Растрескивание матрицы

Растягивающие окружные напряжения, вызывающие растрескивание матрицы вокруг волокна, максимальны на поверхности раздела и уменьшаются по мере удаления от нее, достигая минимума на расстоянии, соответствующем половине толщины прослойки связующего между волокнами. [c.59]

Если деформация разрушения матрицы примерно постоянна, растрескивание матрицы будет происходить при приложенном напряжении Ес т ДО разрушения ее на серию блоков длиной от х до 2х. Если расстояние между трещинами равно всего лишь х то, поскольку дополнительное напряжение в волокнах при пересечении ими трещин в матрице остается расстояние, [c.447]

Это есть условие возможности образования трещины. Оценить величину нелегко, и, чтобы получить в замкнутом виде условие предотвращения процесса растрескивания, полагаем бц = О, что соответствует чисто фрикционным связям. Далее можно преобразовать уравнение (13) для получения такого радиуса волокна, ниже которого растрескивание матрицы для данного объемного содержания волокон будет невозможно [c.451]

Переход матрицы в пластическое состояние также не должен иметь серьезных последствий. Однако растрескивание матрицы может быть более важным, и, если поперечная трещина в матрице способна распространиться через поверхность раздела в соседнее волокно, последствия могут оказаться гибельными для композита. [c.462]

Разрушению композита во многих случаях предшествует растрескивание матрицы или поверхности раздела волокно — матрица. Касательные напряжения в плоскости слоя способствуют распространению трещины в направлении армирования (трещина П рода или поперечного симметричного сдвига в соответствии с терминологией механики разрушения). Наличие растягивающих напряжений, перпендикулярных направлению армирования, ведет к раскрытию трещины (трещина I рода, или нормальный разрыв) и, наиболее вероятно, к снижению предельных напряжений Ху. С другой стороны, наличие малых или умеренных сжимающих напряжений, перпендикулярных направлению армирования, будет способствовать смыканию трещины I рода и обеспечивать фрикционное [c.47]

Разрушение композиционных материалов, армированных волокнами, рассматривается как ступенчатый процесс, который начинается с растрескивания матрицы при достижении предельного напряжения. Затем происходит последовательное разрушение волокон, сопровождающееся перераспределением напряжений в волокнах. [c.247]

Углепластики отличаются высоким усталостным сопротивлением нагрузкам в результате меньшей деформации, чем у стеклопластиков, при одинаковом уровне напряжений, что снижает растрескивание матрицы. [c.291]

Для некоторых композиционных материалов с хрупкой матрицей из литого жаропрочного сплава наблюдается растрескивание матрицы при термоциклировании, воспроизводящем условия работы авиационного двигателя. Необходимы дальнейшие исследования для изучения этой проблемы. Матрица должна обладать достаточно высокой пластичностью, чтобы оказывать сопротивление разрушению в результате малоцикловой усталости, вызванной несоответствием температурных коэффициентов линейного расширения матрицы и волокна. Этот вид разрушения редко наблюдается в лопатках, изготовляемых из композиций жара- [c.274]

Если рассматривать объект исследования в микроскопическом масштабе, то растрескивание матрицы — это результат хаотического образования и объединения микротрещин под действием нагрузки. Механизм процесса объединения точно не известен. Но даже если бы он и был известен, математическое описание реального процесса было бы крайне затруднительным. [c.90]

При феноменологическом описании зарождение трещины в матрице — это просто исходное событие, включающее все микроскопические явления, приводящие к зарождению трещины. Но чтобы сохранить при феноменологическом описании растрескивания матрицы эффекты объединения микротрещин, надо использовать подходящий критерий материала для начала данного события. Если такой критерий имеется, то, используя критерии механики разрушения, можно описать процесс распространения трещины в матрице. [c.90]

Очевидно, что с феноменологической точки зрения процесс растрескивания матрицы также может быть очень сложным, строгое математическое описание такого процесса может быть весьма затруднительным. [c.93]

Приведенные выше микрофотографии показывают, что расслоение у свободных кромок может происходить без особенностей, связанных с другими видами растрескивания матрицы, однако последующее развитие расслоения часто изменяет ситуацию. На рис. 2.6, представлены рентгеновский снимок и микрофотография растянутого образца из эпоксидного углепластика со структурой [ 25°/90°,/2]j с расслоением у свободной кромки. Здесь трещина на свободной кромке первоначально образовалась по толщине слоя 90°, но по мере прорастания к центру образца при более высокой нагрузке отклонилась к поверхности раздела - 25°/90° кроме того, можно видеть, что вблизи фронта расслоения появилось несколько вторичных трещин в слое 90°. Вторичные трещины, вероятно, вы- [c.96]

Рис. 2.8. Рентгеновский снимок образца в плане, показывающий сложный характер растрескивания матрицы вокруг сквозного отверстия и вблизи свободных кромок слоистого композита, подвергнутого осевому растяжению.

Поэтому дальнейшее обсуждение касается только простого случая расслоения, без значительного взаимодействия с другими видами растрескивания матриц. В то же время сделана попытка со- [c.100]

Сложные процессы зарождения и распространения межслойного растрескивания матрицы еще далеки от полного понимания, особенно в связи с механизмами взаимодействия трещин. Однако воз- [c.101]

Рис. 2.10. Рентгеновский снимок образца 48-слойного квазиизотропного композита после низкоскоростного удара, показывающий картину растрескивания матрицы.

В настоящей главе представлен метод, основанный на скорости высвобождения энергии деформирования, который применен для описания ряда задач расслоения у свободной кромки. Все слоистые композиты, выбранные в качестве примеров, за исключением, вероятно, одного, проектировались и нагружались таким образом, чтобы инициировать расслоение у свободной кромки без значительного взаимодействия с другими типами растрескивания матрицы. Предполагается, что возникающее расслоение распространяется по заданной поверхности раздела слоев поперек ширины образца ком- [c.125]

ОТ межслойных нормального и касательного напряжений методика также учитывает влияние трансверсального растрескивания матрицы композита на начало расслоения) в разд. 3.5 — влияние расслоения на жесткость и прочность слоистых композитов различных типов в разд. 3.6 — методы подавления процесса расслоения путем подбора подходящей последовательности укладки слоев, усиления свободных кромок и увеличения пластичности матрицы. [c.139]

Экспериментальные исследования в сочетании с аналитическими моделями дают возможность лучше понять фундаментальную природу механизмов разрушения композитов и, в частности, расслоения. Межслойные напряжения, действуя вблизи свободной кромки, обусловливают появление расслоения. Распределения и величины меж-слойных нормального и касательного напряжений изменяются в широких пределах в зависимости от последовательности укладки слоев композита и типа его компонентов. Начало расслоения нетрудно прогнозировать, когда определяющим фактором является межслойное нормальное напряжение. Однако точность прогноза снижается, когда касательное напряжение превышает нормальное. Расслоение обычно происходит по той же поверхности раздела, где (среднее) межслойное растягивающее напряжение достигает максимума. Трансверсальное растрескивание матрицы может сильно влиять как на начало расслоения, так и на расположение его зоны. Разработка аналитических моделей, учитывающих влияние трансверсального растрескивания на расслоение, еще впереди. В большинстве случаев расслоение приводит к значительному снижению жесткости и прочности слоистого композита. Приемы, позволяющие воздействовать на процесс расслоения, включают применение более пластичной матрицы или изменение последовательности укладки слоев с подкреплением свободной кромки. [c.192]

Особенности разрушения композитов, связанные с многообразием ситуаций, возникающих на структурном уровне армирующих элементов (дробление волокон, расслоение по границам компонентов, растрескивание матрицы), требуют создания специализированных структурных моделей материалов. В то же время имеющиеся математические модели микро-неоднородных сред пока не в состоянии достаточно полно учесть многообразие реальных микромеханизмов разрушения. При их применении значительная часть экспериментальной информации об отдельных актах микроразрушения и накоплении повреждений в композитах остается без эффективного использования. [c.7]

Для устранения вредного влияния трещин волокна на прочность авторы работы [53] рекомендуют изменение технологии прессования волокон с целью снижения числа поверхностных и внутренних трещин. Устранение тонкого растрескивания матрицы и повышение сопротивления усталости можно достигнуть легированием матрицы, что касается расслоения, то необходимо добиваться лучшего сцепления волокна с матрицей путем введения в покрытия волокон специальных добавок важную роль играет чистота материалов. [c.196]

В [5] отмечается, что вследствие дис )фузии водорода в металл происходит разрыв некогерентных границ матрица-включение с образованием микротрещин, давление водорода в которых достигает 200-400 МПа, что сопоставимо с пределом текучести низкоуглеродистых конструкционных сталей. Под воздействием внутреннего давления происходит рост и слияние микротрещин с последующим разрушением металла. Растрескивание стали начинается при концентрации водорода 0,1-10 ppm и протекает при температуре от минус 100 до 100 С. В [4, 5] исследовано влияние парциального давления сероводорода на скорость коррозии и водородное расслоение стали. Последнее активно начинается при парциальном давлении серо- [c.12]

С помощью оптического микроскопа изучался характер изломов на единичных волокнах, заключенных в прозрачные отливки из эпоксидных смол [31]. Наиболее распространенной формой излома оказались двухконусные трещины или отдельные нормальные плоскости излома в смоле, исходящие из точки повреждения волокна. Было показано, что если матрица достаточно пластична и способна на начальной стадии сопротивляться растрескиванию, то разрыв адгезионной связи происходит по поверхности раздела. Зная предел прочности матрицы при растяжении, можно сравнить его с адгезионной прочностью, и, таким образом, установить, какой механизм преобладает в нагруженном образце. [c.22]

В литературе имеются описания нескольких микрофотоупру-гих исследований, проведенных с различными целями. Одно из первых исследований выполнено Шустером и Скала [63], изучав-щими напряжения вокруг высокопрочных сапфировых (а-АЬОз) усов. В этой работе описан метод, при помощи которого по среднему значению разности главных напряжений на толщине образца вычисляется разность главных напряжений в плоскости, проходящей через ось уса. Предполагалось, что между границей раздела и областью, в которой доминируют условия свободного поля, эта разность линейно меняется с расстоянием. Максимальный коэффициент концентрации касательных напряжений, равный 2,5, был получен для уса с прямоугольным концом, что хорошо согласуется с результатами двумерных фото-упругих исследований [6, 66]. Для усов с заостренными концами концентрация напряжений оказалась значительно ниже. Умень-щение напряжений в матрице наблюдалось на расстоянии до 5 диаметров от конца уса. Наибольшая концентрация напряжений наблюдалась в точках разрушения уса, происшедшего после его заделки. Эта концентрация вызывает поперечное растрескивание матрицы. Количественный анализ напряженного состояния в окрестности разрыва волокна не проводился. [c.521]

Дэниел [16] сообщает о микрофотоупругих экспериментах, в которых выяснялось, как влияют на концентрацию напряжений в матрице ориентация волокон, нарушение сцепления волокна с матрицей и растрескивание матрицы на граничной поверхности. Схема установки, которая применялась для изготовления образцов, показана на рис. 17. Образцы отливались между двумя стеклянными пластинами, покрытыми слоем майлара. В качестве распорок использовались стальные проволочки диаметром 0,015 дюйма. Для центровки концы волокон бора соединялись с распорками (на рисунке не показано) [c.523]

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]

Все перечисленные подходы рассматривают распространение трещин перпендикулярно направлению нагружения, которое совпадает с одной из осей симметрии материала. При невыполнении этих условий, а это характерно для большинства реальных ситуаций, возникают задачи разрушения смешанного вида. Типичным примером является растрескивание матрицы вдоль волокон в однонаправленном слое, исследованное в [35]. Возможные пути развития теории смешанного разрушения изотропных материалов рассмотрены в [36]. Метод, предложенный в [37], предполагает, что разрушение начинается в направлении фо, когда удовлетворяются следующие условия [c.132]

Акустическая эмиссия использовалась и для композитов, армированных борными волокнами. Было показано, что сущест-вз/ет возможность идентификации разрушения волокон, растрескивания матрицы и разрушения на границе раздела слоев при приложении нагрузки к образцу [21 ]. [c.475]

Связь максимальной поверхностной энергии разрушения с обра- боткой поверхности частиц и адгезионным сцеплением их с матрицей объясняются в работах [35, 36] зависимостью напряжений, прп которых трещина может проходить через препятствие, от адгезии. На сложность этой зависимости указывает то обстоятельство, что хотя в обеих этих работах использовались аналогичные стек-лосферы и полиэфирные смолы, а также одинаково обрабатывалась поверхность стеклосфер, в них получены противоположные результаты. В работе [35] максимальная вязкость разрушения наблюдалась при минимальной адгезионной прочности, что связывалось с увеличением в этом случае отслаивания частиц и растрескиванием матрицы на границе раздела с частицами наполнителя. Наоборот, в работе [36] максимальная поверхностная энергия разрушения наблюдалась при максимальной адгезионной прочности, что связывалось с возрастанием напряжения, необходимого для прохождения трещины через препятствие при возрастании прочности сцепления частиц с матрицей. [c.78]

Рассмотрим кратко разрушение однонаправленных композитов при сжатии вдоль волокон [13]. В течение долгого времени основным механизмом разрушения однонаправленных композитов при сжатии вдоль волокон считали местную потерю устойчивости волокон, вслед за которой происходят разрушение волокон и растрескивание матрицы. Различными способами было показано, что разрушающие напряжения должны иметь порядок модуля сдвига матрицы или (для достаточно податливой матрицы) порядок модуля сдвига композита. Этот вывод получил экспериментальное подтверждение на моделях однонаправленных композитов, а также на некоторых промышленных композитах с толстыми волокнами и достаточно податливой матрицей. К этим экспериментальным результатам следует относиться с осторожностью. Они получены на очень коротких образцах, для которых критическая сила общей потери устойчивости имеет порядок модуля Сдвига композита. Кроме того, для получения на опыте сдвиговой формы потери устойчивости необходимо, чтобы все волокна были параллельными и идеально прямыми. [c.160]

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]

Рис. 2.3. Растрескивание матрицы, вызываемое взаимодействием между трансвер-сальиой трещиной и свободной кромкой в слоистом композите под действием осевого растяжения. I — расслоение 2 — траисверсальная трещина.

Недавно был разработан [4] аналитический подход для раздельного рассмотрения двух основных процессов растрескивания матрицы (когда они не связаны друг с другом). Подход основан на методе упругого слоя [5] и классической теории механики разрущения [6]. Критерий материала, определяющий микро-макро-переход, связанный с возникновением отдельной трещины в матрице, формируется с помоио.ю представления об эффективных дефектах материала. Предполагается, что эффективные дефекты имеют макроскопический размер и характеризуют основные свойства материала, образованного из слоев. В этом заключается целесообразный способ аналитического учета существования дефектов в реальном материале и их влияния на возникновение трещины в матрице. Кроме того, предположение о распределении эффективных дефектов дает возможность описать растрескивание матрицы в различных местах материала. Метод механики разрущения используется для выбора необходимого критерия с целью описания распространения отдельных трещин в матрице, тогда как метод упругого слоя применяется для вычисления трехмерного поля напряжений в различных слоях композита. Стохастический метод моделирования, основанный на данном подходе, представлен в работе [7] для внутрислойных трещин в матрице. [c.93]

На рис. 2.5 приведена микрофотография расслоения кромки в другом образце [ 45°/0°/90°] , нагруженном почти до его окончательного разрушения. Здесь в дополнение к начальному расслоению в слое 90° также появляются внутрислойные трещины и расслоения на поверхностях раздела -1-45°/-45° и -45°/0°. Микрофотография свидетельствует о том, что на этой, завершающей, стадии нагружения растрескивание матрицы слоистого композита является процессом, включающим различные виды разрушения многие из них могут проявляться во всех слоях, несмотря на то что композит в целом еще воспринимает нагрузку. [c.95]

Лабораторные испытания образцов, изготовленных из однонаправленных эпоксидных углепластиков, показали, что вязкость разрушения материала G , измеренная для расслоения смешанного типа, обычно больше, чем при расслоении типа I кроме того, установлено, что G , измеренное для расслоения смешанного типа, зависит от вклада сдвиговой составляющей [19—21]. На рис. 2.18 представлена экспериментально определенная зависимость величины G при смешанном типе растрескивания матрицы (только типов I и II) от отношения G /Gj. Видна тенденция монотонного возрастания G . Образцы изготовлялись из однонаправленного эпоксидного углепластика (ТЗОО/934), вырезались под углом к направлению армирования и имели двухсторонние надрезы, как показано на врезке рис. 2.18. Хотя такой эксперимент неточно моделирует действие расслоения у свободной кромки, он, тем не менее, дает общий характер изменения G в условиях смешанного типа растрескивания матрицы. Другие методы, с использованием неравномерно [c.113]

Водородное растрескивание тройника трубопровода 0720 х 18 мм, сооруженного из труб фирмы УаПпгес, произошло после шести лет эксплуатации. Механические испытания металла из очага разрушения показали, что его прочностные свойства соответствуют техническим условиям. В то же время вследствие нано-дороживания относительное сужение уменьшилось более чем на 30%. Металлографические исследования позволили установить, что водородные блистеры зарождались на границах матрица-неметаллические включения и располагались по всему сечению стенки тройника. При этом их максимальная концентрация наблюдалась в середине стенки. Данное явление можно объяснить повышенной концентрацией неметаллических включений в центральной зоне листа вследствие специфики изготовления проката. В дальнейшем, по мере накопления водорода, блистеры сливались между собой или с поперечными трещинами, пронизывая все сечение металла. Значительное давление водорода в расслоении привело к возникновению разрушающих напряжений в наружных слоях металла стенки и к развитию поперечных трещин с последующей разгерметизацией участка трубопровода (рис. 12г). Водородное растрескивание металла с образованием сквозного дефекта в нижней части тройника явилось следствием его эксплуатации в условиях застойной зоны при отсутствии Э(()фективного ингибирования. [c.39]

Как было показано выше, появление в структуре сплава фаз или сегрегаций легирующих элементов (или примесных атомов), обладающих более отрицательным потенциалом, чем матрица, приводит после нарушения пассивности к созданию более отрицательного компромиссного потенциала и усилению анодного тока. Скорость репассивации активной поверхности замедляется. Пример этого—сплав ВТ5-1, состаренный при 500°С в течение 10—100 ч. Вязкость разрушения в коррозионной среде этого сплава в состаренном состоянии 40,3 — 46,5 МПа /м. Излом темноюерый— характерный для коррозионного растрескивания. Однако достаточно этот же сплав подвергнуть закалке с 900—1000°С, обеспечивающей скорость охлаждения в интервале 400—600°С более 50 град/мин, как сплав становится нечувствительным к коррозионному растрескиванию. Величина вязкости разрушения поднимается до 93 — 108,5 МПа y/lA. Излом образцов становится светлым, как у металла, нечувствительного к коррозионному растрескиванию. В этом случае за счет устранения в структуре сегрегатов или упорядоченного а-твердого раствора (по алюминию) снижается величина анодного тока, уменьшается анодное растворение, создаются более благоприятные условия для репассивации поверхности после нарушения защитной пленки, в результате чего уменьшается возможность проникновения и диффузии водорода. [c.71]

Вместе с тем 0-сплав, в котором 0-фаза стабилизирована повышенным содержанием ванадия (3 % А1, 30 % V), не растрескивается независимо от уровня действующих напряжений, наличия концентраторов и ужесточения условий испытания. Вязкость разрушения в коррозионной среде у этого сплава достигает 155 МПакак при расчете по интенсивности напряжений при старте трещины, так и по интенсивности напряжений при торможении движущейся трещины. Аналогично ведут себя 0-сплавы, стабилизированные ванадием, молибденом, ниобием, танталом. В них 0-фаза гомогенна, не содержит сегрегатов, отличающихся по потенциалу от матрицы, и совершенно не склонна к коррозионному растрескиванию. Соответственно веДут себя и (а+ 0)-сплавы, легированные различными элементами. [c.73]

Усиление склонности к растрескиванию при повышении содержания алюминия в сплаве ранее объясняли возникновением в структуре металла концентрационных неоднородностей, имеющих иной, чем у матрицы, электрохимический потенциал. Однако имеется и другой аспект влияния алюминия, который более приемлем при горячесолевом растрескивании он связан с изменением структуры оксидных пленок, как известно, оксиды титана имеют существенно больший удельный объем и меньший коэффициент линейного расширения, чем титан. При наличии когерентной связи оксидов с титаном в пленке возникают напряжения сжатия, а в зоне перехода от оксидов к основному металлу — напряжения растяжения. Возникновение разрушений в пленке в этих условиях зависит [c.77]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...