Прочности возрастает

Для предсказания прочности волокнистых композитов при сложном напряженном состоянии предложено большое число теоретических и полуэмпирических критериев. Они подробно изложены в обзоре By «Эмпирические критерии прочности» (гл. 9, т. 2); Чамиса «Микромеханические теории прочности» (гл. 3, т. 5); Викарио и Тоуланда «Критерии разрушения и анализ разрушения

Повышенная температура и влажность приводят к понижению жесткости и прочности волокнистых полимерных слоистых композитов. При пониженных температурах возникает противоположный эффект.

Поскольку системы алюминий—бор и титан—бор обладают перспективными свойствами и могут быть сравнительно легко получены, они исследованы более широко. Детальные сведения о характеристиках растяжения композита алюминий—борсик были представлены Крайдером и др. [49]. Кроме того, влияние поверхности раздела на характеристики растяжения изучал Меткалф [58, гл. 4], а Кляйну [58, гл. 5] принадлежит обзор по прочности волокнистых композитов при внео'сном растяжении.

Лившиц и Ротем [60], изучая однонаправленные стеклопластики, установили временную зависимость прочности 'волокна при растяжении в продольном направлении. Существование такой зависимости объясняется релаксацией напряжений в смоле, приводящей к уменьшению эффективной длины волокна. Рухманн и By [79] обнаружили, что под воздействием растворителей, например бензола, процесс релаксации напряжений ускоряется и протекает, по-видимому, одновременно с пластикацией полимера. Релаксация нормальных напряжений сжатия на поверхности раздела может отрицательно сказаться на свойствах композита, но это зависит от степени влияния остаточной деформации на передачу напряжения. Поэтому вполне вероятно, что процесс релаксации .напряжений в смоле способствует понижению прочности волокнистых полимерных композитов, которое наблюдается при старении на воздухе, и, следовательно, необходимы дальнейшие исследования с целью определения действительной роли релаксации в процессе деструкции. Автор признателен фирме Gordon and Breach (Нью-Йорк) за разрешение воспользоваться рис. 1—7 и табл. 1—5, 10—15 и 17—22.

Бор. Волокна бора характеризуются высоким сопротивлением сжатию наряду с высоким удельным модулем. Это позволяет использовать их, в особенности для конструкций, работающих под давлением (с ограниченной устойчивостью) и обладающих высокой жесткостью. Свойства волокон высоко стабильны. Благодаря высокому модулю упругости бора в полимерной матрице возникают низкие напряжения. Волокна имеют хорошую адгезию к связующему (матрице), что подтверждают высокие результаты стандартных испытаний на межслоевой сдвиг по методу короткой балки. Сочетание этих свойств ведет к повышению усталостной прочности волокнистых материалов с применением бора, составляющей, как правило, 70% от предельного значения кратковременной йрочно-сти для одноосноармированных материалов.

Основная цель данной главы состоит в освещении фундаментальных основ изменчивости и масштабного эффекта прочности хрупких и вязких однофазных материалов и особенно пластиков, состоящих из жестких, хрупких армирующих материалов, погруженных в растяжимые матрицы. Вследствие этого не будет возможности охватить во всех деталях многие интересные достижения в более традиционных аспектах разрушения композитов. Интересующемуся читателю можно рекомендовать некоторые другие главы данного тома и дополнительно следующие обзоры по прочности композитов: Келли [15] — общее введение в теорию прочности волокнистых композитов; Кортен [7, 8] — детальное обсуждение вопросов прочности пластиков, армированных стеклянными волокнами; Розен и Дау [31] и Тетельман [35] — детальные обсуждения некоторых вопросов прочности композитов и подходов механики разрушения к разрушению композитов; Тьени [34] — сборник статей различных исследователей, в которых представлено много примеров структуры и статистических особенностей разрушения отдельных композитов, таких, как бетоны, пенопласты, и неориентированных матов, таких, как бумага,

Развитие теории прочности даже для однородных изотропных материалов уже было трудной задачей. Она еще более усложняется, если материал анизотропен и состоит из двух разных материалов, которые, как правило, сильно отличаются по свойствам. Большинство теоретических работ по прочности волокнистых композитов устанавливает тот или иной критерий для определения упругой прочности композита. Некоторые исследователи полагают, что все волокна имеют одну и ту же прочность, в то время как другие считают, что хрупкие волокна обладают статистическим распределением прочности. Материал матрицы рассматривается как упругий, или по крайней мере принимается, что его свойства не зависят от времени.

Цель настоящей главы — дать обзор некоторых работ, связанных с исследованием длительной прочности волокнистых ком-

Если менять материалы, из которых изготавливается волокно, или метод их изготовления, то можно получить волокна бора с различными свойствами. Исследование механических свойств нескольких борных волокон было осуществлено в [22]; полученные результаты дали большой разброс прочностных свойств для каждого типа волокна. Этот разброс есть следствие потери пластичности, когда дефекты в материале приводят к катастрофическому разрушению при относительно низких напряжениях. Гистограмма значений прочности на растяжение для двух типов непрерывных борных волокон показана на рис. 3. Один тип низкого качества, а другой — высокого. Приведены результаты для волокон в состоянии поставки и для протравленных волокон, в которых влияние поверхностных дефектов сведено к минимуму. При анализе временных свойств прочности волокнистых композитов, армированных борными волокнами, необходимо помнить о форме функции распределения прочности.

В настоящее время, по-видимому, нет другой теории, связывающей длительную прочность композиционных материалов, изготовленных из хрупких волокон и вязкоупругой матрицы, с вязко-упругими свойствами материала матрицы. Были предложены еще две теории (будут обсуждены позднее в настоящем разделе) для оценки длительной прочности волокнистых композитов, но они

В следующем разделе выясняются две основные особенности усталостной прочности композитов, а именно: (а), что усталостная прочность является свойством самого композита в противоположность тем свойствам, которые определяются характеристиками каждого из компонентов, и (б) что некоторые особенности конструкции материала можно использовать для максимального увеличения усталостной прочности волокнистых композитов.

Механические свойства, полученные при испытании на растяжение сталей и сплавов, обработанных стандартным методом и методом «термомагнодинамикс», приведены в табл. 19. Как видно из таблицы, при обработке материалов по методу «термомагнодинамикс» в большинстве случаев одновременно с повышением предела прочности возрастает пластичность (относительное удлинение и поперечное сужение). Эти результаты были получены на литом и кованом материале-для изделий различных сечений и размеров [141]. Максимальное упрочнение было достигнуто на широко распространенной стали 6150 (вь = = 262 кГ/мм2) и на специальном сплаве Венанго (вь = = 294 кГ/мм2).

во всем исследованном диапазоне значений лкр, то прочность при сдвиге растет с увеличением объемного содержания кристаллов до 5 %. Дальнейшее увеличение значений акр приводит к резкому снижению сдвиговой прочности стеклопластика. Это обусловлено особенностями метода виске-ризации, при котором с увеличением содержания нитевидных кристаллов и толщины слоя ткани затрудняется их внедрение в пространство между волокнами; кристаллы начинают располагаться в плоскости ткани. Оптимальное объемное содержание кристаллов, при котором достигаются максимальные значения сдвиговых характеристик 'исследуемого стеклопластика, составляют 5—6 % . Прочность при сдвиге в значительной степени определяется также диаметром нитевидных кристаллов, применяемых для виске-ризации. С уменьшением диаметра нитевидных кристаллов значение прочности возрастает (см. рис. 7.9).

содержании олова 10—12% их прочность 15—32 кгс/мм2. Такие бронзы имеют хорошие литейные свойства и поэтому применяются для фасонного литья. Среди остальных сплавов наиболее важное значение имеют бериллие-вые бронзы. Они подвергаются упрочняющей термической обработке. Наиболее высокие свойства бериллиевые бронзы приобретают после закалки при 760—780 °С (охлаждение в воде и старение при 320 °С в течение 2 ч). Закалка фиксирует твердый а-раствор. При старении выделяются частицы у-фазы, упрочняющей сплав; предел прочности возрастает до 130—135 кгс/ммг. Перегрев бе-риллиевой бронзы приводит к резкому падению электрической проводимости [Л. 51]. В отожженном, состоянии разброс по электрической проводимости достигает 20%,

Предложенные различными авторами формулы для расчета накопления повреждений преимущественно основаны на теоретических предпосылках и на увязаны о механическими свойствами материалов. Поэтому результаты расчетов, основанные на эти формулах, часто существенно отличаются от экспериментальных. Данные работы /4l7, полученные более 40 дет назад, по-првж-нему остаются предметом многочисленных ссылок. В этой работе исследовались изменения пределов прочности и текучести, относительного удлинения и сужения на образцах из мягкого железа (0,05% С) после относительно высокого уровня предварительного нагружения растяжением - ожатием.По мере увеличения числа циклов предел прочности повышается незначительно ( до 10^),предел текучести возрастает более существенно (до 50$).Относительное удлинение о имеется, а сужение практически не изменяется. В работе /5§7, где исследовалась легированная хромом сталь (0,27$ С и 1,20% fr), установлено, что после предварительного нагружения циклическим растяжением до напряжения, составляющего 0,6 <7Г , предел прочности возрастает до 9?; с увеличением напряжения циклирования до 0,8 <3Т он снижается до исходного значения, в то время как предел текучести увеличивается. В работе /!27/ для изучения влияния предварительного циклического нагружения растяжением - сжатием на механические свойства использовалась проволока из сплава на основе меди и никеля диаметром от 0,03 до 0,08 мм. В преобладающем числе испытаний не удавалось установить изменения предела прочности даже у проволочек, которые вследствие циклического воздействия имели большое количество оуомикротрешин. Наблюдаемое в отдельных случаях уменьшение предела прочности на было связано с влиянием амплитуды, числа циклов, а являлось, очевидно, результатом макроскопического повреждения.

во всем исследованном диапазоне значений лкр, то прочность при сдвиге растет с увеличением объемного содержания кристаллов до 5 %. Дальнейшее увеличение значений акр приводит к резкому снижению сдвиговой прочности стеклопластика. Это обусловлено особенностями метода виске-ризации, при котором с увеличением содержания нитевидных кристаллов и толщины слоя ткани затрудняется их внедрение в пространство между волокнами; кристаллы начинают располагаться в плоскости ткани. Оптимальное объемное содержание кристаллов, при котором достигаются максимальные значения сдвиговых характеристик 'исследуемого стеклопластика, составляют 5—6 % . Прочность при сдвиге в значительной степени определяется также диаметром нитевидных кристаллов, применяемых для виске-ризации. С уменьшением диаметра нитевидных кристаллов значение прочности возрастает (см. рис. 7.9).

При перепаде температур по высоте замка в процессе эксплуатации газовых турбин жесткость зубцов и соответствующих участков тела хвостовика лопатки и выступа диска (т. е. сопротивляемость деформации ползучести) возрастает за счет падения постоянной B\i с уменьшением температуры, несмотря на рост постоянной т,-. Так как замок представляет собой статически неопределимую систему, то отмеченное выше обстоятельство влечет за собой неравномерное распределение усилий между зубцами, а именно, верхние зубцы оказываются менее нагруженными, чем нижние. Наоборот, предел длительной прочности возрастает по мере перехода от верхних зубцов к нижним.

Результаты исследования (см. табл. 3) свидетельствуют также о том, что остаточными напряжениями, не оказывающими задает-ного влияния на сопротивление усталости сварных соединений, в нашем случае являются напряжения 3—4 кгс/мм2. Остаточные напряжения, достигающие 10—12 кгс/мм2, могут снижать предел выносливости на 10—15%, а напряжения 20—30 кгс/мм2 на 20— 40%. Снижение усталостной прочности возрастает при наличии концентраторов напряжений (усиление шва, структурная неоднородность и т. п.).

При большем содержании олова в сфунпр, ni.,»ff:-i в равновесном состоянии с ct-раствором присутствует ут'ектонд (сх - + Cu31Sng). Зависимость механических свойств литых бронз от содержания олова показана на рис. 192, б. Предел прочности возрастает с увеличением содержания олова. При высокой концентрации олова вследствие присутствия в структуре количества эвтектоида, содержащего •предел ,прочности, резко t шжаегся.

прочности возрастает, а относительное

В результате упрочняющей холод, ной пластической деформации патентц. рованная проволока приобретает значительные остаточные напряжения, которые сильно снижают предел упру, гости, почти не влияя на предел прочности. Для уменьшения этих напряже-ний и повышения предела упругости и релаксационной стойкости— основных характеристик пружинной стали— готовые пружины после навивки или гибки подвергают последующему низкотемпературному отпуску при 200— 300 °С. Рост предела упругости в результате этого отпуска достигает примерно 100 % исходной величины, тогда как предел прочности возрастает примерно лишь на 10 %. Релаксационная стойкость пружин после отпуска возрастает по сравнению с неотпущенными примерно в 2—3 раза. Также возрастает и предел выносливости (на 5—10 %), причем температура отпуска для достижения максимума этого свойства обычно выше (300—350 °С). чем температура отпуска для достижения максимального предела упругости (обычно 200—300 °С) (табл. 2). При назначении режима отпуска следует учитывать влияние не только температуры, но и его продолжительности (табл. 3).

При соотношении продольных и поперечных слоев 1:1 (волокно Е) СВАМ имеет следующие характеристики: ст„ = 460—500 МПа и модуль упругости Е *» 35 000 МПа. В случае соотношения слоев 10:1 предел прочности возрастает до 850—950 МПа, а модуль упругости — до 58 000 МПа. Однонаправленный стекловолокнит, армированный высокопрочным волокном ВМ-1, обнаруживает предел прочности в направлении волокон 2100 МПа и модуль упругости 70 000 МПа.