Композитных конструкций

Композитные материалы с ориентированным расположением усов обладают высокой прочностью только против действия растягивающих напряжений в направлении ориентации (растяжение вдоль усов, отчасти изгиб поперечными силами). Прочйость па сжатие, а также на растяжение поперек усов мало отличается от прочности материала матрицы.

36. Композитные материалы, армированные системой трех прямых взаимно ортогональных волокон. 2. Экспериментальное изучение/И. Г. .Жигун, М. И. Душин, В. А. Поляков,

79. Тарнопольский 10. М., Поляков В. А., Жигун И. Г. Композитные материалы, армированные системой трех взаимно ортогональных воло-

* Эффективными или усредненными модулями называют упругие характеристики композиционного материала, полученные усреднением свойств компонентов по одной из теорий армированных сред, см., например, Болотин В. В., Гольденблат И. И., Смирнов А. Ф. Строительная механика. Изд. 2-е М., Стройиздат, 1972. 191 с; Ван Фо Фы Г. А. Композитные материалы волокнистого строения. Под ред. И. Н. Францевича. Киев, «Наукова думка», 1970. 404 с.; Упрочнение металлов волокнами. М., «Наук», 1973. 206 с. Авт.: В. С. Иванова, И. М. Копьев, Л. Р. Ботвина, Т. Д. Шермергор. (Прим. ред. пер.).

ветствующих физико-химических эффектов). Еще одно важное: требование — стабильность поверхности раздела; оно становится решающим в условиях высокотемпературной эксплуатации, для которых, собственно, и предназначены композиты с металлической матрицей. Кроме того, металлические композитные материалы должны работать в более разнообразных условиях нагружения, чем неметаллические, поскольку в металле возможны различные случаи внеосного нагружения, передаваемого матрицей в тех на-правлениях, где упрочняющей фазы мало или вовсе нет.

Некоторые наиболее интересные композиты условно отнесены к первому классу. К нему принадлежат такие системы, как алюминий—бор, алюминий — нержавеющая сталь и, возможно, алюминий — карбид кремния. Композитные материалы этой группы обычно получают путем диффузионной сварки в твердом состоянии. Хотя, согласно термодинамическим данным, матрица и упроч-

конечной толщиной, сопряжено с серьезными трудностями. Далее будет показано, что все три типа поверхности раздела, если они отвечают определенным требованиям, позволяют получить прак^ тически ценные композитные материалы. Расширение представлений о желательном состоянии поверхности раздела облегчила выработку соответствующего определения. Предлагается следующее определение:

Композитные материалы (кроме эвтектических) обычно изготавливают из двух или более составляющих элементов. Каждый из этих элементов предварительно тщательно очищают от загрязнений; тем не менее, после любой обработки (за исключением таких особых видов предварительной обработки, как высокотемпературный вакуумный отжиг или катодное травление) на поверхности остаются пленки адсорбированных веществ. Пленки на металлах возникают, в основном, из-за взаимодействия с кислородом воздуха, но на окислах и некоторых неметаллах пленки могут появиться в результате взаимодействия с водяным паром. Дополнительными источниками образования пленок могут явиться загрязняющие вещества, присутствующие в различных количествах при подготовительных операциях, например масло или смазка, хлориды и сульфиды, пыль и другие посторонние вещества и продукты их взаимных реакций, например гидроокиси. Таким образом, объединение составляющих композита не является простым физико-химическим процессом. Как правило, для образования связи между металлом и упрочнителем пленки должны быть каким-либо способом уничтожены. Иногда, однако, пленки желательно сохранить или видоизменить; в частности, окисные пленки на алюминии и боре сводят к минимуму взаимодействие компонентов в соответствующих композитах.

у обычных современных композитов с металлической матрицей при переходе через поверхность раздела химический состав меняется непрерывным образом. Даже те композитные материалы, при изготовлении которых можно избежать существенного химического взаимодействия на поверхностях раздела, подвержены разупрочнению из-за диффузии через поверхность раздела компонентов при длительном воздействии лишь умеренно высоких температур. Диффузионное взаимодействие компонентов в этих материалах, по-видимому, подчиняется классическим законам диффузии.

Стабильность поверхности раздела является одним из основных требований к металлическим композитным материалам. Перспективность композитов во многом определяется степенью выполнения этого требования. Металлические композитные материалы наиболее перспективны для применения при высоких температурах, при которых полимерные композиты нестабильны, а удовле-творить техническим требованиям могут лишь те материалы, которые стабильны сотни, а лучше тысячи часов.

Несколько композитов керамика —"дисперсная фаза разработаны специально для изменения свойств матрицы. Традиционные керамические материалы, например фарфор, строительные изделия из глины, огнеупорный кирпич и т. п., представляют собой сложные композитные материалы. Наличие различных фаз связано с высокотемпературным химическим взаимодействием между несколькими сортами сырья, использованными для изготовления каждого конкретного изделия. Каждая фаза и ее объемное содержание регулируются составом сырья, температурой изготовления и временем выдержки при этой температуре. Некоторые традиционные керамики, например цементный раствор и бетон, можно классифицировать как простые двухфазные композиты с дисперсными частицами, но многие другие представляют собой многофазные композиты. Изготовители новых керамических материалов

ривать как параметр материала, используемый в расчетах и для контроля при эксплуатации композитных конструкций. Для анизотропных композитов необходимо дополнительное рассмотрение.

Очень важное применение катодная защита находит для подавления местных видов коррозии медных сплавов, нержавеющих сталей в растворах хлоридов и в морской воде. Применение протекторов из углеродистой стали, выполняемых в виде отдельных деталей конструкции или специальных протекторов, обеспечивает защиту медных сплавов от струевой и язвенной коррозии, нержавеющих сталей от питтинговой коррозии. Перспективно направление по созданию композитных конструкций, где за счет других деталей, элементов обеспечивается протекторная катодная защита наиболее ответственных узлов (запорные органы клапанов, рабочие колеса насосов, теплообменные трубы и т. д.).

Наиболее серьезным недостатком при использовании стеклянных оболочек в качестве прочного корпуса является низкая ударная вязкость стекла. Попытки сделать стекло одновременно и прочным и вязким не привели к успеху. В связи с этим основной проблемой в использовании стекла для создания прочных корпусов является создание таких композитных конструкций, в которых вязкость обеспечивается за счет других материалов.

В этом случае решение задач оптимального проектирования силовых конструкций направлено на снижение металлоемкости и стоимости композитных конструкций.

Исследования структуры и свойств мартенситно-стареющих сталей (гл. 6) проводили с целью разработки оптимальных режимов термообработки композитных конструкций, обеспечивающих повышение прочности изделий. Это имеет важное практическое значение при создании конструкций, работающих в агрессивных средах, при высоких давлениях и теплообмене. Исследования характеристик трещино-стойкости волокнистого бороалюминиевого композита (гл. 8) были предопределены необходимостью оценки несущей способности элементов ферменных конструкций космических аппаратов с учетом влияния технологических и эксплуатационных дефектов. Интенсивное развитие нанотехнологий, использующих новый класс материалов — ультрадисперсные порошки химических соединений, привело к резкому увеличению числа работ по их практическому применению для повышения качества металлоизделий. Результаты 20-летних исследований в этом направлении представлены в гл. 9. Широкие перспективы использования керамических материалов, в частности конструкционной керамики на основе оксида алюминия, а также проведенные исследования обозначили ряд проблем при изготовлении изделий — недостаточная эксплуатационная надежность, хрупкость, сложность формирования бездефектной структуры. Отсюда возникли задачи исследования трещиностойкости керамики в связи с влиянием структуры, свойств и технологии ее получения (гл. 10).

При создании и эксплуатации композитных конструкций, как правило, применяются высокопрочные коррозионно-стойкие стали в сочетании с другими сталями и сплавами. Выбор материалов определяется не только условиями работы, но и технологической совместимостью материалов в процессе изготовления. Эта особенность проявляется в необходимости проведения технологических операций с использованием нагрева и совместной ТО для получения оптимальных параметров каждого материала в отдельности (высокая прочность, коррозионная стойкость под напряжением и т.д.). Кроме того, важно исключить возникновение дополнительных остаточных напряжений в процессе изготовления и добиться стабильных размеров деталей и изделий, а при создании напряженных конструкций — заданных уров-

На основании изучения закономерностей изменения характеристик прочности и устойчивости ряда элементов композитных конструкций при различных видах нагружения в неоднородном и нестационарном поле температур предлагается новая методика их исследования и расчета. Основным ее отличием от существующих является то, что физическими системами, на которых исследуется влияние на прочность или устойчивость полей температур при выбранных режимах нагрева, вместо образцов материала или его компонентов служат образцы конструкций. Под образцами конструкций условно подразумеваются либо модели, либо конструктивно- технологически подобные образцы, либо непосредственно элементы конструкций. Расчет образцов конструкций при других режимах нагрева ведется по определяемым на них обобщенным характеристикам. За обобщенные характеристики принимаются феноменологические зависимости вида

Излагаемые в данной главе метод исследования закономерностей изменения предельных нагрузок и теория расчета элементов композитных конструкций по их обобщенным характеристикам опираются в основном на представления, вытекающие из постановки и методов решения краевых задач математической физики.

Анализ термомеханического подобия явлений в элементах композитных конструкций. При определении структуры критериев термомеханического подобия явлений в элементах композитных конструкций будем предполагать, что свойства компонентов, образующих композит, удовлетворяют условию монолитности [103], а сам композит является анизотропной и однородной сплошной средой. Условие однородности может быть принято в связи с тем, что поперечные размеры наполнителя, обусловливающего неоднородность, пренебрежимо малы по сравнению с геометрическими размерами элемента конструкции.

Отметим, что оценка несущей способности композитных конструкций, находящихся в условиях плоского напряженного состояния, только по сдвигу будет заниженной и приведет к резкому увеличению их массы.

Несущая способность композитных конструкций существенно зависит от прочности в местах соединений, которая, в свою очередь, зависит от схемы ориентации наполнителя и конструктивного оформления соединения. В связи с этим значительный интерес представляет разработка методов экспериментального исследования, которые одновременно с исследованием несущей