Композита происходит

Эти соотношения можно назвать «эффективными» определяющими уравнениями слоистого композита, поскольку они определяют геометрические изменения, вызванные нагрузкой, приложенной к слоистому элементу, в отличие от общепринятого понятия определяющих уравнений теории упругости, связывающих напряжения и деформации в бесконечно малом материальном элементе. Располагая эффективными определяющими соотношениями, можно разработать теорию слоистого тела в целом, не прибегая к исследованию каждого слоя в отдельности методами теории упругости. Впрочем, решив конкретную краевую задачу, можно найти распределение напряжений по толщине; слоистого тела во всех деталях.

Эксперименты по испытанию в ударной трубе композита, состоящего из карбон-фенольной матрицы, армированной слоями высокомодульных волокон, были проведены Уиттиром и Пеком [80]. Одна из поверхностей образца мгновенно нагружалась давлением, возникающим при отражении от этой поверхности газодинамической ударной волны. Средняя скорость Частиц свободной поверхности поперечного сечения композита измерялась емкостным датчиком. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с аналитическими решениями, полученными Пеком и Гёртманом [55]. Было установлено также, что испытания в ударной трубе являются наилучшим методом исследования дисперсионных свойств композита, поскольку уровень возникающих здесь напряжений столь низок (около 70 фунт/дюйм2 » 4,9 кГ/см2), что влияние нелинейности материала заведомо исключается.

литель должны взаимодействовать, оптимальная технология изготовления предотвращает взаимодействие; такое взаимодействие происходит, если алюминий расплавлен. Технология считается •оптимальной, если она исключает какое бы то ни было взаимодействие, что согласуется с изложенными выше представлениями об идеальном композитном материале. Джонс [23] показал, что композит алюминиевый сплав 2024 — проволока из нержавеющей стали следует изготавливать путем получасовой выдержки при низкой температуре (740 К) для того, чтобы обеспечить связь между компонентами, но предотвратить реакцию между ними. Дэвис [15] обнаружил, что дополнительные операции обработки, такие, как холодная прокатка и отжиг, ухудшают свойства этого композита, поскольку на поверхности раздела образуется соединение алюминия с железом. Термин «композитный материал псевдопервого класса» относится к случаю, когда, несмотря на реакционную способность компонентов, оптимальная технология

Если волокна пластичны, то поперечные напряжения на поверхности раздела между волокном и матрицей могут даже более заметно влиять на разрушение композита, поскольку при напряжениях, соответствующих образованию шейки и разрушению изолированных волокон, шейкообразО'Вание в волокнах композита стеснено. Естественно, такое влияние уменьшается с увеличением •содержания волокон, так как матрица, объемное содержание которой уменьшается, менее эффективно тормозит развитие шейки. .Этот эффект, обнаруженный Пилером [48] в системе серебро— -сталь, наблюдали также Милейко [45] при повышенных температурах в № — W и Келли и Тайсон [34] —в Си — Мо и Си — W.

:Т'аким образом, в работе [47] описано поведение истинного композита, поскольку он обладает свойствами, которые не могут быть достигнуты в индивидуальных материалах, составляющих этот композит. Однако эти результаты, видимо, не зависят от прочности связи на поверхности раздела и могут быть получены также в случае малой прочности связи или ее отсутствия. Тем не менее, как сообщалось, прочность связи на сдвиг, измеренная посредством вытягивания волокон, оказалась значительной, вероятно, за счет обжатия проволоки матрицей при изготовлении материала.

Поскольку связь условий изготовления композита с состоянием поверхности раздела и механическими свойствами пока не подвергалась систематическому исследованию, представленные ниже со-

Сложнее рассматривать, какое влияние оказывает микроструктура поверхности раздела на усталостную прочность композита, поскольку имеется весьма большое разнообразие возможных микроструктур. По-видимому, те особенности микроструктуры, которые уменьшают сопротивление волокон разрыву, должны быть максимально ослаблены'или устранены. В табл. V кратко изложено/ какие наблюдались микроструктуры поверхностей раздела

Инженерный анализ поведения композитов в общем случае представляет собой исследование, основанное на построении упрощенных моделей, учитывающих лишь основные аспекты поведения материала. Таким образом, делается попытка избежать чрезмерно подробного анализа, например не рассматривается точное распределение напряжений в объеме. В то же время учитывается структурная неоднородность композита, поскольку замена этого материала однородным анизотропным с точки зрения проблем разрушения не является адекватной. Поэтому создается расчетная модель материала, не требующая проведения сложного расчета напряженного состояния, но учитывающая в то же время наиболее существенные с точки зрения исследуемого поведения структурные особенности материала.

Рассмотрено последовательное развитие методов и моделей для анализа разрушения армированных волокнами материалов методами микромеханики. В основе предложенного инженерного решения проблемы лежит учет неоднородности композита, поскольку замена композита однородным анизотропным материалом не соответствует сущности происходящих явлений усталости и разрушения. В то же время не рассматривались такие тонкости явления, как механика микроразрушения. В результате оказалось возможным сформулировать упрощенную модель, объединяющую реальные свойства материала с разум-ными инженерными допущениями.-.--: "-Использование упрощенного анализа всегда вызывает естественный вопрос: «Достаточна ли точность получаемых

Подобные теории, получившие название структурных (или микромеханических) теорий прочности, активно развиваются в последнее время (см., например [49, 57]). Трудности, стоящие на пути создания достоверной структурной теории прочности, весьма значительны. Прежде всего следует отметить, что сохраняются те из них, которые в предыдущей главе (§ 1.2) были названы в качестве основных препятствий, стоящих перед создателями структурных теорий жесткости (податливости) композитов. К ним следует добавить прежде всего повышенные требования к точности определения напряженно-деформированного состояния компонентов композита, поскольку начало разрушения композита обычно связано с локальными физическими процессами. Отсюда — принципиальная невозможность использования многих простейших структурных моделей, достаточных для анализа интегральных (например, жесткостных) характеристик композита. Серьезно затрудняет оценку прочности композита в рамках структурного подхода необходимость рассмотрения кинетики разрушения материала, так как локальные значения параметров напряженно-деформированного состояния компонентов композита часто достигают предельных значений уже на начальных этапах нагруже-ния композита, что, однако, не приводит к исчерпанию его несущей способности.

Существуют композиты псевдопервого класса. Это системы, состоящие из кинетически совместимых компонентов, в которых принципиально возможно образование новых соединений на поверхности раздела. Однако оптимальная технология позволяет избежать их образования в ходе изготовления композита, эксплуатация которого осуществляется при достаточно низких температурах, исключающих возможность протекания химических реакций. Например, композит А1 -В, полученный методом пропитки борных волокон расплавленным алюминием, относится к третьему классу, так как при повышенных температурах на границе раздела волокно - матрица может образоваться слой борида алюминия. Однако тот же композит, полученный по оптимальной технологии диффузионной сварки, следует отнести к композитам псевдопервого класса, поскольку реакция образования борида не успевает пройти.

Данные, позволяющие построить такие зависимости для наиболее распространенных типов соединений могут быть получены из работы Граймса с соавторами [18]. Расчетные значения разрушающих нагрузок и условие N = 0 при Lit = 0 определяют характер этих кривых вплоть до нагрузок, соответствующих уже разрушению самого композита. Разрушение композита происходит при постоянной нагрузке, не зависящей от Lit. Эта нагрузка предельная и может быть определена или расчетом, или из испытаний композита. Хотя в рассмотренных ниже примерах предельная нагрузка определяется прочностью композита, возможны случаи, когда в соединениях металл — композит несущая способность соединения будет ограничиваться прочностью металла.

Вторым основным источником остаточных напряжений в композите является различие в значениях предела текучести компонентов; это важно, если композит механически деформируется до таких степеней, когда начинается пластическое течение одного или более, компонентов. В этой ситуации остаточные напряжения возникают потому, что нагружение композита происходит в стеснен,-

Очевидно, что насыщенный неорганофункциональный силан (I) не ^пригоден как аппрет в наполненной EPDM системе, вулканизованной серой (табл. 24), вследствие отсутствия реакционной способности по отношению к двойным связям или аллильным водоро-дам, присутствующим в этилевпропилендиеновом каучуке. Амино-содержащий D-силан и меркаптосодержащий Н-силан способны участвовать в процессе отверждения в значительно большей степени, чем В-силан, содержащий двойные связи. Улучшение прочностных свойств и модуля упругости композита происходит благодаря тому, что на поверхности раздела присутствуют группы, химически активные по отношению к каучуку.

При дальнейшем деформировании композита происходит разрушение более хрупкой фазы, вызывающее разрушение композита. Падающая часть кривой напряжение — деформация может быть короче или длиннее в зависимости от пластичности менее хрупкой фазы и от наличия вытаскивания волокон. Эти аспекты процесса разрушения будут обсуждены в разд. III.

Во-первых, когда разрушение образца с концентратором, изготовленного из слоистого композита, происходит от разрыва в направлении, перпендикулярном направлению растяжения, величина предельных напряжений не соответствует расчетной, определенной на основе теоретического коэффициента концентрации (полученного из теории анизотропных пластин). Это явление связано с неоднородностью распределения деформаций около отверстия и, следовательно, с возможностью появления больших нелинейных деформаций еще до разрушения. Имеющиеся данные дают основание считать, что для получения достоверных расчетных предельных напряжений для образцов слоистых композитов с круговыми отверстиями теория анизотропных упругих пластин непосредственно неприменима.

Теория наибольших нормальных деформаций Сен-Венана была распространена на анизотропные материалы в работах [17—19]. При этом предполагалось, что исчерпание несущей способности однонаправленного композита происходит тогда, когда любая из компонент деформации в направлении главных осей достигает предельного значения. Первоначальные формулировки предполагали линейность диаграмм деформирования материала слоя до разрушения, следовательно, жесткость и податливость слоистого композита в процессе нагру-жения оставалась неизменной. Дальнейшее совершенствование указанного подхода позволило учесть и нелинейность механических свойств композита [19].

шении композита происходит вытягивание волокна. В этом случае

Будем считать, что деформирование однонаправленного мате- ; риала монослоя в составе пакета слоев многослойного композита происходит в соответствии с модельными диаграммами, изображенными на рис. 2.17.

сти в той же плоскости. Такое соотношение существенно влияет на возникновение напряжений сжатия при изгибе, поскольку напряжения при изгибе не могут превышать 2/3 нормального сдвигового модуля пластины. Это явление особенно значительно, когда изгиб при сжатии пластины, изготовленной из композита, происходит при высокой температуре, так как нормальная сдвиговая жесткость зависит от свойств матрицы, а жесткость матрицы, в свою очередь, существенно снижается с ростом температуры. Для определения влияния нормальной сдвиговой жесткости пластины Wxz на изгибные напряжения при сжатии необходимо принять во внимание уравнение (20.26):

Будем считать, что деформирование однонаправленного мате- ; риала монослоя в составе пакета слоев многослойного композита происходит в соответствии с модельными диаграммами, изображенными на рис. 2.17.

В результате одноосного сжатия материала с жесткостью R = 104 Н/м3 удалось зарегистрировать равновесные состояния на участке A^Bi, а с жесткостью R = 5,0 • 104 Н/м3 — на участке А3Вз- Макроразрушение композита происходит в первом случае как результат неустойчивого развития кластеров локализованного разрушения при е^з = -1.8 ' Ю~3 (<*зз = -140,1 МПа, р = 20,3%), а во втором вследствие относительной стабилизации этого процесса лишь при «зз = -2,3- Ю-3 («т^з = -77,5 МПа,р = 42,2 %), что на 5,5 % и 35,3 % соответственно больше уровня предельных деформаций при "мягком" нагружении.