Процесс усталостного разрушения композитов

Процесс усталостного разрушения композитов [c.175]

Ниже при имитации процессов усталостного разрушения композитов роль поверхностей раздела как фактора, способного останавливать трещины, выявляется путем моделирования очаговой связи по границам компонентов. [c.196]

На основании экспериментальных данных строятся непрерывные функции изменения характеристик материала в соответствии с уравнениями (2.6), (2.7). Полученные функции представляются в дискретном виде для шага с заданным числом циклов. На этом этапе следует хорошо понимать специфические свойства полимерной матрицы и волокон. Высокопрочные волокна имеют, как правило, отличные усталостные характеристики, и изменения их модуля и прочности в процессе нагрул<ения незначительны. Свойства матрицы ухудшаются, однако, весьма значительно. Надо ожидать, что учет усталостных свойств волокон и матрицы приведет к появлению в анализе дополнительных параметров. В их числе параметр, описывающий поведение поверхности раздела волокно — матрица. Отсюда следует, что определение усталостных характеристик компонент композита и выяснение их взаимосвязи не менее важно, чем получение данных об усталостном разрушении композита в целом. [c.89]

На рис. 132 приведены зависимости усталостной прочности слоистых материалов от величины пористости на границах компонентов, соответствующие кривым усталости, построенным на рис. 130. Полученные зависимости совпадают качественно с имеющимися экспериментальными и теоретическими оценками (см. рис. 122) [2]. Расчетные кривые усталости не всегда сопоставимы с экспериментальными, так как процесс усталостного разрушения имитируется на ЭВМ в предположении постоянства амплитуды нагрузки, а экспериментальные данные по усталостной прочности плоских образцов получены в условиях постоянства амплитуды деформаций [2], Однако сопоставление результатов испытания на усталость отдельных стальных пластинок и пакетов из этих пластин, полученных сваркой взрывом, с расчетными кривыми усталости для различных значений пористости (см. рис. 131) показывает, что расчетные кривые располагаются между кривыми усталости отдельных пластин и слоистого материала. Принимая во внимание такие факторы, как упрочнение и возможные структурные изменения в компонентах в процессе сварки взрывом и последующей термообработки, сопоставление расчетных кривых с имеющимися экспериментальными данными показывает, что предложенный подход в целом позволит прогнозировать усталостные свойства композитов с учетом состояния поверхностей раздела между компонентами. [c.246]

Армирование металлов прочными жесткими волокнами может значительно поднять предел усталости. При этом не только увеличивается несущая способность композита, но и усталостные трещины могут задерживаться, тормозиться и отклоняться волокнами. Усталостные процессы в металлах, армированных волокнами, можно охарактеризовать следующим образом в процессе одноосного циклического нагружения композиты имеют тенденцию к циклической устойчивости, к отсутствию значительного упрочнения или разупрочнения. Как и в металлах, усталостные трещины зарождаются на свободных поверхностях, но могут также возникать и внутри композита около оборванных волокон или у их концов. Поверхности раздела волокон и матрицы могут задерживать или тормозить усталостные трещины или же менять направление их роста таким образом, что распространение становится относительно безопасным. Поскольку мест для возможного зарождения трещин много и поверхности раздела способны изменять направление роста трещин, отличительной чертой поверхностей усталостного разрушения в волокнистых композитах в случае высокой усталостной прочности является их крайне неровный характер. [c.437]

Большое сопротивление росту трещины в направлении нагружения, наблюдаемое у композитов с ортогональной схемой армирования [0°/90°]s, вызвано высоким модулем материала в поперечном направлении и стеснением касательных деформаций у вершины надреза волокнами слоев, ориентированных в направлении 90°. Даже в процессе усталостного нагружения при разрушении образуются микротрещины в матрице, а волокна, ориентированные перпендикулярно направлению нагружения, остаются целыми. Можно считать, что явление распространения трещины в композитах этого типа хорошо изучено, несмотря на то, что результаты расчетов совпали с экспериментом скорее качественно, чем количественно. [c.79]

Усталость — это полная потеря свойств (или разрушение) элемента конструкции, наступившая после действия на него переменной нагрузки, максимальная амплитуда которой по величине меньше статической, монотонно прикладываемой нагрузки, вызывающей разрушение этого элемента. Процесс разрушения и усталости металлов зависит от состава, особенностей металлургического процесса, геометрии образца (элемента конструкции), вида нагрузки, времени и условий внешней среды. Для композитов число влияющих параметров необходимо увеличить по крайней мере вдвое из-за наличия в материале двух фаз. Более того, необходимо также учесть и влияние поверхности раздела, что приведет к еще большему усложнению задачи. Конечно, ни одна приемлемая модель для предсказания процесса разрушения не мол<ет одновременно включить все вышеупомянутые параметры. Действительно, невозможно себе представить систему черного ящика , у которого на входе — весь комплекс переменных параметров, а на выходе — только скорость роста разрушения и время достижения предельного состояния. Поэтому не существует единого подхода для определения усталостного разрушения для металлов (которые по крайней мере при макроскопическом подходе рассматриваются как однородные). Для композитов проблема тем более усложняется вследствие присущей им неоднородности. Усталости композитов посвящены многочисленные работы. Достижения и современные тенденции в этой области обобщены в работах [49, 50]. [c.84]

Возможность дать определение разрушению — вот еще одна задача любого исследования, касающегося усталости. Должно ли состояние, определяемое по достижению трещиной некоторой длины, называться разрушением или следует дать иное определение исчерпанию несущей способности в процессе усталостного нагружения. Одной из важных причин широкого использования композитов является их высокая жесткость, поэтому любое ее уменьшение в процессе эксплуатации неблагоприятно сказывается на некоторых параметрах, ограничивающих применение конструкции, в частности на основной частоте. Таким образом, изменение жесткости до определенного предельного уровня в ряде случаев также следует трактовать как разрушение. [c.85]

ЦИКЛОВ С использованием соответственно пересчитанных механических характеристик материала. Предположим, что рассматриваемый слоистый композит содержит начальную поперечную сквозную трещину длиной 2а. Тогда первые несколько циклов нагружения при заданных отношениях напряжений и амплитуды максимального напряжения не приведут к существенным изменениям напряженного состояния у кончика трещины. Последующее длительное воздействие циклической нагрузки вызовет изменения в матрице, волокнах и поверхности раздела. Этот процесс описывается уравнениями (2.6), (2.7). Наступает момент, когда характеристики жесткости и прочности композита изменяются настолько, что появляется возможность распространения трещины в наиравлении нагружения, как показано на рис. 2.27. Вначале рост трещины устойчив — это было показано ранее. Следовательно, геометрия образовавшейся трещины такова, что материал еще может безопасно подвергаться дальнейшему нагружению. При этом продолжается уменьшение модулей упругости и прочности, что, вероятно, вызывает ускорение роста трещины. В конечном итоге после многократного повторения циклов нагружения свойства материала ухудшаются настолько, что при амплитудном значении напряжения трещина прорастает катастрофически и наступает усталостное разрушение. Однако следует иметь в виду, что в результате действия механизмов, тормозящих разрушение, как в случае слоистого композита со схемой армирования [0°/90°] , усталостное испытание может закончиться разрушением образца вследствие падения его прочностных свойств. В процессе усталостного нагружения могут, кроме указанного, проявиться и другие механизмы разрушения, такие, как разрушение волокон в окрестности кончика трещины из-за высокой концентрации напряжений. За этим может последовать распространение поперечной трещины, как показано на рис. 2.31, или межслойное разрушение (расслоение) вблизи надреза (рис. 2.16), или вдоль свободных кромок образца (рис. 2.17). В любом из этих случаев развитие процесса разрушения поддается предсказанию. Получив количественную оценку протяженности области разрушения (определяемой как а или а), можно установить соотношения da/dN или da/dN и сравнить их с экспериментальными данными. [c.90]

Усталостное поведение композита зависит от его типа, т. е. от вида дисперсной фазы. Усталостное поведение материалов, армированных волокном, существенно отличается от поведения материалов, в которых для армирования использованы частицы. Тип материала также оказывает влияние на усталостное поведение металлы отличаются от неметаллических материалов. При изучении усталостного поведения композитов обращают внимание на отрыв по границе раздела матрица — волокно, на возникновение и развитие трещин в матрице, на разрушение дисперсной фазы и др. До того как произойдет полное разрушение материала, последовательность указанных повреждений может быть самой разнообразной. В процессе действия усталостных нагрузок могут происходить значительные изменения модулей упругости и повышение температуры. В рассматриваемом случае процесс усталости носит сложный характер. На рис. 6.31 в общем плане приведены взаимосвязи между структурой материала и процессом усталости. [c.175]

Уже указывалось ранее, что процесс усталости материала, армированного волокном, представляет собой сложный процесс, состоящий из образования и развития трещины в матричной фазе, отслоения на границе раздела матричной фазы и армирующих элементов, разрушения дисперсной фазы. Оуэн и др. [6.31] провели наблюдения за усталостным поведением композита во второй области. Результаты этих [c.177]

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]

Остаточная прочность некоторых слоистых композитов с концентраторами, под которой понимается статическая прочность, измеренная после усталостного нагружения, равна статической прочности до усталостного нагружения или выше ее. Это опять противоречит экспериментальным данным для высокопрочных металлических сплавов, у которых усталостное нагружение приводи г к росту трещин и неустойчивости процесса разрушения. [c.52]

Как указывалось в разд. 6.2, процесс развития усталости в металлических композитах связан последовательно с разрушением волокна, концентрацией напряжений на концах волокна и в конечном счете с разрушением матрицы. В табл. 6.9 приведены результаты испытаний различных металлических композитов на усталостное растяжение в направлении волокна [6.55]. На рис. 6.58 в качестве примера показаны полученные экспериментально диаграммы S—Л для алюминия, [c.195]

Некоторая феноменологическая модель, описывающая четыре стадии процесса усталостного разрушения современных бороалюминиевых композитов в условиях циклического растяжения, может быть описана следующим образом. [c.435]

Под действием циклических нагрузок на материал в течение продолжительного времени при некотором числе циклов может произойти разрушение материала при напрял<ении, которое оказывается ниже статического предела прочности. Число циклов, соответствующее разрушению, зависит от величины напряжения. Такой характер разрушения называется усталостным. Исследованиями усталости металлов издавна занимались многие ученые, что позволило глубоко и широко изучить процесс усталостного разрушения. К исследованию усталостного разрушения композитов приступили сравнительно недавно. В 1964 г. Боллер опубликовал результаты исследований на циклическое растяжение пластмасс, армированных стекловолокном [6.23]. С этого времени началось интенсивное исследование усталости композитов, которое продолжается и в настоящее время. [c.175]

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]

В целом применение машинного модел фования при прогнозировании усталостного разрушения композитов открывает определенные возможности учета ряда факторов (например, состояние границ раздела), имеющих принципиальное значение для повышения прочностных свойств материалов и оптимизации технологических процессов их получения. [c.236]

Вышеизложенные процессы происходят локализовано в упомянутой последовательности, в некоторых областях в композите они могут находиться в более развитой стадии, чем в других. В бороалюминиевых композитах усталостное разрушение не является, как в большинстве металлов, результатом монотонного роста одной наиболее опасной трещины через весь образец. Наличие неровных поверхностей усталостного разрушения представляет собой прямой результат того, что в случайных точках возникают и начинают расти множество трещин и что имеется вырожденная тенденция к ветвлению и росту трещин в направлениях, параллельных поверхностям раздела. [c.436]

Роль вязкоупругости в процессах микро- и макрорастрескивания при усталостном нагружении пока не вполне понятна. Низкая теплопроводность полимеров вместе с механизмами вязкоупругой диссипации может быть причиной значительного повышения температуры в кончике трещины и в больших по объему зонах разрушения композитов. По-видимому, чтобы получить хорошее представление об усталостных повреждениях и разрушении композитов, необходимо, принимая во внимание чувствительность полимеров к температуре, основательно исследовать и эту проблему. [c.218]

Представлена краткая история и обаор модифицированной механики раз рушения Гриффитса — Ирвина. Подчеркнуто значение коэффициента интенсивности напряжений и скорости высвобождения энергии деформирования в механике разрушения изотропных и анизотропных материалов. Кратко изложена эмпирическая трактовка процесса усталостного роста трещины в изотропной среде. Затем перечислены противоречия между основными предпосылками классической теории разрушения и особенностями протекания процесса разрушения в многофазных слоистых материалах. Тем самым показана необходимость некоторого смягчения исходных предпосылок теории разрушения, которое позволило бы создать практически применимые подходы для решения задач разрушения композитов. Очень кратко, вследствие неприменимости непосредственно к решению инженерных задач, изложены основные результаты, полученные при помощи методов микромеханики, позволяющих исследовать процессы взаимодействия между трещиной, волокном и связующим в бесконечной среде. Далее огшсаны основные концепции современных макромеханических подходов для описания процесса разрушения композитов. Отмечено, что все подходы, расчеты по которым находятся в соответствии с экспериментальными данными, исключают из рассмотрения нелинейную зону или зону разрушения у кончика трещины. Более сложные теории (с учетом критического объема, плотности энергии деформирования) наилучшим образом согласуются с экспериментами на однонаправленно армированных композитах, когда трещины распространяются параллельно волокнам. Эти теории также хорошо описывают нагружение слоистых композитов под углом к направлению армирования, когда преобладающее влияние на процесс разрушения оказывает растрескивание полимерной матрицы. Расчеты по двум приближенным теориям (гипотетической трещины и критического расстояния) и комбинированному методу (модель тонкой пластической зоны) сравниваются с данными, полученными при испытании слоистых композитов с симметричной схемой армирования [ 6°]s. Приведены данные о хорошем соответствии степенной аппроксимации, применяемой для описания скорости роста трещины, результатам испытаний на усталость слоистых композитов с концентраторами напряжений. [c.221]

Сопоставление результатов испытаний волокнистых и слоистых композитов показывает, что существенное повышение усталостной прочности происходит не только за счет наличия жестких волокон, но и за счет торможения трещин границами компонентов [2, 105]. При высоких объемных долях волокон развитие разрушения на микроструктурном уровне сопровождается разрушением. отдельных волокон, которое может быть как усталостным, т.е. в результате накопления локальных субмикроповреждений, так и статическим, вызванным локальными перегрузками в результате перераспределения напряжений в композите. В этих случаях развитие процесса разрушения еще более чувствительно к состоянию границ раздела волокон и матрицы например, при наличии пор на границах разрушение отдельных волокон может не приводить к окончательному разрушению материала, в то же время при наличии прочной связи разрушение отдельных волокон приводит к развитию макроразрушения композита. [c.28]

УСТАЛОСТЬ МАТЕРИАЛОВ, изменение механич. и физ. св-в материала под длит, действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Изменение состояния материала при усталостном процессе отражается на его механич. св-вах, макроструктуре, микроструктуре и субструктуре. Эти изменения протекают по стадиям и зависят от исходных св-в, вида напряжённого состояния, истории нагружения и влияния среды. На определённой стадии начинаются необратимые явления снижения сопротивления материала разрушению, характеризуемые как усталостное повреждение. Сначала в структурных составляющих материала и по границам их сопряжения (зёрна поликрист. металла, волокна и матрхща композитов, мол. цепи полимеров) образуются микротрещины, к-рые на дальнейших стадиях перерастают в макротрещины либо приводят к окончат. разрушению элемента конструкции или образца для механич. испытаний. [c.796]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...