкость разрушения на основании известных соотношений между вязкостью разрушения и толщиной. В обоих случаях поверхность раздела может быть почти так же прочна, как матрица, что не отражается на наблюдаемых закономерностях поведения композита однако заметное снижение прочности поверхности раздела может привести к ухудшению других свойств. [c.305]

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]

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]

С учетом упо1Мянутых ограничений, существующих при зкспе-риментальном воспроизведении напряженного состояния на поверхности раздела для различных геометрий композита и условий нагружения, рассмотрим различные методы, применявшиеся для определения прочности поверхности раздела. Разные исследователи использовали три основных типа испытаний — испытания слоистых образцов, вытягивание прутков или волокон и испытания образцов с одиночным волокном. [c.69]

Келли и Тайсон [33, 34] широко применяли испытания по вытягиванию для определения передачи нагрузки от матрицы к волокну у его концов. С помощью простого метода запаздывания сдвига они получили выражение для прочности поверхности раздела при сдвиге (для идеально пластичной матрицы) в виде [c.71]

Рис. 20. С,хвма определения прочности поверхности раздела при сдвиге путем вытягивания волокна.

Во многих ранних теоретических работах лринималось, что прочность. поверхности раздела достаточна для передачи нагрузки от растягивающих захватов на образец и ее равномерного распределения между волокнами. Кроме того, прочность поверхности раздела должна быть достаточной для. перераспределения нагрузки между волокнами при разрушении одного из них. Эти теории— будем называть их теориями прочных поверхностей раздела — применимы, если прочность поверхности раздела превышает некоторую минимальную величину, необходимую для выполнения указанных функций. Теории. прочных шверХ Ностей раздела были. разработаны в основном для химически не взаимодействующих систем, где волокна нерастворимы в матрице, т. е. для систем первого клat a, и проверены экспериментально на тех же системах. Однако 1П0 мере того, как рос интерес к реальным системам, в которых на поверхности раздела протекает реакция, и внимание исследователей переключалось от слабых матриц модельных систем К характерным для практически ценных (Композитов прочным матрицам, стало очевидно, что прочность поверхности раздела не всегда достаточно высока, чтобы удовлетворять требоваииям теорий прочных Поверхностей раздела. Были развиты модели для случая, когда разрушение начинается у поверхности раздела их назвали теориями слабых поверхностей раздела . Некоторые из них охватывают все возможные ситуации от прочной до слабой поверхности раздела эти теории также будут рассмотрены. [c.138]

ИТ в том, чтобы оценить величину указанного предела. В отсутствие матрицы эта характеристика представляет собой прочность пучка волокон она принимает те же значения и при наличии матрицы, если прочность поверхности раздела при двиге равна нулю. Влияние роста прочности поверхности раздела зависит от свойств упрочнителя. Композиты, армированные непрерыв 1ы ми Волокнами, дисперсия прочности которых равна нулю (т. е. средняя прочность волокна в композите равна прочности пучка воло- кон), нечувствительны к прочности поверхности раздела. С ростом дисперсии прочности волокон все большее число волокон будет разрушаться в слабых точках, расположенных вне плоскости излома. В этих случаях передача нагрузки на неразрушенные участки должна происходить, по механизму, предусматривающему передачу нагрузки через поверхность раздела в матрицу. Когда поверхность раздела становится прочнее матрицы, сдвиг матрицы происходит легче, чем разрушение поверхности раздела, и даль- нейшее увеличение прочности поверхности раздела уже не. влияет на тип разрушения. Такой случай разрушения, не зависящего от состояния поверхности раздела, рассматривается теориями прочных поверхностей раздела. Поскольку продольные свойства дан- ного типа композитов. не зави >сят от состояния поверхности раздела, теории, предсказывающие значения этих свойств, не относятся к предмету настоящей главы. Обзор указанных теорий имеется в гл. 2, посвященной механиче ским аспектам поверхности раздела. [c.140]

По условиям растягивающего нагружения в направлении расположения упрочнителя нормальные напряжения возникают на поверхности раздела лишь из-за поперечного сжатия. Однако раз-рушание по (поверхности раздела в этих условиях является вторичным аффектом. Имеется в виду, что растягивающие напряжения, нормальные к поверхности волокна, достигают предела прочности поверхности раздела лишь после значительного сжатия, например такого, которое происходит, если в волокне начинает образовываться шейка. Джонс, [13] и другие исследователи на- блюдали разрушение композитов алюминий — нержавеющая сталь по поверхности раздела в тех случаях, когда волокна отслаивались от матрицы при образовании шейки. Согласно Веннету и др. [c.141]

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]

Композит с -прочными поверхностями раздела и однородными свойствами волокон и матрицы будет разрушаться по плоскости, перпендикулярной направлению приложенных нап ряжений, и поверхность излома будет гладкой. Если волокна неоднородны по прочности из-за наличия слабых точек (дефектов) или разрывов, трещина будет распространяться так, чтобы связать слабые точки. Вследствие этого трещина либо пройдет лишний участок пути в матрице (п рочная поверхность раздела), либо будет распро-ст ранять ся по поверхности раздела. Как показано выше, максимальная длина вытягиваемой части волокна определяется критической длиной. С другой стороны, матрица разрушится в первую очередь, если деформация разрушения для нее меньше, чем для волокон. На рис. 1 схематически показаны некоторые из этих типов разрушения. На рис. 1, а показан характер разрушения композита с малой деформацией разрушения матрицы согласно работе Джонса и Олстера [14], такое разрушение наблюдается в композитах алюминий — нержавеющая сталь. Рис. 1, б отвечает случаю,, когда мала деформация разрушения волокон (например, волокна бора). В этом случае предполагается, что прочность поверхности раздела высока, поскольку трещины соединяются путем сдвига матрицы. В случае рис. 1, в деформация разрушения волокна мала, но из-за малой прочности поверхности раздела трещина в матрице отклоняется слабо, поскольку волокна легко вытягиваются из матрицы. Такое поведение может быть ирисуще композиту алюминий — бор со слабой связью. Для этого типа разрушения предполагается, что деформация разрушения [c.142]

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]

Типичный вид разрушения образцов, подвергнутых предварительному 100-часовому отжигу при 1477 К и испытанных при той же температуре под углом 45°, показан на рис. 17, б. Как неотож-женный образец (рис. 15,6), так и образец после 100-часового отжига разрушаются по поверхности раздела. Однако разрушение поверхности раздела в этих случаях вызвано, вероятно, различными причинами. До термической обработки прочность связи проволоки с матрицей недостаточна, чтобы противостоять данной поперечной нагрузке, но отжиг увеличивает ее. Однако после отжига большой продолжительности прочность поверхности раздела снижается из-за пористости диффузионного происхождения. Пористость может облегчать отделение волокна от матрицы вблизи поверхности раздела. Хотя зона диффузионной пористости находится снаружи исходной поверхности раздела, этот тип повреждения также связан с поверхностью раздела. Несмотря на отрицательное влияние пористости, предварительный отжиг должен в целом увеличивать прочность поверхности раздела, поскольку прочность композита при отжиге возрастает. [c.208]

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]

Как правило, прочность при поперечном растял<ении уменьшается с увеличением продолжительности предварительного отжига при 811 К, а дефо рмация разрушения обнаруживает тенденцию к некоторому росту. Прочность первого образца в табл. 2 (неотож-женного) низка, поскольку матрица не переведена в состояние твердого раствора. Во всех образцах имеет место разрушение смешанного типа. Значит, прочность поверхности раздела и сопротивление волокна расщеплению меняются в широких пределах, что, возможно, отчасти обусловлено постепенным разрушением окисной пленки между волокнами и матрицей. Хотя такая [c.218]

Можно ожидать, что прочность поверхности раздела особенно чувствительна к испытаниям при циклическом нагружении. Соответствующих данных мало, однако они, несомненно, свидетельствуют о высокой прочности связи. При усталостном разрушении пластинчатого композита А1 — AlaNi [72] одна или несколько трещин распространяются по зонам скольжения в матрице н значительного расслаивания не происходит. Аналогичным образом протекает усталостное разрушение пластинчатого композита Ni — NigNb, существенно отличающегося в других отношениях [37]. В обоих случаях время до разрушения при высоких напряжениях и малом числе циклов определяется сопротивлением разрушению армирующей фазы, а время до разрушения при малых напряжениях и большом числе циклов — распространением усталостной трещины в матрице. Ни в том, ни в другом случае расслаивание не является определяющим механизмом. [c.259]

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]

Прочность поверхности раздела в углепластиках выше, чем в бор-эпоксидных композитах, что обусловливает две их особенности поведения. Во-первых, трещины в углепластике более извилисты (рис. 23, а) во-вторых, в углепластике наблюдается межслое-вое разрушение (рис. 24). Последнее является одним из специфических видов разрушения слоистых материалов и выражено наиболее ярко в случаях значительного межслоевого сдвига. [c.296]

Рассмотрим сначала случай твердой хрупкой частицы в относительно вязкой матрице. На поведение композита непосредственно влияют размер частиц, их объемная доля и прочность поверхности раздела. Частица действует как концентратор напряжений. Ее размер и расстояние до соседней частицы определяют взаимодействие между полями напряжений частиц. При разрушении такого композита трещина в непрерывной фазе (матрице) будет многократно наталкиваться на частицы. Если прочность поверхности раздела между частицей и матрицей мала, то трещина будет вести себя, как при взаимодействии с порой, поскольку такая частица не способна передавать растягивающие напряжения, а радиус кривизны у нее меньше, чем у фронта трещины. В результате возможен рост вязкости разрушения. Это подтверждается данными для армированных пластиков, у которых прочность связи по поверхности раздела можно в известной степени регулировать с помощью специальной обработки поверхности упрочнителя. В работах Браутмана и Саху [4], а также Уамбаха и др. [49] было установлено, что вязкость разрушения композитов с матрицей из эпоксидной смолы, полиэфира или полифениленоксида, армированных стеклянными сферами, растет по мере снижения прочности связи по поверхности раздела. Помимо затупления вершины трещины предложены и другие механизмы, объясняющие повышение вязкости разрушения. Браутман и Саху, например, связывают его с увеличением трещинообразования и деформации в подповерхностных слоях. Для исследованных композитов изменение объемной доли стеклянных шариков по-разному влияет на вязкость разру- [c.302]

Следовательно, и в данном случае прочность поверхности раздела существенно влияет на вязкость разрушения. В зависимости от специфики композита предпочтительной может быть как прочная, так и слабая связь между упрочннтелем и матрицей. [c.304]

Б. Прочность поверхности раздела в системах металл — окиюел, полученных диффузионной сваркой. ..........337 [c.307]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...