Композиционные усталостное разрушение

Традиционные высокопрочные сплавы, как правило, имеют низкую пластичность, высокую чувствительность к концентраторам напряжений и сравнительно малое сопротивление усталостному разрушению. Композиционные волокнистые материалы, обладая высоким пределом прочности и еще меньшей пластичностью, чем высокопрочные сплавы, имеют, однако, меньшую чувствительность к концентраторам напряжений и большее сопротивление усталостному разрушению. Это объясняется тем, что у материалов различный механизм развития трещин. В традиционных изотропных высокопрочных сталях и сплавах развитие трещин идет прогрессирующим темпом, скорость трещинообразования возрастает по мере вовлечения в очаг образования трещины все больших элементов структуры — зерен, дендритов и пр. [c.12]

Композиционные материалы, кроме повышенной вязкости разрушения, отличаются высоким сопротивлением усталостному разрушению. Предел выносливости сталей, алюминиевых и титановых сплавов составляет 0,3—0,5 от предела прочности, тогда как это отношение для композиционных материалов на основе алюминиевых и титановых сплавов и для никелевых эвтектических композиций составляет 0,6—0,75. [c.26]

Одним из первых композиционных армированных материалов была медь, упрочненная вольфрамовыми и молибденовыми волокнами. Такая медь, изготавливаемая в основном методом инфильтрации, наряду с повышенной кратковременной и длительной прочностью обладает повышенным сопротивлением усталостному разрушению при комнатной температуре. Уменьшение диаметра волокон вызывает повышение прочности композиции в целом. В последние годы все более широко применяют технологию динамического горячего прессования при 950 - 1000 °С и диффузионной сварки в течение 2 ч при 550 - 800 °С и давлении 45 МПа. Известна композиция медь - волокна бора, получаемая горячим прессованием. [c.184]

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, а также полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные характеристики плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред. [c.251]

Дж. Гордон и Дж. Кук изучали влияние прочности связи волокна с матрицей на характер распространения трещин в композиционном материале. Они показали, что впереди острия трещины наряду с растягивающими напряжениями (Ог) действуют поперечные напряжения (а ). При определенном соотношении между ними под действием напряжения возможно расслоение или разрушение границы волокна с матрицей. Трещина в этом случае распространяется не через волокно, а отводится в направлении, перпендикулярном оси волокна (рис. 10.7). Таким образом, рост трещины тормозится в главном направлении и одна большая трещина, способная разрушить материал, в композиции преобразуется во множество мелких ответвленных трещин. Структурные особенности композиционных материалов и связанный с этим прерывистый характер распространения трещины определяют их существенное отличие в характере усталостного разрушения от наблюдаемого в металлах и сплавах. В композиционных материалах критическая длинна де- [c.262]

Высокопрочные сплавы, как правило, имеют низкую пластичность, высокую чувствительность к концентраторам напряжений и сравнительно низкое сопротивление развитию трещин усталости. Хотя композиционные материалы могут иметь также невысокую пластичность, они значительно менее чувствительны к концентраторам напряжений и лучше сопротивляются усталостному разрушению. Это объясняется разным механизмом образования трещин у высокопрочных сталей и сплавов. В высокопрочных сталях трещина, достигнув критического размера, в дальнейшем развивается прогрессирующим темпом. [c.866]

Композиционные материалы (КМ) по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы (рис. 14.18). Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом КМ придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции. [c.434]

С увеличением предела прочности матрицы и модуля упругости волокна усталостная прочность композиционных материалов, упрочненных однотипными волокнами, возрастает. Точно так же с увеличением объемного содержания армирующих волокон до критической величины, несколько меньшей, чем при статическом нагружении в матрице, повышается сопротивление усталостному разрушению композиционного материала. [c.586]

Матрица объединяет все компоненты композиционного материала в единое целое. От свойств матричного материала зависят такие эксплуатационные свойства композиции как рабочая температура, сопротивление воздействию окружающей среды, сопротивление усталостному разрушению. [c.147]

Особенности усталостного разрушения композиционных материалов. В развитии разрушения композитов при действии циклических нагрузок выявляется особая роль поверхностей раздела компонентов, которые, как правило, представляют собой эффективные препятствия для микротрещин, возникающих как при усталостном разрушении отдельных волокон, так и при появлении усталостных повреждений в матрице. [c.26]

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]

Сопротивляемость вакуумно-плазменных покрытий разрушению можно увеличить созданием многослойных композиционных покрытий, хорошо сопротивляющихся усталостному разрушению. Увеличение прочности сцепления покрытия и твердосплавной матрицы возможно методами дополнительной и комплексной термической обработки. Характер разрушения покрытий Ti ГТ, ДТ обусловлен особенностью их кристаллического строения, лучшей сопротивляемостью диффузионному растворению в обрабатываемом материале из-за большей прочности химической связи Ме—С и высокой прочностью сцепления покрытия и твердосплавной матрицы. В частности, для покрытий Ti ДТ, ГТ практически не отмечали полного отслаивания покрытия на контактных площадках инструмента. При резании на скоростях, когда возникают темпе- [c.121]

Одним из первых композиционных материалов была медь, упрочненная вольфрамовыми и молибденовыми волокнами. Армированная медь, приготовляемая в основном методом пропитки, наряду с повышенной кратковременной и длительной прочностью обладает повышенным сопротивлением усталостному разрушению при комнатной температуре. Уменьшение диаметра волокон вызывает повышение прочности композиции в целом. В настоящее время известна композиция медь — волокна бора, полученная горячим прессованием. [c.466]

Кроме перечисленных задач, анализируя конструкции, можно также моделировать механизм их разрушения, пластическую деформацию и усталостное разрушение, учитывать специфику композиционных материалов. [c.4]

Физико-механические свойства износостойких покрытий, отличаюш,иеся в широком диапазоне (табл. 7.33), не дают оснований для отбора наилучших покрытий только по этим параметрам. Такое возможно для однослойных покрытий. Композиционные двойные, тройные и большие системы строятся по особым принципам, где важное значение могут иметь слои соединений с низкими физико-механическими свойствами. Для пояснения рассмотрим идеализированную схему композиционного покрытия. Контактирующий с обрабатываемым материалом наружный слой первый должен препятствовать адгезии и диффузии, образованию окисных пленок, сопротивляться термическим превращениям и хрупкому усталостному разрушению. Последний слой обеспечивает связь покрытия с инструментальным материалом, для чего от них требуется идентичность кристаллохимического строения (близкие параметры решетки и особенности кристаллов, максимальная разность атомных размеров не должна превышать 15 %), невозможность образования хрупких фаз при температуре резания, близость коэффициентов линейного расширения при пагреве, теплопроводности, других физико-химических свойств (модулей упругости и сдвига, коэффициентов Пуассона). Третий слой осуществляет барьерные функции между первым и последним слоями, повышая термодинамическую устойчивость покрытия, изменяя его теплопроводность и т.д. Три основных слоя связываются с помощью двух промежуточных слоев. [c.164]

Лабораторные испытания образцов композиционных материалов и элементов конструкций подтвердили возможность значительного повышения усталостной прочности и предотвращения разрушения за счет присущих этим комбинированным системам материал — конструкция статически неопределимых характеристик. [c.42]

Виды роста усталостных трещин, наблюдавшиеся в металлах, армированных волокнами, соответствуют прогнозам, сделанным на основе рассмотрения упругого поля напряжений у конца трещины. Было обнаружено большинство из отмеченных в табл. III эффектов влияния поверхности раздела на рост трещин [22]. Эти и другие возможные виды роста усталостных трещин проиллюстрированы на рис. 10. То, какой из видов роста трещин реализуется в данном композиционном материале, зависит от относительных модулей, предела текучести и вязкости волокна и матрицы и от прочности и структуры поверхности раздела между ними. По-видимому, идеальным в смысле усталостной прочности является такой армированный волокнами металл, который имеет вязкую матрицу, обладающую невысоким пределом текучести, хрупкие волокна с высоким пределом текучести и слабое сцепление на поверхностях раздела (т. е. разрушение происходит на поверхности раздела, а не в матрице) [22]. [c.418]

В работах [4, 5] установлено, что при чистом сжатии усталостная трещина распространяется вследствие продольного изгиба волокон. Такой тип разрушения является характерным для армированных волокнами композиционных материалов. При этом обычно имеет место макроскопическое сдвиговое разрушение полимерной матрицы или отслоение на границе раздела волокно - полимерная матрица. [c.141]

ПРОЧНОСТЬ, вязкость РАЗРУШЕНИЯ и УСТАЛОСТНАЯ ВЫНОСЛИВОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ композиционных МАТЕРИАЛОВ [c.50]

При некотором оптимальном уровне пористости (в нашем случае Кп = = 0,6) наблюдается накопление повреждений в материале как в результате развития усталостных трещин в слоях, так и в результате разрушения перемычек между порами (см. рис 133,11). В этом случае реализуется этап накопления повреждений на микроструктурном уровне и долговечность композиционного материала максимальна. [c.247]

Результаты проведенных исследований показывают, что совершенствование-режущих инструментов в результате нанесения покрытий возможно разными пу тями. Например, создание специальных инструментальных матриц, свойства которых в наибольшей степени удовлетворяли бы оптимальным условиям кинетики роста покрытия. Режущий инструмент, изготовленный из материала подобного типа, имел бы высококачественное покрытие и прочное сцепление покрытия и матрицы. Совершенствование покрытий будет базироваться на создании многослойно-композиционных покрытий, отвечающих требованиям третьей среды между инструментальным и обрабатываемым материалами. Многослойно-композиционные покрытия, имеющие гетерофазное строение и переменные свойства по сечению, лучше сопротивляются хрупкому разрушению, имеют низкое физико-химическое сродство с обрабатываемым материалом и поэтому более эффективно уменьшают интенсивность диффузионных, химико-окислительных и адгезионно-усталостных видов изнашивания инструмента. Б результате, создания новых поколений установок процесс нанесения покрытий будет происходить в автоматизированном режиме, управляемом от ЭВМ при возможно строгой регламентацией оптимальных соотношений технологических параметров. [c.184]

Вид разрушения сильно зависел от величины начального напряжения. Композиционный материал типа А, испытывавшийся при небольших напряжениях (число циклов до окончания испытаний превышало 10 ), при подповерхностном изучении показал, что усталостные трещины простирались на глубину 0,125 мм, т. е. на 10% от толщины образца. [c.196]

Изделие, показанное на рис. 11, представляет прекрасный пример применения современных композиционных материалов для ответственных деталей, подвергающихся вибрациям или возвратно-поступательным движениям. Это ремизные рамы ткацких станков типа Бонас . Применение углеродных волокон дает возможность увеличить жесткость и уменьшить массу рам и, таким образом, позволяет увеличить скорость, не опасаясь усталостных разрушений, обычно присущих металлам. Вотт и Филлипс 117] изучили эту область применения композиционных материалов и считают, что уже достигнуто увеличение скорости ткацких станков на 50%. Очевидно, что при таком повышении производительности применение углеродных волокон может оказаться эффективным и при существующих ценах. Возможность повысить качество текстильного и аналогичного оборудования даст значительный экономический эффект предприятиям. [c.480]

В данном обсуждении делается обзор современного состояния знаний о механизмах усталостного разрушения в металлах, армированных волокнами. Цели этого обзора состоят в том, чтобы резюмировать те принципы, коль скоро они известны, которые определяют усталостцую прочность композитов, и поставить дальнейшие задачи по разработке композиционных материалов для работы в условиях усталости. [c.395]

Перспективность использования композиционных материалов в различных отраслях техники определяется их широким спектром самых различных свойств. Высокие прочность и удельная жесткость, малая чувствительность к концентраторам напряжений и высокое сопротивление усталостному разрушению, жаропрочность, износостойкость, электропроводность, а такжеэлектро-изоляционпые, антифрикционные, теплозащитные, эрозионностойкие, радиопрозрачные, радпопоглощающие, энергоемкие и другие свойства — таков далеко не полный перечень важнейших характеристик этих материалов. [c.230]

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60—80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами)—20—30 об. %. Чем выше прочность н. модуль упругости ватокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. [c.475]

Хотя усталостная выносливость полимеров с высокой объемной долей непрерывных однонаправленных углеродных или борных волокон обычно достаточно высока, стойкость композиций разных типов с короткими волокнами к циклическим нагрузкам значительно меньше, так как менее устойчивая матрица в этом случае подвергается большим напряжениям. В матрице легко инициируются начальные повреждения, что приводит к нарушению целостности композиционного материала, хотя волокна остаются неповрежденными. Задолго до резкого падения жесткости материала его проницаемость для воды или водяных паров сильно возрастает. Граница раздела фаз особенно чувствительна к усталостному разрушению, так как сдвиговые напряжения на границе раздела меняют свое направление в каждом цикле, а по краям волокон наблюдается особенно высокий уровень концентрации сдвиговых напряжений. Возможно также, что в композиционных материалах как с хаотическим, так и с ориентированным распределением коротких волокон, концы волокон и слабые места границы раздела служат центрами зарождения усталостных трещин. [c.105]

Макроскопические характеристики усталостного разрушения металлов и волокнистых композиционных материалов очень похожи, хотя на микроуровне они различаются очень сильно. Хрупкие материалы, такие как стекло, углерод и бор, не снижают свою несущую способность при циклических нагрузках в отличие от пластически деформируемых материалов. Следовательно, композиционные материалы на основе хрупких волокон должны обладать высокой усталостной выносливостью, если волокна выдерживают основную нагрузку. Это предположение выполняется в случае пластиков, армированных однонаправленными углеродными и борными волокнами при усталостных испытаниях на одноосное напряжение. Диаграммы зависимости максимального напряжения от числа циклов до разрушения (диаграммы а—N) для таких материалов действительно практически горизонтальны и при циклических нагрузках, лежащих ниже полосы разброса статической прочности при растяжении, истинное усталостное разрушение практически не наблюдается. Бимон и Харрис [140], а также Оуэн и Моррис [141] получили одинаковые результаты для карбопластиков на основе эпоксидных и полиэфирных связующих [c.136]

Механические свойства матрицы являются определяющими для свойств композиций при сдвиге, сжатии и нагружении нормальными напряжениями в направлениях, отличных от ориентации волокон, а также в сопротивлении композиций усталостному разрушению. С ростом механических характеристик матриц пропорционально увеличиваются характеристики механических свойств композиций при сдвиге и сжатии. В волокнистых композиционных материалах усталостное разрушение начинается с матрицы при достижении в ней определенного напряжения. Гетерогенная структура материала, различие в уровнях напряженности волокон и матрицы, а также наличие поверхностей раздела затрудняют процесс зарождения и роста трещин в направлении, перпендикулярном к направлению армирования, и образование мятигтряльной трещины, приводящей к разрушению. Поэтому у композиционных материалов более высокое сопротивление y iajio itiOHy разрушению, чем у традиционных материалов. Так, например, отношение усталостной прочности (на базе 10 циклов) к пределу прочности у стандартных алюминиевых и магниевых сплавов составляет 0,2— 0,3, а у бор алюминиевой композиции ВКА-1—0,7—0,75, т. е. в 3—4 раза больше. [c.586]

Объектами исследования в монографии являются композиционные материалы, состоящие из металлических матриц и высокопрочных неорганических волокон. Исследуются процессы разрушения бороалюминия, углеалюминия, процессы ползучести и разрушения эвтектических направленно кристаллизованных композитов и процессы усталостного разрушения слоистых композитов. Предлагаемый подход может быть применен и при исследовании волокнистых композитов с полимерной матрицей, перспективных керамических композитов, разнообразных поливолокнистых гибридных композиционных материалов. [c.9]

Изложены основы получения конденсированных в вакууме композиционных фольг (пленок) материалов в виде металлов и сплавов с высокими механическими сЬойствами. Рассмотрены структура, механические свойства, особенности деформации и разрушения металлических фолы. Описана методика исследования комплекса механических свойств объектов толщиной 1—100 мкм. Показана возможность применения высокопрочных пленочных материалов в качестве защитных покрытий для повышения износостойкости и усталостной прочности металлических изделий. [c.52]

ЧТО реальные нагрузки чуть-чуть выше (например, в результате расчетной недооценки, коррозии, частичного износа и т. д.), что соответствует уровню В на рис. 3. Тогда разрушение может произойти в пределах требуемого срока службы. На рис. 4 сравниваются усталостные кривые для композиционного материала и металла. Первый может без риска разрушения подвергаться более высоким циклическим нагрузкам, чем второй. Кроме того, для композиционного материала можно более надежно предсказывать срок службы, так как его кривая почти линейна и не имеет плоской площадки, как обычиая усталостная кривая для металлов. [c.101]

Развитие полимерных композиционных материалов сопровождается появлением большого количества литературы, посвященной теории и практике их получения и применения. Советскому читателю предлагается перевод книги, написанной большим коллективом авторов, в которой рассматриваются принципы создания и использования полимерных композиционных материалов. В отличие от других переводных книг по композиционным материалам, например однотомника Современные композиционные материалы (изд-во Мир , 1970 г.) и восьмитомника Композиционные материалы под редакцией Л. Браутмана и Р. Крока (изд-во Мир , 1977—1979 гг.) в основу которых положены главным образом проблемы механики композиционных материалов, настоящая книга написана с позиций общего материаловедения. В ней анализируются важнейшие эксплуатационные свойства промышленных полимерных композиционных материалов основных типов жесткость, прочность, вязкость разрушения, усталостная выносливость, вязкоупругие и антифрикционные свойства, тепловое расширение, тепло- и электропроводность, горючесть, — а также рассматривается применение этих материалов в таких важных областях, как строительство и строительные конструкции, машиностроение, транспорт, производство бытовых товаров, тары и упаковки. [c.10]

Экспериментальных данных о поведении композиций с короткими волокнами при циклических нагрузках очень мало. По данным, полученным в работе [75], установлено, что предел усталостной выносливости поликарбоната при 10 циклов возрастает в 7 раз при введении 40% стекловолокон длиной 6,4 мм. В работе [76] определено число циклов до разрушения эпоксидных смол, наполненных короткими борными волокнами, и установлено, что при циклических нагрузках с амплитудой, составляющей любую долю от разрушающего напряжения, число циклов до разрушения быстро возрастает с увеличением характеристического отношения волокон, достигая постоянных значений при Ijd около 200. Эту величину можно считать критическим характеристическим отношением, выше которого усталостная прочность постоянна и пропорциональна статической прочности при изгибе (рис. 2.48). В этой же работе исследованы свойства эпоксидных смол с ориентированными асбестовыми волокнами. При этом установлено, что их поведение мало отличается от поведения эпоксидных смол с борными волокнами длиной 25 мм. Оуэн с сотр. [77] показали, что усталостная прочность при 10 циклах полиэфирной смолы, наполненной стекломатом с хаотическим распределением волокон, колеблется между 15 и 45% от разрушающего напряжения при статическом растяжении. В работе [78] изучали поведение при циклическом растяжении и изгибе эпоксидной смолы, содержащей 44% (об.) ориентированных стеклянных волокон длиной 12,5 мм. Полученные результаты показывают, что этот материал является перспективным для изделий, работающих при циклических нагрузках, так как предел его усталостной выносливости составляет более 40% от разрушающего напряжения при растяжении. Эти результаты необычны для стеклопластиков, для которых, очевидно, нет истинно безопасного нижнего предела при циклических нагрузках даже в случае непрерывных волокон [79]. Недавно были исследованы свойства при циклических нагрузках промышленных полиэфирных премиксов [80]. Полученные кривые зависимости амплитудного напряжения от числа циклов до разрушения для литьевых премиксов с хаотическим в плоскости распределением волокон (рис. 2.49) можно сравнить с кривыми, полученными Оуэном с сотр. [81] для композиционных материалов с однонаправленными непрерывными волокнами и для слоистых пла- [c.106]

Образцы боралюминиевых композиционных материалов испытывались на усталость под действием консольного изгиба [50, 52, 56, 62, 63, 86, 80, 78]. Преимущество первого типа испытаний заключается в возможности исследования влияния напряжений сжатия и растяжения без потери устойчивости образца. Однако недостатки, заключающиеся в неоднородности напряженного состояния, наряду с трудностью определения критерия разрушения, затрудняют интерпретацию полученных результатов. Обсуждаемые ниже данные были получены при усталостных испытаниях в осевом направлении, без учета этих недостатков. [c.484]

Разрушение волокна в процессе усталостных испытаний также определялось методами рентгеновской радиографии, причем было показано, что прогрессирующее разрушение волокна может происходить вблизи пиков напряжений на поверхности образца, таких, как механически обработанные галтели. Было показано, что степень повреждений, причиненных усталостными нагрузками, незначительно снижает остаточную прочность в осевом направлении композиционного материала. Остаточная прочность композиционного материала может сохраняться на уровне той прочности, которую материал имел в состоянии после изготовления. Это иллюстрируется работой Менке и Тоза[621. Результаты экспериментов, приведенные на рис. 34, показывают, что окончательная потеря прочности композиционного материала быстро прогрессирует в хсонце срока живучести образца [62]. [c.486]

МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЭВМ МЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ И ПГОГНОЗИРОВАНИЕ ИХ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ [c.239]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...