Ориентации кристаллитов

Высокие жесткость и прочность армирующих волокон, составляющие основу прочности и жесткости композиционных материалов, реализуются лишь в случае их определенного расположения по отношению к действующему полю напряжений (действующей нагрузке). Вследствие большого разнообразия нагрузок применяются различные схемы укладки арматуры. Варьируя направлением укладки слоев, можно получить слоистые материалы с различной ориентацией армирующих волокон, обладающие в плоскости укладки изотропными и анизотропными свойствами. Именно в возможности придания материалу оптимальной для каждого частного случая анизотропии заключается главное преимущество волокнистых композиционных материалов [44]. В зависимости от ориентации армирующих волокон в плоскости укладки слоистые структуры можно подразделить на следующие основные группы: однонаправленные, ортогонально-армированные с переменным углом укладки волокон по толщине, перекрестно-армированные и хаотически-армированные. Однонаправленные материалы получают при укладке всех волокон параллельно друг другу. Их называют материалами с укладкой 1 : 0, указывая этим на отсутствие поперечно уложенных волокон. Если волокна в таком материале расположены равномерно, он является трансверсально-изотропным (или монотропным) в плоскостях, перпендикулярных к направлению армирования. В ряде случаев влияние технологии изготовления материалов с укладкой 1 : 0 обусловливает в них четко выраженную слоистость, что приводит к ортотропии композиционного материала.

Для механического соединения двух композитов или компо-, зита с металлом не приемлемы традиционные способы и конструкции скрепления. Причиной этого является низкая прочность композиционных материалов на смятие и сжатие (особенно при армировании стеклянными и графитными волокнами) и органически присущее им наличие слабых полимерных прослоек с низкой прочностью. В дополнение к этому многие композиты имеют низкую прочность на сдвиг в плоскости армирования, существенно понижающую несущую способность механических соединений. Кромочные эффекты вблизи отверстий или других нарушений сплошности материала могут не только вызвать местное межслой-ное разрушение материала, но и существенно изменить величину эффективного коэффициента концентрации напряжений. Этот коэффициент, зависящий в первую очередь от ориентации армирующих волокон по отношению к направлению нагружения, может быть как ниже, так и намного выше коэффициента концентрации при тех же условиях в металлическом материале. При этих недостатках должны ли вообще применяться механические соединения композитов? Ответ на этот вопрос может быть положительным, если тип соединения и его конструкция выбраны надлежащим образом. Обоснование такого выбора является задачей весьма трудной из-за недостатка знаний и опыта в использовании механических соединений композитов.

Основными преимущестами метода пропитки являются возможность получения практически беспористого материала, равномерного распределения армирующих элементов в комгюзиционом материале, создания при помощи препрегов из материалов-упроч-нителей определенной ориентации армирующих средств, фиксирования распределения и ориентации упрочнителя, задаваемых

Высокие жесткость и прочность армирующих волокон, составляющие основу прочности и жесткости композиционных материалов, реализуются лишь в случае их определенного расположения по отношению к действующему полю напряжений (действующей нагрузке). Вследствие большого разнообразия нагрузок применяются различные схемы укладки арматуры. Варьируя направлением укладки слоев, можно получить слоистые материалы с различной ориентацией армирующих волокон, обладающие в плоскости укладки изотропными и анизотропными свойствами. Именно в возможности придания материалу оптимальной для каждого частного случая анизотропии заключается главное преимущество волокнистых композиционных материалов [44]. В зависимости от ориентации армирующих волокон в плоскости укладки слоистые структуры можно подразделить на следующие основные группы: однонаправленные, ортогонально-армированные с переменным углом укладки волокон по толщине, перекрестно-армированные и хаотически-армированные. Однонаправленные материалы получают при укладке всех волокон параллельно друг другу. Их называют материалами с укладкой 1 : 0, указывая этим на отсутствие поперечно уложенных волокон. Если волокна в таком материале расположены равномерно, он является трансверсально-изотропным (или монотропным) в плоскостях, перпендикулярных к направлению армирования. В ряде случаев влияние технологии изготовления материалов с укладкой 1 : 0 обусловливает в них четко выраженную слоистость, что приводит к ортотропии композиционного материала.

2. Материал, обладающий симметрией строений (арматура ориентирована в одном или нескольких направлениях). В направлении ориентации армирующих элементов материал приобретает высокую прочность и жесткость. Из теории упругости анизотропных материалов следует, что если известны упругие свойства материала в его главных направлениях, то расчетным путем можно определить и значения упругих свойств в любом направлении. Количество так называемых основных упругих (постоянных) констант, которыми обусловливаются свойства материала в любом направлении, зависит от типа анизотропии. На практике чаще встречается ортотропная система, имеющая три перпендикулярных друг к другу главных направления (в древесине, фанере, слоистом пластике с текстильной или однонаправленной основой и т. п.). В слоистых пластиках с текстильной «арматурой», в которых направления основы тканей совпадают, вводим систему координат так, что ось х параллельна направлению основы, ось у параллельна направлению утка, а ось z перпендикулярна слоям. Упругие свойства в любом направлении в этом случае определены, если мы знаем три модуля упругости при растяжении Ех, Еу и Ег, три модуля упругости при сдвиге Gxy, Gyz и Gzx и три коэффициента Пуассона цху, \iyz и \ixz, где, например, [ixy показывает сужение в направлении оси х при растяжении в направлении оси у.

Характерные свойства: хорошие электроизоляционные свойства при относительно высокой прочности, теплоустойчивость. Механические свойства слоистых стеклопластиков в значительной степени зависят от типа и ориентации армирующих веществ.

Композиционные материалы, как правило, анизотропны, что определяет особую форму связи напряжений и деформаций. Более того, конкретная форма записи соотношений между напряжениями и деформациями зависит от структуры материала, ориентации армирующих элементов, соотношения характеристик арматуры и связующего и т. д.

При болтовом соединении углепластиков большое значение имеет геометрия (расположение и диаметр) отверстий в скрепляемом материале. Поэтому при расчетах болтовых соединений надо учитывать ее влияние на прочность соединения. Для того чтобы обеспечить достаточную прочность соединения, необходимо, чтобы отношения l/d и w/d [I - расстояние от края скрепляемого листа до центра отверстия, w -полуширина листа, d - диаметр отверстия (рис. 3. 31)] превышали некоторые определенные значения. Кроме того, как показано на рис. 3. 32 и 3. 33, на прочность соединения также влияет угол ориентации армирующих волокон в углепластике.

При болтовом соединении углепластиков большое значение имеет геометрия (расположение и диаметр) отверстий в скрепляемом материале. Поэтому при расчетах болтовых соединений надо учитывать ее влияние на прочность соединения. Для того чтобы обеспечить достаточную прочность соединения, необходимо, чтобы отношения l/d и w/d [I — расстояние от края скрепляемого листа до центра отверстия, w — полуширина листа, d - диаметр отверстия (рис. 3. 31)] превышали некоторые определенные значения. Кроме того, как показано на рис. 3. 32 и 3. 33, на прочность соединения также влияет угол ориентации армирующих волокон в углепластике.

При разработке технологического процесса получения изделий из КМ приходится в комплексе решать многие вопросы: выбор армирующих и матричных материалов, их химическое взаимодействие, смачивание, способы ориентации армирующих волокон, способы окончательного объединения волокон и матрицы в единое целое (изделие), выбор оптимальных технологических режимов и др. Не существует универсального технологического процесса, пригодного для получения любого изделия из КМ. Неудачно выбранные технологический метод и режимы изготовления КМ приводят к тому, что прогнозируемые физико-механические и эксплуатационные показатели на практике не реализуются.

Рассмотренные особенности ПКМ (их гетерогенность, анизотропия, высокое затухание, зависимость акустических свойств от процентного содержания армирующих волокон и связующего, ориентации армирующих волокон, пористости, количества слоев, и т.п.) существенно усложняют задачу их неразрушающего контроля по сравнению с неразрушающим контролем металлов.

Поскольку можно свести в единую картину различные наблюдения, процесс.возникновения усталостной трешины состоит из нескольких стадий (рис. 168). Трещины зарождаются на первых этапах нагружения в границах кристаллических объемов как результат пластических сдвигов пачек кристаллических плоскостей, параллельных действию максимальных касательных напряжений, т. е. направленных под углом примерно. 45° к растягивающим напряжениям (октаэдрические напряжения). В зависимости от ориентации кристаллитов сдвиги могут происходить в одной плоскости, одновременно по двум (рис. 168, III, а, 6) или трем (рис. 168, III, в) плоскостям.

Одновременно развивается большое число трещин (рис. 169, г). Некоторые трещины, наталкиваясь на препятствия, останавливаются, другие продолжают развиваться. На определенном этапе процесс локализуется: разрастается преимущественно одна трещина или группа смежных трещин, опередивших в своем развитии остальные в силу сосредоточения на двв-ном участке дефектов материала, локальных преднапряжений или в Силу неблагоприятной ориентации кристаллитов относительно действующих напряжений. Смежные трещины соединяются, образуя глубокую развет« вленную систему. Новые пластические сдвиги и трещины не возникают, а успевшие образоваться прекращают или замедляют «вое развитие, так как все деформации принимает на себя главная трещина. Распространение главной трещины в конечном счете приводит к разрушению детали в результате уменьшения ее нетто-сечения.

На основании экспериментальных результатов проанализирована возможность получения диссипативных структур, в частности структур, типа вихревых и, следовательно, различных кривых упрочнения при изменении нуги деформирования в условиях наложения высоких гидростатических давлений в металлах и сплавах с низкой симметрией кристаллический решетки, а также, что особенно важно, в высокосимметричных кристаллических системах при реализации запрещенных подстроек нижнего уровня- В ОДК поликристаллических металлах И сплавах причиной образования вихревых структур является формирование ярко выраженной аксиальной текстуры <110>, приводящее к переходу о схемы осесимметричной деформации к схеме плоской деформации в кристаллитах с такой ориентацией, вследствие чего поперечное сечение данных кристаллитов становится эллиптичным с малой осью эллипса вдоль направления <001>, а большой осью — вдоль <011>. В результате протекания динамических аккомодационных процессов, обеспечивающих неразрывность, поликристаллического агрегате, происходит закручивание лентообразных элементов структуры вокруг оси деформации. Такая вихревая структура обеспечивает сохранение высоких пластических характеристик деформированных ОЦК поликристаллов в сочетании с повышенным уровнем прочностных свойств, В заключении необходимо отметить, что аналогичная ситуация наблюдается и при деформации ГПУ поликристаллов в условиях высоких гидростатических давлений. В этом случае также происходит переход к системе плоской деформации по мере развития аксиальной текстуры <1010>, являющейся основной ориентировкой при одноосном растяжении ГПУ поликристаллических металлов и сплавов под давлением. В результате при ориентации кристаллитов с направлением <1010> вдоль оси деформации изменение их размеров в поперечном сечении ПОД действием радиальных сжимающих напряжений оказывается анизотропным. Данное обстоятельство связано с затрудненностью пластической деформации вдоль оси <0001> вследствие кулевых факторов Шмидп для основных систем скольжения. Поэтому в результате формирования текстуры <110> в ОЦК поликристаллах, происходит образование лентообразных элементов структуры с их последующим закручиванием вокруг оси деформации.

и некоторым уменьшением углов разориентировки б при выдержке до 10 ч, после чего дисперсность блоков уменьшается, а углы раз-ориентации кристаллитов возрастают. Существенных изменений в величине микронапряжений Ad/d при 800° С не обнаружено.

Пластмассы такой группы, как полиамиды, например полиамид-68, поли-амид-66, капрон, обладающие исключительно высокой стойкостью к истирающим нагрузкам (выше, чем у бронз) и широко используемые в машиностроении для изготовления шестерен и подшипников, а также различных деталей машин, для защиты трущихся поверхностей, для изготовления нитей, идущих на сети, имеют свойство ориентации кристаллитов при растяжении,-сопровождаемой существенным увеличением прочности (в 4—5 раз) при вытяжке в 3,5—5 раз по срав*

Поскольку можно свести в единую картину различные наблюдения, процесс возникновения усталостной трещины состоит из нескольких стадий (рис. 168). Трещины зарождаются на первых этапах нагружения в границах кристаллических объемов как результат пластических сдвигов пачек кристаллических плоскостей, параллельных действию максимальных касательных напряжений, т. е. направленных под углом примерно 45° к растягивающим напряжениям (октаэдрические напряжения). В зависимости от ориентации кристаллитов сдвиги могут происходить в одной плоскости, одновременно по двум (рис. 168, Ш, а, б) или трем (рис. 168, III, в) плоскостям. <

Одновременно развивается большое число трещин (рис. 169, г). Некоторые трещины, наталкиваясь на препятствия, останавливаются, другие продолжают развиваться. На определенном этапе процесс локализуется: разрастается преимущественно одна трещина или группа смежных трещин, опередивших в своем развитии остальные в силу сосредоточения на данном участке дефектов материала, локальных преднапряжений или в силу неблагоприятной ориентации кристаллитов относительно действующих напряжений. Смежные трещины соединяются, образуя глубокую разветвленную систему. Новые пластические сдвиги и трещины не возникают, а успевшие образоваться прекращают или замедляют 'свое развитие, так как все деформации принимает на себя главная трещина. Распространение главной трещины в конечном счете приводит к разрушению детали в результате уменьшения ее нетто-сечения.

Рентгеноструктурный анализ применяется при определении фазового состава, растворимости элементов в твёрдом состоянии, фазовых превращений, величины кристаллитов, изучении преимущественной ориентации кристаллитов (текстуры), напряжённого состояния и др.

Изучение преимущественной ориентации кристаллитов. При волочении проволоки, прокатке и вальцовке, а также в результате направленной кристаллизации при литье и электроосаждении металлов часто возникает преимущественная ориентация кристаллитов. Так, например, в холоднотянутой алюминиевой проволоке диагонали кубов отдельных кристаллитов направлены вдоль оси проволоки; в вальцованном железе кристаллиты располагаются так, что одна из граней куба оказы-

Пирографит — поликристаллический материал, отличающийся высокой степенью предпочтительной ориентации кристаллитов вдоль поверхности осаждения. По данным рентгеноструктурных исследований, отдельные кристаллиты имеют хорошо выраженную текстуру плоскости (002), параллельной поверхности отложения. Упорядоченность возрастает с ростом температуры синтеза пирогра-фита, причем при температурах выше 2300 "С развивается трехмерная упорядоченность.

Рассеяние текстуры приводит к тому, что углы \у и 9 не остаются фиксированными, а изменяются определенным образом от кристаллита к кристаллиту. Это изменение удобно описывать функцией распределения ориентации кристаллитов со(\у,в). При этом плотность энергии деформации агрегата с рассеянной текстурой по-прежнему связана с модулями упругости ТИС формулой (2.293), а величины Kj-tf и КцЫтп определяются из соотношений:

атомный объем; ФИО)2 — средняя плотность вероятности у ядра для всех электронных состояний на поверхности Ферми, выраженная через волновую функцию электронов. Анизотропия резонансного сдвига возникает вследствие нарушения простой симметрии решетки металлов (фазы внедрения, замещения, сплавы или чистые металлы после деформации). Наглядно анизотропию линии спектра ЯМР можно продемонстрировать на порошковых металлических образцах. Если каждому из кристаллитов соответствует симметричная линия, положение которой зависит от ориентации кристаллической оси по отношению к вектору Н0, то во всем объеме образца содержатся кристаллиты практически всех ориентации. Рассмотрим два крайних случая ориентации кристаллитов: 6=0 и 9— я/2 (6 — угол между осью симметрии и направлением поля Я0). Для 9 = 0 (гексагональная или тетрагональная ось) полное добавочное поле, вызванное электронами проводимости в месте расположения ядра, можно представить в следующем виде: