Композит с упругой матрицей

Рис. 4. Распределение напряжения вдоль первого неразрушенного элемента у кончика трещины в слоистом композите с упругой матрицей [2].

КОМПОЗИТ С УПРУГОЙ МАТРИЦЕЙ [c.153]

Если подвергнуть однонаправленный композит (или монослой слоистого композита) испытанию на растяжение или на сдвиг, то можно видеть, что композит с полимерной матрицей остается упругим вплоть до момента разрушения. [c.54]

Полимерная матрица следует закону Гука почти до момента разрушения, незначительные отклонения от закона упругости могут не приниматься во внимание. Как правило, удлинение матрицы при разрыве в несколько раз больше, чем удлинение волокна, поэтому качественная картина поведения такого композита в известной мере напоминает поведение композита с металлической матрицей при малом объемном содержании волокна возможно его дробление. Однако малая прочность матрицы по отношению к касательным напряжениям и довольно слабая связь между волокном и матрицей вносят свою специфику. В композите органическое волокно — эпоксидная смола, наоборот, разрывное удлинение смолы меньше, чем удлинение волокна. Ввиду малой прочности матрицы происходит ее дробление на мелкие частички, которые легко отваливаются, обнажая пучки волокон, которые уже относительно легко обрываются. [c.703]

Рассмотрим композит, армированный непрерывными волокнами. Если положить, что в качестве волокна использовано стекло Е, а в качестве матрицы — полиэфирная смола, то можно считать, что отношение модуля упругости волокна к модулю упругости матрицы равно примерно 20. Обычно модуль упругости волокна имеет очень высокие значения по сравнению с модулем упругости матрицы. На основании этого можно использовать допущение о том, что для композитов, армированных непрерывными волокнами, можно не принимать во внимание напряжения, действующие в матричной фазе. Такое допущение использовано в теоретической работе Кокса [2.2]. При этом приняты также следующие условия [c.27]

НИЙ в композите с помощью векторного (неодномерного) процесса (t) с составляющими 4 i (t) и 2 (t). Если матрица ведет себя упруго, то приходим к рассмотренному способу описания накопления рассеянных повреждений с помощью одномерного процесса. [c.151]

Предположения о влиянии внедренных в переходный слой атомов на его структуру и энергетические свойства коррелируют с выводами [76], где изучалась модельная система, представляющая собой полимерный дисперсно-наполненный композит. Введение в полимерную матрицу дисперсного наполнителя приводит к ее переходу в энергетически более возбужденное состояние. Определен также параметр, характеризующий энергетическое состояние матрицы - размерность областей локализации избыточной энергии Ое. Была обнаружена линейная зависимость величины модуля упругости Е от значения [c.122]

Соответствующее изменение распределения напряжений в композите показано на рис. 6, характеризующем зависимость внутренних напряжений от степени деформации композита. Пока композит находится в упругой области, поперечные напряжения очень малы по сравнению с осевыми, но с развитием пластического течения они быстро растут, достигая 40% величины осевых напряжений в матрице. [c.53]

Метод конечных элементов применял и Адамс [1] он использовал метод модуля сдвига для определения напряженного состояния композита при поперечном растяжении. Рассматривались напряжения, отвечающие интервалу от предела упругости до разрушения одной из составляющих композита, при квадратном и прямоугольном расположениях волокон предполагалось, что разрушение матрицы происходит тогда, когда напряжения в композите достигают предела прочности материала матрицы. По оценке Адамса, в композите А1—34% В с прямоугольным расположением волокон первой должна разрушаться матрица на участках минимального расстояния между волокнами. Разрушение по расчету должно происходить при поперечном нагружении композита напряжением 17,2 кГ/мм (что много меньше предела прочности материала матрицы, составляющего более 23,1 кГ/мм ). Однако в эксперименте композит разрушался путем расщепления волокон. Предсказать такой характер разрушения не представлялось возможным, так как, хотя напряжения на поверхности раздела и в волокнах были рассчитаны, прочность этих элементов при поперечном растяжении неизвестна. Автор совершенствует эту модель с целью описать процессы распространения трещины и полного разрушения композита. Вообще говоря, если известны механические свойства поверхности раздела матрицы и волокон, эта модель позволяет предсказать как разрушение по поверхности раздела, так и другие типы разрушения. [c.193]

Рассмотрим двумерный слоистый композит, состоящий из параллельно уложенных армирующих листов и растяжимой матрицы, под действием растягивающегося напряжения в плоскости. Поскольку по своей природе разрушение армирующих элементов контролируется в основном величиной напряжения, то мы предположим, что процесс разрушения композита будет состоять из последовательности разрушений элементов, как показано на рис. 4. Ясно, что, как только появится трещина, возникнет концентрация деформаций в точках А ж А. Если матрица является упругой с низким модулем или пластичной с заданным пределом текучести, то в двух элементах непосредственно перед кончиком трещины возникнет концентрация напряжений и наиболее вероятно, что разрушение этих элементов произойдет в точках Я и Я, а не в каком-либо другом месте. Элементы, соседние к этим двум, также находятся в условиях перенапряжения, но в меньшей степени. Нас [c.181]

Высокая прочность современных волокнистых композитов в направлении армирования хорошо известна и широко используется. Этого нельзя сказать об уровне понимания механизмов разрушения при растяжении и влияния на них свойств составляющих композит материалов. Однако существует ряд методов, учитывающих отдельные важные аспекты процесса разрушения, на основании которых можно создать рациональную теорию разрушения композитов при растяжении в направлении волокон. Показано, что прочность композита, состоящего из пластичных фаз, определяется из прочности волокон арматуры посредством правила смесей ). При вычислении этим методом прочности композита с хрупкими волокнами возможны ошибки, связанные со статистической природой прочности волокон и с эффектами, возникающими из-за значительного различия в модулях упругости волокон и матрицы. [c.39]

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]

В рассматриваемом случае проблему представляет величина Sij p). Эта величина зависит от армирующего материала, материала матрицы, содержания армирующего материала в композите, распределения наполнителя, сцепления упрочняющего материала с матрицей. Она представляет собой некоторое преобразование податливости при ползучести, и при помощи упругой податливости при сдвиге J(/) и объемной упругой податливости В(0 может быть представлена в виде [c.136]

Наиболее изучено влияние неоднородностей на разрушение композитов при статических нагрузках. Известно, что начальное разрушение неоднородных тел при статических нагрузках возникает вблизи неоднородностей /81/ в контактной зоне включение-матрица и его причиной является концентрация напряжений на границе включений. Неоднородности также оказывают влияние на траекторию движения трещин в композите. Трещины при встрече с границами зерен теряют часть упругой энергии и в зависимости от угла встречи могут ветвиться, отклоняться или затухать. В ряде работ /81-83/ отмечается, что трещины начинают взаимодействовать с границами зерен задолго до приближения к ним, что связано с наличием полей повышенных механических напряжений в среде у границ неоднородностей. [c.136]

Пусть однонаправленный волокнистый композит подвергается растяжению в направлении волокон с номинальными напряжениями о. На ранних этапах происходит накопление рассеянных микроповреждений. Следует различать по крайней мере два вида повреждений (рис. 6.9). Первый вид — единичные разрывы волокон (см. рис. 6.9, а) — характеризуется отношением числа разрывов в рассматриваемом объеме V к общему числу элементов структуры в этом объеме. Под элементом структуры, как обычно, понимается отрезок волокна вместе с примыкающей частью матрицы и длиной, которая равна удвоенной длине передачи — неэффективной длине Яе, рассчитанной в предположении упругого деформирования матрицы 3,20]. Второй вид —повреждение матрицы (см. рис. 6.9, б) — характеризуется отношением суммы длин поврежденных участков границы мат- [c.171]

Опишем накопление микроповреждений в композите при помощи векторного процесса с составляющими гр1 ( ) и фг (О- Если матрица деформируется упруго, то 1 )2 = 0. [c.171]

Представим композит как совокупность большого числа структурных элементов —отрезков волокон с примыкающей матрицей и длиной Здесь —характерная длина краевого эффекта в композите с упругой матрицей Л, — р Ejl2G. y - g (v,). Функция g (у,) при обычных значениях У/ имеет порядок единицы. Так, простейшая модель самосогласованного поля дает g (Vf) = (vf — l) поэтому оценочная формула имеет вид [c.150]

Согласно Кляйну и др. [16], средняя прочность волокон, извлеченных из композитов титан — бор, составляет около ЮЗкГ/мм . Это соответствует деформации разрушения 2,5-10- и согласуется с представлениями о том, что разрушение контролируется слоем диборида титана, образовавшимся при изготовлении композита. Критическая толщина диборида в отсутствие матрицы, возможно, менее 0,1 мкм, поскольку в ленте сразу после изготовления она составляет от 0,05 до 0,15 мкм. Влияние предела пропорциональности материала матрицы на критическую толщину слоя диборида для случаев изолированных волокон, матрицы Ti40A и матрицы Ti75A (пределы прочности соответственно 28 и 42 кГ/мм ) представлено на рис. 12. Вклад поддержки матрицы в уменьшение вредного влияния трещин в слое диборида титана выражается простым соотношением. Пределу пропорциональности нелегированного титана (63 кГ/мм ) должна отвечать деформация 6-10 , достигающая величины деформации разрушения типичных волокон бора поэтому увеличение предела пропорциональности матрицы е приведет к увеличению допустимой толщины диборида в композите. Согласно рис. 12, в композите с титановой матрицей допустимы толщины диборида до 0,8 мкм при таких толщинах композит ведет себя упруго вплоть до достижения деформации разрушения волокон бора. Этот вывод пока не проверен, но продолжающиеся работы в области композитов с титановой матрицей позволят произвести его оценку в ближайшем будущем. [c.162]

Соотнои ения (5.1) — (5.5) можно использовать в квази-упругих методах [6] для расчета эффективных релаксационных свойств (е = onst) и свойств ползучести (а = onst). Рассмотрим, в частности, композит с упругими волокнами и вязкоупругой матрицей, поведение которой описывается податливостью при одноосной ползучести Dm t) и коэффициентом Пуассона Vm t). По определению, Dm t) есть отношение продольной деформации к напряжению, причем одноосное напряжение а приложено в момент времени = О и затем поддерживается постоянным vm t) — коэффициент Пуассона, определяемый из того же испытания. В свою очередь податливость матрицы при сдвиговой ползучести 3m(t) находится из выражения [c.182]

Протяженность области концентрации напряжений dg или пластической зоны dp в слоистых композитах с упругими или пластичными матрицами определяет область влияния неоднородности напряженного состояния, вызванной разрушением одного или более находящихся рядом армирующих элементов. Как только произойдет разрушение с образованием трещины, как показано на рис. 4 и 5, напряжения в двух элементах с каждой стороны ее на длине б = 2й возрастут по сравнению с номинальным напряжением всюду вне этой области. Наиболее вероятно, что дальнейшие процессы разрушения будут локализованы в этой полосе длины б и сопровождаться развитием существующей зародьнпевой трещины. Следовательно, как отметили впервые Гюсер и Гурланд [12] и широко использовал Розен с соавт. [30], нагруженный слоистый композит полной длины L можно рассматривать как ряд из п = = ЫЬ статистически независимых соединенных звеньев, как показано на рис. 6, в каждом из которых может независимо происходить зарождение разрушения и процесс его развития. [c.185]

Рассмотрим внутреннюю поперечную трещину в однонаправленном композите. Пусть поперечное сечение трещины круговое с радиусом /. Следуя модели, предложенной в [П], интерпретируем трещину как трехмерное образование, протяженное в направлении волокон. Разрывы отдельных волокон случайным образом размещаются в объеме, который схематически представим в виде кругового цилиндра радиусом / и длиной 2) (рис. 4.9). Для идеально упругой матрицы размер к определяем аналогично передаточной длине (4.76) [c.151]

Учет неупругих свойств компонентов. Характерные эпюры распределения касательных напряжений, действующих на границе волокна и матрицы, и растягивающих напряжений в волокне при двух уровнях нагрузки в случае чисто упругого деформирования компонентов приведены на рис, 18, а. Одним из важнейших параметров, характеризуюпдах распределение напряжений в композите с дискретными или с разрушенными волокнами, является длина области передачи нагрузки Хр) или такое расстояние от конца волокна, на котором растягивающее напряжения в нем достигают уровня напряжений в неразрушенном волокне или составляют от него некоторую долю ФоГ, где Ф= 0,97 0,99. [c.53]

Для большинства конструкционных материалов, включая те, которые представляют интерес как возможные компоненты композитов (см., например, рис. 1), связь напряжений с деформациями, представленная изображенной на рис. 2 двузвенной ломаной, не является достаточно точной. Это утверждение справедливо, в частности, в случае, когда материал находится в однородном напряженном сосюянии, так что во всей области одновременно достигается предел текучести. Принятая идеализация предсказывает в этом случае неограниченное пластическое течение, т. е. неограниченные деформации при постоянных напряжениях. Однако в том случае, когда нагрузка создает градиенты напряжений внутри материала, области с наибольшими значениями напряжений достигают состояния текучести первыми. Пластическое течение в этих зонах ограничено, поскольку вне их материал остается упругим. Такое явление называется стесненным пластическим течением око характерно для композитов, поскольку из-за различия в жесткостных свойствах матрицы и включений в композите обычно возникают высокие градиенты напряжений. Таким образом, несмотря на то что истинные кривые напряжение — деформация, представленные на рис. 1, лишь грубо аппроксимируются двузвенной ломаной вида. [c.206]

Как правило, экспериментальные значения свойств хорошо согласуются с представлениями об идеальной поверхности раздела. Значения модуля упругости подчиняются правилу смеск [48]. Из-аа ряда синергических эффектов прочность композитов алюминий—бор может на 20—30% превышать расчетные значения [42, 81]. Однако лишь несколько исследователей проводили структурный анализ [5, 32, 82]. Блюхер и др. [5], исследуя поверхность раздела в композите алюминий—бор после изготовления, не обнаружили на ней следов взаимодействия (рис. И). В композите А17075—бор Свенсон и Хэнкок [82], а также Хэнкок [32] наблюдали четкие поверхности раздела, на которых отсутствовали микропоры, но имела место сегрегация выделений (она наблюдалась и на границах зерен в матрице). В непосредственной близости от границ зерен в матрице располагались зоны, свободные от выделений у поверхностей раздела они отсутствовали [82]. Субструктура поверхностей раздела в системах тугоплавкий металл — карбид металла исследована сравнительно мало это направление развивается медленнее, чем исследование механических свойств [9, 21, 55—57, 60, 63—65]. [c.245]

Многие характеристики композитов могут отличаться от соответствующих характеристик входящих в них компонентов. Система упругопластических неупрочняющихся параллельных проволок с различными пределами текучести (или с разными начальными длинами), очевидно, обнаруживает при растяжении способность к упрочнению. Если рассмотренную ранее систему полостей в однородной матрице заменить системой дискообразных трещин, то раскрытие и распространение этих трещин при увеличении растягивающего напряжения и их частичное смыкание при уменьшении напряжения приведут к заметной нелинейности, несмотря на то, что сама матрица линейно упругая. Если бы материал матрицы обладал упругопластическими свойствами без упрочнения, то композит был бы нелинейно упрочняющимся. [c.14]

В соответствии с алгоритмом рассматриваемого метода составлена программа для ЭЦВМ [32], позволяющая получить диаграммы деформирования любого слоя и слоистого композита до разрушения. Также определяются напряжения в слое, достигшие предельных значений, и соответствующая им нагрузка на композит. Для каждой ступени нагружения распечатываются компоненты матриц жесткости и податливости, модули упругости и коэффициенты Пуассона композита. Процесс анализа прост, обладает значительной гибкостью и удобен в пспользованип. Основное внимание следует уделить исходным данным о свойствах материалов слоя. [c.152]

Как и в большинстве методов построения предельных поверхностей слоистых композитов, считается, что разрушение локализовано в слое, для которого выполнен критерий проч-ностп. После изменения упругих свойств разрушенного слоя в соответствии с его новым состоянием снова определяются эффективные значения матриц жесткости и податливости композита. Действующие на композит нагрузки теперь воспринимают слои, в которых предельное состояние еще не достигнуто. Процесс ступенчатого приложения нагрузки повторяется до разрушения слоистого композита в целом. Считают, как правило, что для полной потери несущей способности композитом достаточно, чтобы по крайней мере в двух слоях было достигнуто предельное напряжение (деформация) в направлении волокон. [c.153]

Институт сверхтвердых материалов НАН Украины разработал и освоил выпуск сменных многогранных неперетачиваемых пластин из киборита. Пластины выпускаются пяти форм в соответствии со стандартом ISO 1832-1991Е (R) трехгранной (Т), квадратной (S), ромбической (С) с углом при вершине 80° (D), с углом при вершине 55°, а также специальной формы для оснаш,ения станков с ЧПУ. Пластины изготовляются с задними углами О (N), 5 (В), 7 (С) и 1 Г (Р) классов точности U, М и G без отверстий и канавок. Размеры цилиндрических пластин изменяются от диаметра 3,97 до 12,7 мм с высотой 2,38...4,76 мм. Применяют и другие формы пластин, вписанные в приведенные размеры. Композит выпускают в виде режущих зерен, впаиваемых в металлическую матрицу. Теплостойкость материалов на воздухе > 1200 °С, пределы прочности при растяжении > 0,3 ГПа, при изгибе > 0,6 ГПа, а модуль упругости 800 ГПа. [c.467]

То же свойство локальности, но уже характеризукнцее взаимодействие элементов структуры, было отмечено в работах [28, 81,183, 297]. Например, в работе [28] взаимодействие включений в матричном композите, вызывающее искажения в упругом поле матрицы, заменяется взаимодействием точечных мультиполей, мощность и порядок которых зависят от формы и свойств элементов структуры. В этой par боте предложено выделять содержащий конечное число мультиполей ограниченный объем, в матрице которого генерируется упругое поле, адекватное упругому полю периодической задачи для матрицы с бесконечным числом включений. [c.37]

При имитационном модехшровании /на ЭВМ композитов с хрупкими волокнами в первую очередь учитывается то обстоятельство, что волокна в композите могут разрушаться неоднократно, Анализ процессов перераспределения напряжений, динамических эффектов показал, что волокна могут разрушаться, дробиться как на отрезки, меньшие критической длины (в результате действия волн перегрузки), так и на отрезки значительно большие (при отслоении их от матрщы). Но, несмотря на разнообразие ситуаций, возникающих при разрывах волокон, основным механизмом включения в работу разрушившихся волокон является перераспределение напряжений между ними посредством сдвиговых де формаций и соответствующих им касательных напряжений матрицы В силу этого за элемент структуры композиционного материала прини мается отрезок волокна с окружающей его матрицей, длина которого равна удвоенной длине передачи нагрузки / (min)> рассчитанной в пред положении упругого деформирования компонентов (1) разд. 9, гл, 2 [c.145]

Однонаправленный волокнистый композит. Рассчитаем эффективные упругие свойства однонаправленного волокнистого композита (см. рис. 2.2), когда коэффициенты Пуассона матрицы и волокон равны 0,39 и 0,2 соответственно. Численные значения компонент тензора С композита с тетрагональной периодической однонаправленной волокнистой структурой известны [31]. Считаем разупорядоченность волокон в плоско- [c.80]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...