Композитного материала

Рисунок 1.67 - Схема многослойной композитной прослойки

Рисунок 1.72 - Картины муаровых полос при сжатии пятислойной композитной прослойки

случаях, например, при сварке титановых сплавов больших толщин по щелевой разделке, имеющей стыковочные выступы, расплавляясь и перемешиваясь с присадочным металлом, обуславливают местное существенное повышение твердости металла шва. Это тоже пример композитной прослойки.

Композитная прослойка состоит из произвольного числа слоев (J) с разными пределами текучести ct"j и деформируется в результате плоско-параллельного перемещения (рисунок 4.7) жестких частей. Материалы композитной прослойки идеально-жестко-пластические, и применительно к ним справедлива деформационная теория пластичности с условием текучести Мизеса.

По условию К„ > 3, следовательно, равенство (4ЛЗ) будет удовлетворительно, если Y"„>yI,- Таким образом, совместимость напряжений ак и -csy приводит к необходимости допущения разрыва угловых деформаций уи на границах раздела слоев композитной прослойки (рисунок 4.7, в).

В остальных участках композитной прослойки допускается гипотеза плоских сечений, т.е. V (?,, тО = V (г\).

Рисунок 4.8 ¦ К анализу деформированного состояния композитной прослойки

Аналогично находятся компоненты напряжений для левой половинки композитной прослойки.

В случае деформирования несимметричной композитной прослойки в соединений возникает изгибающий момент:

Например, для двухслойной композитной прослойки:

Сплошными линиями на этих графиках показаны теоретические зависимости Кх от указанных параметров для прослоек, у которых слои чередуются (начиная от плоскости симметрии) в последовательности М~Т, пунктирными линиями - в последовательности Т-М. Как видно, с уменьшением относительной толщины %, вследствие повышения степени стеснения деформаций металла композитной прослойки, коэффициент контактного упрочнения повышается.

1 Зилауц А. Ф., Крегерс А. Ф. Поверхности деформируемости композитного материала. — Механика полимеров. 1976, № 6. с 975—981.

40. Крегерс А. Ф. Определение де-формативных свойств композитного материала, армированного пространственно-криволинейной арматурой. — Механика полимеров, 1969, № 5, с. 790—793.

Паллей И. 3., Озолс В. Я., Шмаров А. И., Определение вероятности разрушения образцов композитного материала, армированного ориентированными отрезками волокон, сб. «Вопросы динамики и прочности», вып. 31, Рига, «Зинатне», 1975.

Независимо от уже имевшихся количественных оценок некоторые исследователи указывали, что свойства композитных материалов должны зависеть от того, насколько поверхности раздела отличаются по свойствам от матрицы и волокна. Купер и Келли [13], например, делят характеристики композитного материала на те, которые определяются в основном прочностью поверхности раздела при растяжении о,, и те, которые определяются сдвиговой прочностью ti. В числе характеристик, определяемых прочностью поверхности раздела при растяжении, авторы называют поперечную прочность, прочность на сжатие и сопротивление распространению трещины в процессе расслаивания при испытании на растяжение. К характеристикам, которые определяются в основном сдвиговой прочностью, относятся критическая длина волокна (длина передачи нагрузки), характер разрушения при вытягивании волокон и деформация матрицы в изломе. Теория Купера и Келли будет рассмотрена ниже.

При исследовании механических свойств поверхностей раздела возникают проблемы, близкие к тем, с которыми сталкиваются при физико-химическом исследовании. Можно использовать изолированные поверхности раздела, но и в этом случае не воспроизводятся распределения остаточных напряжений в композитах, а сложное напряженное состояние при их деформации не идентично состоянию типичного композитного материала. С другой стороны, испытания то вытягиванию волокна также недостаточно воспроизводят условия в композите по причинам, рассмотренным более подробно в гл. 2.

Любой многофазный материал представляет собой механический континуум, в интегральные характеристики которого каждая из фаз со своими механическими свойствами вносит определенный вклад. Кроме того, при внешнем нагружении композитного материала заметное влияние на поддающиеся измерению свойства вносят реологические взаимодействия на межфазных поверхностях раздела, возникающие из-за различия упругих и пластических характеристик фаз. Взаимодействия такого типа в одних случаях желательны, в других — нет.

Штурке [43] исследовал совместимость компонентов композитного материала в условиях длительных изотермических выдержек при 505, 644 и 811 К. После 100 ч выдержки при 644 К прочность снижалась менее чем на 10%; при увеличении выдержки до 5000 ч прочность снижалась на 40%. Скорость разупрочнения «была значительно выше при 811 К: снижение прочности на 50% наблюдалось после 10 ч выдержки. Эти результаты приведены на рис. 8. Штурке предложил два объяснения полученным данным. По первому из них снижение прочности обусловлено ослаблением связи волокна с матрицей, а по второму — уменьшением деформации до разрушения борного волокна из-за его взаимодействия с матрицей. Недавние исследования подтвердили второе объяснение.

Приведенные выше примеры разрушения поверхностей раздела были взяты из работ, посвященных системе А1 — В. Такое разрушение происходит при определенных условиях и в других системах с алюминиевой матрицей. В системе А1 — нержавеющая сталь Джонс [17] и Паттнайк и Лоули [31] наблюдали явления, которые могут быть связаны с нарушением псевдостабильного состояния поверхности раздела. Пиннел и Лоули [34] описали технологию изготовления композитного материала из алюминия высокой чистоты и проволоки (нержавеющая сталь Fe-15Cr-4Ni-3Mo) диаметром 0,15 мм с прочностью 316 кГ/мм2. Этот композитный материал был исследован в исходном состоянии (после прессова-

Рэтлифф 'и Пауэлл [35] исследовали взаимодействие карбида кремния в виде таблеток или дисков с нелегированным титаном и сплавом TJ-6A1-4V в интервале температур 1273—1473 К. Поскольку данное исследование проведено при температурах, превышающих температуры изготовления и эксплуатации композитного материала, полученные результаты не могут быть использованы непосредственно. Однако в этой работе наблюдались интересные эффекты, которые представляются важными для объяснения некоторых фактов.

Вязкость композитного материала тесно связана не только со свойствами его составляющих, но и, что часто более важно, с характером их взаимодействия. Это можно проиллюстрировать по меньшей мере двумя наглядными примерами. Первым из них является стеклопластик (вязкий композит, изготовленный из двух хрупких составляющих) вторым—древесина. Обычная древесина представляет собой древесные волокна, связанные лигниновой матрицей, и очень вязка, а те же волокна в эпоксидной матрице крайне хрупки. И в стеклопластике, и в древесноволокнистом композите вязкость определяется, главным образом, поверхностью

В то время как значительное число исследовательских и опытных работ было направлено на создание высокопрочных волокон и армированных ими композиций, Крафт и Элбрайт сосредоточили свои усилия на разработке оригинального метода направленной кристаллизации эвтектических сплавов [41]. Пользуясь этим методом, они закристаллизовали эвтектику А1 — СиАЬ и по-лучиди ориентированную двухфазную структуру. Хотя получение направленной структуры само по себе еще не означает создание композитного материала, Лемке и Крафт [45] в дальнейшем показали, что усы хрома, выросшие при направленной