Изотропных материалах

Изотропные материалы, свойства которых не зависят от направления. Из неметаллических материалов, чаще всего подвергаемых контролю, выделяют гомогенные (однородные) материалы, в том числе аморфные (стекло, резина, пластмасса) и мелкодисперсные (керамика, металлокерамика). От них существенно отличаются гетерогенные (разнородные) материалы и материалы с крупнозернистой структурой: горные породы, бетон, асфальт. Акустические свойства изотропных материалов рассмотрены в § 1.1 и 1.2. По акустическим свойствам к металлам приближаются стекло и некоторые виды керамики (фарфор, пьезокерамика). В большинстве других изотропных неметаллических материалов скорость акустических волн существенно меньше, а коэффициент затухания больше, чем в металлах. Затухание очень велико в гетерогенных материалах.

Трансверсально-изотропные материалы, в которых свойства существенно отличаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Как правило, это листовые материалы, в которых скорость акустических волн вдоль листа существенно больше, чем по толщине. К ним относятся фанера, древесно-волокнистые плиты, бумага, картон, гетинакс и др. Если скорость по толщине не изменяется, материалы называют однородными.

Унифицированный контейнер имеет следующие размеры: ширину и высоту 2,4 м, длину 3—12 м, что позволяет перевозить контейнеры на грузовых автомобилях. Конструкция контейнеров этого типа показана на рис. 10. Идеальной считается объемная масса контейнера, равная 16 кг/м8. Изучались различные конструктивные решения панелей [4]. Установлено, что традиционные изотропные материалы обладают рядом недостатков, поэтому логичным является выбор композиционных и слоистых материалов; пример их использования показан на рис. 21. Слоистые конструкции обладают низкой плотностью, высокими значениями параметра прочность/масса, позволяют использовать местное упрочнение, т. е. усиливать слабые места, в результате чего внутренний объем контейнера получается наибольшим. Все панели контейнера, за исключением двери, изготовляются из упрочненного стеклом пластика типа «Стратоглас» с сердце-

Такие изотропные материалы, как премиксы, графитопласты, различные стекловолокнистые прессовочные материалы (РТП-100, РТП-170,СНК-2-27), а также прессовочные волокнистые материалы на основе органического наполнителя (П-1-1) и другие, нашли

В области стеклообразного состояния О. с. 2-55 и Т2-55 представляют собой жесткие изотропные материалы, способные нести достаточно высокие нагрузки без значит, деформаций. С повышением темп-ры прочностные хар-ки О. с. падают, однако, до темп-ры стеклования —30° они остаются достаточно высокими, и О. с. в этой области темп-р можно использовать для длит, эксплуатации. Характер поведения О. с. 2-55 в высокоэластич. состоянии аналогичен характеру поведения стекла СОЛ и СТ-1 в этом состоянии. Отличит, особенностью термостабилизированного О. с. Т2-55 является ограниченная деформируемость в данной области темп-р, так разрывные удлинения в высокоэластич. состоянии у термостабилизированного О. с.

В предыдущей главе отмечалось, что кристаллическая среда проявляет постоянную оптическую анизотропию в виде двойного лучепреломления. В 1816 г. Брюстером было установлено, что некоторые изотропные материалы, когда в них возникают напряжения или деформации, становятся оптически анизотропными, как кристаллы. Все рассматривавшиеся нами явления, связанные с прохождением света через двоякопреломляющие пластины, свойственны естественным и искусственным кристаллам с постоянным двойным лучепреломлением, а также и изотропным аморфным материалам с временным двойным лучепреломлением. Почти все прозрачные материалы становятся под действием нагрузки двояко-преломляющими. В зависимости от материала величина двойного лучепреломления определяется напряжениями или деформациями или же теми и другими одновременно. Однако в линейно упругих материалах, в которых напряжения и деформации связаны линейной зависимостью, оптические эффекты можно в равной мере относить и к напряжениям, и к деформациям. Это свойство временного двойного лучепреломления при действии нагрузки называют фотоупругостью.

Для пластинок, вырезанных из идеализированной трехмерной среды или объемных прозрачных моделей, в которых «зафиксированы» деформации, главные напряжения в этой формуле могут и не быть главными напряжениями в рассматриваемой точке, являясь лишь квазиглавными. Поэтому зависимость между двойным лучепреломлением и напряжениями можно сформулировать следующим образом: при прохождении света через прозрачные однородные изотропные материалы с напряжениями, не превышающими предела упругости, величина относительной разности хода двух составляющих света с колебаниями во взаимно перпендикулярных направлениях пропорциональна толщине материала в направлении просвечивания и имеющейся в рассматриваемой точке разности квазиглавных напряжений в плоскости, перпендикулярной линии просвечивания.

В обоих вариантах (а и б) прежде всего следует отличать изотропные материалы, к которым относятся синтетические смолы, или наполненные пластмассовые композиции на их основе и пластики с пространственно-хаотичным расположением армирующих элементов (премиксы, стеклонаполненные термопласты, волокниты различных типов и т. п.), от анизотропных материалов, к которым относятся слоистые пластики и пластмассы, обладающие какой-либо симметрией строения.

2.2.10. Циклически анизотропные (изотропные) материалы — материалы, накапливающие (не накапливающие) односторонние лластические деформации при мягком нагружении.

Квази-изотропные материалы. Рассмотрим многослойный композит с ориентацией слоев одинаковой толщины под углом ф<*> = =- Ып (k = 1, 2, ..., п), п >= 3.

Изотропные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях, анизотропные - разные. К числу изотропных композитов относятся псевдосплавы и хаотично армированные материалы. Упрочнение хаотично армированных композитов осуществляется короткими (дискретными) частицами игольчатой формы, ориентированными в пространстве случайным образом. В качестве таких частиц используют отрезки волокон или нитевидные кристаллы (усы), при этом композиты получаются квазиизотропными, т.е. анизотропными в микрообъемах, но изотропными в макрообъеме всего изделия.

поляризации волн СВЧ, пригодны для обнаружения различных деполяризующих дефектов в изотропных материалах, но наиболее перспективно их применение для контроля диэлектрической и технологической анизотропии, а также внутренних действующих или остаточных напряжений в диэлектрических изделиях. Чувствительность поляризационных дефектоскопов неодинакова к любым дефектам, так как не обеспечивается независимость результатов контроля от расположения дефекта, например трещины, по отношению к вектору поляризации падающей волны. Поэтому применение волны с переменной (круговой) поляризацией является более надежным и достоверным способом, позволяющим определить все рассеивающие свойства дефектов независимо от формы и расположения на фоне флюктуирующих помех. При появлении дефекта происходит изменение характера поляризации . отраженной волны — возникает эллиптически поляризованный сигнал, баланс, схемы нарушается и на выходе появляется сигнал разбаланса, соответствующий дефекту. К достоинствам схемы следует отнести малое влияние на форму дефектограммы изменения амплитуды и частоты генератора СВЧ. Надежность схемы повышается за счет того,

Если выделяются все vW>, то три поляризационных вектора ортогональны. Известно, что в изотропных материалах выделяются только две скорости

Вообще говоря, поле напряжений у вершины трещины в анизотропной пластине включает составляющие /С/ и Ки- Однако в настоящее время испытания проводят, как правило, при ориента-циях, исключающих одну из этих составляющих; это прежде всего относится к ортотропным материалам, которые ориентируют таким образом, чтобы нагрузка была параллельна одной главной оси, а трещина — другой. В таких условиях значительная анизотропия, свойственная некоторым композитам, может привести к явлениям, не наблюдающимся у обычных металлов. Так, при растяжении образцов с направленным расположением упрочнителя часто наблюдают продольное расщепление (рис. 8). Его может и не быть, если поперечная и сдвиговая прочности достаточно высоки [5]; тем не менее, этот возможный тип разрушения материалов необходимо учитывать. Кроме того, приложение одноосных растягивающих напряжений ахх к образцу с поперечным расположением слоев приводит к появлению локальных межслоевых напряжений %zy и нормальных напряжений azz, перпендикулярных плоскости образца [35], что показано на рис. 9. Ориентация и значения величин crzz и rzy зависят от порядка укладки слоев, упругих постоянных каждого слоя и величины продольной деформации. Значительные межслоевые растягивающие azz и сдвиговые tzv напряжения могут привести к расслаиванию [11, 35], которое опять-таки является особенностью анизотропных слоистых материалов. Последний пример относится к поведению материала с поверхностными трещинами. В изотропных материалах трещина распространяется, как правило, в своей исходной плоскости (рис. 10, а). У слоистых материалов прочность связи между слоями обычно мала, и они обнаруживают тенденцию к расслаиванию по глубинным плоскостям (рис. 10,6). Три этих простых примера приведены здесь, чтобы проиллюстрировать некоторые из различий между гомогенными изотропными материала-

Композиты — ив этом их ценность — могут быть изготовлены таким образом, что в определенных желательных направлениях значения свойств (главным образом, прочности и жесткости) будут, как правило, выше значений, которые можно получить на гомогенных изотропных материалах сопоставимой плотности. Это, однако, достигается за счет некоторых других свойств. Например, большинство перспективных конструкционных композитов, предназначенных для использования в новейшей военной авиации, поставляется в виде листовых заготовок. Эти листы укладывают, различным образом ориентируя один относительно другого, и; спрессовывают при повышенной температуре (420—590 К в случае1

Чтобы завершить описание прочности, рассмотрим формулировку и аналитическое представление критерия разрушения / (а,). Резкое различие между поведением при разрушении изотропного и анизотропного материалов отражает тот факт, что их прочности являются соответственно скалярной и тензорной величинами. В изотропных материалах прочность не зависит от пространственных координат или ориентации нагружения, а зависит только от напряженного состояния (при постоянных внешних условиях, температуре и скорости нагружения). В анизотропных материалах прочность зависит не только от величины компонент тензора напряжений, но также и от угла "между главными направлениями тензоров напряжения и прочности.

Феноменологический критерий разрушения, обсуждавшийся в предыдущем разделе, дает грубую оценку разрушения, поскольку здесь предполагается, что образование микроскопических трещин занимает большую часть жизни образца и после слияния в макроскопическую трещину разрушение происходит мгновенно. Однако в реальных конструкциях макроскопические трещины могут появляться и в процессе изготовления, и в процессе службы. Детальное рассмотрение квазистатического роста трещины может дать полезную информацию относительно снижения чувствительности материала к трещинам и для установления критических состояний трещины. Характер динамического распространения трещин, даже в изотропных материалах, изучен не так подробно, как квазистатический рост трещин, поэтому в настоящее время, по-видимому, преждевременно рассматривать применимость полученных данных к описанию разрушения композитов. Мы будем исследовать только квазистатический рост или устойчивость существующей в композите трещины.

Рис. 9. Критическое расположение трещины в изотропных материалах — одномерное описание.

10Мы можем ввести гипотезу, что трещины распространяются в результате образования и активации докритических микротрещин внутри критического объема впереди основной трещины. Для любого материала можно положить, что микроскопические трещины случайно распределены по объему тела, следовательно, имеются и в окрестности кончика трещины. В изотропных материалах в окрестности кончика основной трещины под действием поля повышенных напряжений будет расти микротрещина, ортогональная максимальному растягивающему напряжению (о"втах, рис. 18, а). Тогда основная трещина распространяется путем слияния с микротрещинами в этом направлении. При различных условиях нагружения, например антисимметричных нагрузках, согласно наблюдениям Эрдогана и Си [15], это направление распространения не совпадает с направлением основной трещины.

Среди перечисленных подходов к описанию медленного роста трещины в изотропных материалах, по-видимому, наиболее удовлетворительное описание в широком спектре скоростей роста трещины обеспечивают концепции постоянства энергии или коэффициента интенсивности напряжений. Более того, такой подход; обеспечивает также связь между ростом трещины при повторных нагружениях и при статическом разрушении. В этом случае для описания роста трещины принята концепция постоянства общей энергии.

Так как слоистые композиты являются в общем анизотропными материалами, то данных, полученных при одноосных испытаниях, недостаточно для анализа их поведения при объемном напряженном состоянии. Поэтому изучение задач смешанного вида разрушения в композитах является более сложным, чем в изотропных материалах.

Как это показано в последующих главах, посвященных оптически чувствительным материалам и методам решения пространственных задач, постоянное двойное лучепреломление можно создавать ив некоторых двухфазных изотропных материалах, если их подвергнуть под нагрузкой действию температурного цикла. При проведении измерений поляризационно-оптическим методом такие материалы можно рассматривать как кристаллы (см. фиг. 2.7). .