Вязкость разрушения композита

Вязкость разрушения композита (в данном случае ее принято характеризовать критической величиной интенсивности выделения энергии при продвижении трещины на единицу длины — величиной скалярной и, значит, аддитивной в обычном смысле) можно-выразить как сумму вязкостей разрушения его составляющих [c.279]

Показано, что, если распространяющаяся в композите трещина пересекает волокна упрочнителя, вязкость разрушения увеличивается тем больше, чем больше волокна отслаиваются от матрицы. Значит, из соображений повышения вязкости разрушения предпочтительной является слабая поверхность раздела. Однако при распространении трещины в матрице параллельно волокнам предпочтительна прочная поверхность раздела — это позволяет предотвратить разрушение по поверхности раздела, связанное с малыми затратами энергии. Были отмечены и другие случаи так, при распространении трещины перпендикулярно волокнам высокая вязкость разрушения может быть обусловлена несколькими механизмами. При действии одного из них — вытягивания волокон — вязкость разрушения определяется силами трения и длиной вытянутого из матрицы отрезка волокна. Высокая вязкость разрушения может быть получена и в композитах, в которых не происходит ни отслаивания, ни вытягивания волокон. Так, в системе бор — алюминий вязкость разрушения зависит в основном от энергии деформации, накопленной волокном в пластической зоне деформации композита непосредственно к моменту разрушения волокна. Вязкость разрушения ориентированных композитов, как правило, слабо зависит от вязкости разрушения матрицы. Исключение представляет случай, когда поверхность раздела прочна, а трещина распространяется параллельно волокнам в этих условиях вязкости разрушения композита и материала матрицы сопоставимы. При достаточно высокой объемной доле упрочнителя и слабой поверхности раздела вязкость разрушения определяется поверхностью раздела. Вязкость разрушения композитов, армированных ориентированным в нескольких направлениях упрочнителем, зависит, главным образом, от тех волокон, которые расположены поперек трещины и разрушение которых необходимо для дальней- [c.304]

Несколько глав книги посвящено обсуждению зависящих от времени механических свойств — длительной прочности и усталости. Большое внимание уделяется микромеханическим аспектам и вязкости разрушения композитов. [c.4]

Практическое значение этой детальной модели распространения трещины заключается в обосновании вывода, что в действитель--ности технологические дефекты, например разориентация и скручивание волокон, способствуют увеличению вязкости разрушения композита. Как хорошо известно, слабая разориентация волокон незначительно сказывается на жесткости композита. Следовательно, мы можем предполагать, что существует разумный компромисс между стоимостью изготовления, жесткостью и прочностью композитов. [c.248]

Таким образом, кривая напряжение — деформация рассмотренного композита несколько отличается от диаграммы композита, разрушающегося в результате единичного разрыва. В частности, процесс прогрессирующего разрушения матрицы приводит к необратимому поглощению энергии, что может вызвать существенное повышение вязкости разрушения композита. Следует отметить также, что поглощение энергии происходит при условиях возрастающей нагрузки, аналогично тому, что наблюдается у упрочняющихся металлов. Это поведение отличается от ряда других механизмов поглощения энергии, которые обнаружены при разрушении композитов, например вытаскивания волокон, которое хотя и может дать вклад в работу разрушения при значительных раскрытиях трещины, но практически не увеличивает устойчивость материала перед разрушением. [c.448]

Однако вытаскивание волокон возникает не только у композитов с короткими волокнами, поскольку оно будет возникать всякий раз, когда волокна рвутся в точках, не лежащих в плоскости разрушения матрицы. Задача о прочности и вязкости разрушения композитов, армированных непрерывными волокнами, обладающими, однако, распределением слабых точек по длине, была рассмотрена Купером [13]. Он предположил, что отдельное волокно имеет постоянную прочность а всюду, кроме слабой точки с прочностью о на расстоянии у от плоскости трещины в матрице. Таким образом, напряжение в волокне в плоскости трещины матрицы может до разрушения в слабой точке достигать величины [c.470]

Вязкость разрушения композита [c.88]

Постоянная 7 в общем случае связана с вязкостью разрушения композита следующим уравнением [1] [c.89]

Таким образом, выявляется один из механизмов замедления развития разрушения композита при уменьшении прочности связи между компонентами, Изучение этих эффектов позволяет также ставить вопрос об оптимальной величине прочности связи, которая обеспечивает монолитность материала и перераспределения напряжений, с одной стороны, а с другой — обеспечивает затухание динамических процессов разрушения и необходимую вязкость разрушения композита в целом. [c.156]

Глава открывается кратким обсуждением наиболее распространенных методов определения вязкости разрушения композитных материалов. Затем рассмотрено разрушение композитных материалов, упрочненных волокнами и частицами, а также слоистых композитов, причем особое внимание уделено волокнистым системам направленной кристаллизации. Наряду с экспериментальными данными для каждого класса материалов представлена сводка соответствующих теоретических результатов. В конце главы приводится обзор данных по разрушению композитов и обсуждается влияние поверхности раздела. [c.267]

При ударном испытании по Шарпи определяют энергию, необходимую для разрушения путем изгиба образца с надрезом. Удар по образцу производят при помощи маятника с известной кинетической энергией, а величина энергии, затраченной маятником, может служить относительной характеристикой вязкости разрушения материала. Хотя на величину энергии маятника и геометрию образца разработаны стандарты, при испытании композитов они [c.267]

Механизмы, определяющие вязкость разрушения волокнистых композитов, можно изучать на идеализированных композитных системах это позволяет оценить роль поверхности раздела. Рассмотрим сначала, какой вклад вносят волокно и матрица по отдельности затем обсудим, как влияет в этом отношении поверхность раздела. [c.279]

Вязкими могут быть и композиты, в которых отслаивания не происходит хорошим примером в этом отношении является система бор — алюминий. Предложены два возможных механизма, определяющие вязкость разрушения этой системы. Первый исходит из того, что поверхность излома борного волокна очень неровная, [c.282]

Рис. 20. Вязкость три поперечном разрушении композитов алю(миний — нержавеющая сталь [12].

В пользу механизма затупления вершины трещины свидетельствует также поведение некоторых металлических композитов. При введении малых количеств (2—5%) дисперсных (размером 1— 5 мкм) слабо связанных с матрицей твердых сферических частиц в материал, которому обычно присущи малые значения энергии разрушения, вязкость последнего может существенно увеличиться. Слабая поверхность раздела способствует образованию округлых полостей и не может выдерживать растягивающих напряжений, вследствие чего трещина тормозится из-за уменьшения локальных растягивающих напряжений, а вершина ее притупляется полностью. Таким образом, работа разрушения композита значительно увеличивается [18]. [c.303]

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]

В композитах, упрочненных частицами, поверхность раздела весьма существенно влияет на вязкость разрушения. Если частицы много жестче матрицы и слабо связаны с ней, то вязкость разрушения растет, в основном, из-за эффекта затупления вершины трещины (то же, вероятно, происходит в материале с аналогичным распределением пор). Если частицы менее жестки, чем матрица, и прочно связаны с ней, то вязкость разрушения также может быть заметно повышена. В последнем случае частицы значительно увеличивают долю материала матрицы, претерпевающего сильную пластическую деформацию, и сами при этом становятся более жесткими. [c.305]

Для органических полимеров, армированных минеральными волокнами, характерно сочетание полезных свойств пластиков и минералов. Такие композиты имеют сходство с пластиками по коррозионной стойкости, диэлектрическим свойствам, вязкости разрушения, низкой плотности и просты в изготовлении. В то же время они обладают жесткостью и прочностью минералов, использование которых в качестве наполнителей дает возможность существенно понизить стоимость изготовления композитов. Некоторые свойства рассматриваемых композитов значительно превосходят суммарные показатели свойств входящих в них компонентов. Так, например, энергия разрушения стекла составляет [c.9]

Повышение прочности и жесткости композитов часто сопровождается уменьшением их вязкости разрушения. Тем не менее при удачном выборе аппрета можно получить композиты высокой прочности с достаточной вязкостью разрушения. [c.9]

Высказывалось предположение, что возможны случаи, когда предпочтительна слабая поверхность раздела. Согласно Куку и Гордону [12], поле напряжений у вершины развивающейся трещины включает не только главные напряжения, стремящиеся раскрыть трещину в направлении ее распространения, но и напряжения, стремящиеся раскрыть ее в перпендикулярном направлении. Значит, эти дополнительные напряжения могут раскрывать плоскости с ослабленной связью, пересекаемые магистральной трещиной. Эм бери и др. [17] применили эти представления к случаю разрушения слоистых композитов. Они показали, что в пакете стальных листов распространение трещины задерживается процессом расслаивания это приводило к важному результату — снижению температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому более чем на 100 К. Эти исследования были продолжены Олмондом и др. [2], которые получили ряд новых данных об указанном типе структур, тормозящих распространение трещины. По очевидным соображениям аналогичный подход применим и к волокнистым композитам этот вопрос рассмотрен в гл. 7 в связи с проблемой разрушения. Значительные объемы композита, расположенные по обе стороны от магистральной трещины, могут быть охвачены одновременным действием различных механизмов разрушения, а в таких случаях, как показали Эдсит и Витцелл [1] на примере композитов алюминий — бор, вязкость разрушения композита может превосходить вязкость разрушения металлической матрицы. [c.25]

Несмотря на идеализированный характер модели Купера и Келли [6], приведенные уравнения выявляют важную роль статистического распределения прочности волокон. Если волокна бездефектны, т. е. а = а, работа их разрушения равна нулю она растет, достигая максимума, когда а равна нулю (т. е. для коротких волокон) и когда критическая длина lap равна d. Авторы показали, что при этих условиях работа разрушения волокна уменьшается до значений, полученных Коттреллом [7] для вязкости разрушения композитов, армированных волокнами длиной /кр, по механизму в1ытягивания волокон. [c.144]

Последняя работа Кляйна и Меткалфа [19] была посвящена экспериментальному изучению влияния поверхности раздела на вязкость разрушения композитов с металлической матрицей. Объектом исследования служил алюминиевый сплав А16061 с 45 об.% ориентированно расположенного упрочнителя. Для изменения состояния поверхности раздела композит выдерживали различное время — от О до 150 ч при температуре 811 К- После высо- [c.285]

Хотя наибольший практический интерес представляют композиты с множественной ориентацией упрочнителя, основные закономерности поведения композитов исследовали, как правило, для случая направленного расположения упрочнителя. Работ, посвященных изучению характеристик вязкости разрушения композитов, армированных в нескольких направлениях, крайне мало. Как указывалось выше, было установлено, что вязкость разрушения при распространении трещины перпендикулярно волокнам много больше, чем при распространении вдоль волокон. Кроме того, зависимость вязкости разрушения от объемной доли волокон оказалась линейной. Согласно последней работе Олстера и Вудбери [33], которая была выполнена на композитах с эпоксидной мат- [c.293]

Простейшие слоистые материалы состоят из связанных гомогенных изотропных пластин. При изготовлении этих материалов слабые плоскости можно располагать благоприятным образом — так, чтобы обеспечить высокую вязкость разрушения композита. Рассмотрим идеализированный слоистый материал, изображенный на рис. 25. Поле напряжений перед трещиной задается уравнением (2). На небольшом расстоянии перед вершиной трещины развиваются поперечные растягивающие напряжения 0 . Они, в сочетании со сдвиговыми напряжениями Хху (возникающими при любых зиачениях угла 0, кроме 0=0°), могут вызвать межслоевое разрушение. Маккартни и др. [24] изучали сопротивление развитию трещины слоистого материала из высокопрочной стали (203 кГ/мм ) для случаев низкой, средней и высокой прочности связи. Связь низкой прочности (3,5—7,0 кГ/мм ) обеспечивали с помощью эпоксидных смол, а также оловянного и свинцово-оловянного припоя, связь средней прочности (38—60 кГ/мм )—с помощью серебряного припоя, а высокопрочную связь (140 кГ/мм ) — путем диффузионной сварки слоев. Во всех случаях при испытании на ударную вязкость по Шарпи образцы разрушались лишь до первой плоскости соединения слоев. Остальная часть образца сильно деформировалась и расслаивалась по той же поверхности раздела, но не разрушалась. Сходные результаты получил и Эмбе-ри с сотр. [9]. Если прочность связи уступает прочности листов, то происходит торможение трещины. Ляйхтер [23], однако, установил, что охрупчивающая фаза, возникающая при использовании некоторых твердых припоев, может существенно снизить вязкость разрушения. [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]

Прочность связи волокно — матрица меньше, чем у образца, изображенного на рис. 11, что вызывает вытаскивание волокон и повышение вязкости разрушения композита (увеличение Х800). [c.464]

Анализ динамических эффектов, сопутствующих разрушению волокон, позволяет щубже и в некоторых случаях с новых позищш понять и объяснить развитие процессов разрушения в композиционных материалах на микроструктурных уровнях. Например, становится понятной возможность дробления волокон на отрезки, значительно меньшие критической длины, и, таким образом, получает объяснение наличие коротких сегментов волокон при микроструктурном анализе испытанных образцов (рис, 1 и 2). Дробление волокон в устье развивающейся макротрещины приводит к увеличению вязкости разрушения композита за счет дополнительной диссипации энергии [109], Учет динамики перераспределения напряжений позволяет объяснить наличие разрьшов за областью непосредственной концентрации напряжений, вызванной развитием макротрещины или острым надрезом, [c.138]

На основе результатов испытаний композитов с полиэфирной матрицей, армированных направленно расположенными углеродными волокнами, Харрис и др. [14] пришли к выводу, что Vs энергии разрушения расходуется на вытягивание волокон. В этих экспериментах поверхность волокон подвергали различным видам обработки, изменявшим прочность связи (последнюю оценивали косвенно — по величине прочности при межслоевом сдвиге). В случае наименее прочной поверхности раздела (минимальная сдвиговая прочность) волокна вытягивались на большую длину и энергия разрушения была выше. Аналогичные результаты были получены для композитов с эпоксидной матрицей, армированных углеродным, волокном [2, 42]. Фитц-Рендольф и др. [10], исследовавшие бор-эпоксидиые композиты, заключили, что значительный вклад в работу разрушения вносит и энергия разрушения волокна, и работа вытягивания разрушенных волокон из эпоксидной матрицы. По мнению Меткалфа и Кляйна [27], при данной прочности волокон с ростом коэффициента ее вариации усиливается тенденция к разрушению волокон в точках, далеко отстоящих друг от друга, что-должно привести к увеличению вязкости разрушения (рис. 11). [c.281]

И ЭТО может обусловить увеличение поверхностной энергии [13]. Точные измерения действительной величины поверхности отсутствуют, так что вклад данного эффекта количественно не оценивал ся. Вряд ли, однако, он может быть определяющим в отношении вязкости разрушения. В металлах поле напряжений перед трещи-. ной приводит к локальному пластическому течению. Форма этой-так называемой пластической зоны изображена на рис. 14, а. В ор--тотропном материале, главная ось которого перпендикулярна тре- щине (например, в ориентированных волокнистых композитах), зона пластической деформации, соответствующая этому полю напряжений, более сжата, как показано на рис. 14,6. Олстер [30]i проверил это экспериментально, нанеся на композит бор алюми-ний до приложения нагрузки фотоупругое покрытие. Оказалось, что в этом композите волокна ведут себя вплоть до разрушения упруго, а матрица— упругопластически. Следовательно, матрица, [c.283]

Купер и Келли [7], а также Тетельман [47], считают, что уравнение (12) позволяет достоверно оценить вклад матрицы в вязкость разрушения меди, армированной вольфрамовой проволокой. Герберих [12] указал, однако, что, несмотря на возможность разумных количественных оценок, уравнение (12) некорректно, поскольку композит трехмерен, а волокна имеют не квадратное, а круглое сечение. По Олстеру и Джонсу [31], в алюминии, армированном от О до 6 об.% вольфрама, упрочнитель не оказывает существенного влияния на вязкость матрицы. Те же авторы предположили, что в композите бор — алюминий, содержащем 50 об.7о упрочнителя, вязкость разрушения матрицы практически не зависит от борных волокон. Такое предположение может быть оправдано лишь в случае, если деформация матрицы у вершины трещины локализована на столь малом участке, что на нее не влияет присутствие волокон. Поэтому к каждому композиту в зависимости от его поведения необходим индивидуальный подход. Будет ли вязкость разрушения матрицы столь же низка, как и для массивного образца материала матрицы, или несколько выше —это, согласно Куперу и Келли [7], определяется влиянием волокон. Если поверхность раздела прочна, а коэффициент вариации прочности волокон велик, то, по Меткалфу и Кляйну [27], места разрушения волокон будут характеризоваться значительным пространственным разбросом это может привести к увеличению деформации матрицы, а последнее, в свою очередь, — к росту вязкости разрушения. [c.288]

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]

Для большинства жестких наполнителей в тех случаях, к /дз поверхность раздела прочна, вязкость разрушения уменьшается с ростом их объемной доли увеличение объемной доли напглнителя сопровождается усилением стеснения и пластического течения матрицы. В широко исследованной системе кобальт — карбид вольфрама стеснение матрицы при 80 об.% упрочнителя достаточно велико, чтобы не происходило ее заметного пластического течения поэтому разрушение происходит почти исключительно путем связывания трещиной в матрице смежных разрушенных карбидных частиц. В этой ситуации прочность при разрушении существенно зависит от тех же статистических функций, которые описывают разрушение волокнистых композитов если довольно много частиц разрушено, то несущая способность остальных частиц оказывается недостаточной и композит будет разрушаться. При меньшей объемной доле упрочнителя более значительную роль играют характеристики матрицы [48]. [c.303]

Если модуль упрочнителя меньше модуля матрицы, то прочная связь между упрочнителем и матрицей может повысить вязкость-разрушения. Мак-Гэрри и Уиллнер [26], а также Салтэн и Мак-Гэрри [46] детально обсудили возможные механизмы, обусловливающие вязкость разрушения пластиков, модифицированных резиной. Сферические частицы резины в полимерной матрице действуют как концентраторы напряжений. При приложении нагрузки к композиту концентрация напряжений у резиновых сфер может вызвать деформацию и пластическое течение матрицы на начальной стадии нагружения аналогично влияли бы сферические полости. С ростом нагрузки резина, прочно связанная с матрицей, начинает деформироваться, что также приводит к стеснению матрицы. Картина локальной деформации усложняется, и частицы резины испытывают состояние трехосного растяжения. В резуль- [c.303]

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]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...