Прочность композиции

Отверстия и вырезы. Как правило, отверстия более резко снижают статическую прочность композиций, чем металла. С другой стороны, они меньше влияют на усталостную прочность композиций. При этом на величину их прочности сильно влияет форма отверстия, как показано на рис. 5. Разрушающее напряжение для случая круглого отверстия диаметром 38 мм составляло 1610 кгс/см2, а для более квадратного 2450 кгс/сма [12].

Прочность композиций, армированных непрерывными волокнами. В волокнистых композициях непрерывные волокна обычно распределены по всему объему. В целях упрощения предположим, что они однородны, непрерывны, ориентированы в одном направлении и прочно сцеплены с матрицей, так что при деформировании между ними отсутствует проскальзывание. Пусть к образцу из такого композиционного материала приложена осевая нагрузка Р, которая связана с напряжением соотношением

Существует интервал температур прессования, в котором понижение прочности борных волокон незначительно. Из сопоставления кривых на рис. 32следует,что понижение прочности композиций по мере повышения температуры прессования связано с разупрочнением волокон, которое обусловлено химическим взаимодействием. Особенно интенсивно это взаимодействие протекает при температурах выше 560° С. Пониженная прочность композиций, полученных при 480° С, обусловлена, по-видимому, недостаточно прочной связью между матрицей и волокном. Такая композиция работает как пучок параллельных волокон. Таким образом, для достижения максимальной прочности композиции в продольном направлении следует стремиться к созданию оптимальной связи: слишком прочная связь, обусловленная интенсивным химическим взаимодействием, нецелесообразна, так как при этом снижается прочность волокон; слабая механическая связь не обеспечивает надлежащей передачи касательных напряжений к волокнам. На поверхности вытравленных волокно бора обнаружен слой продуктов химического взаимодействия. На рис. 33 приведена серия микроструктур, полученных с помощью сканирующего микроскопа

часового отжига прочность композиций составляет 45% от исходной.

Вторая причина может быть связана с улучшением связи между волокном и матрицей вследствие дополнительного химического взаимодействия в процессе термической обработки. Например, прорастание иглообразных кристаллов А1В2 в матрицу безусловно способствует улучшению связи между компонентами. Ситуация подобна той, которая возникает в полимерных композициях, армированных «вискеризованными» углеродными волокнами. Естественно, что степень химического взаимодействия не должна превышать некоторой «критической», после которой следует интенсивное разупрочнение борных волокон. Аналогичное изменение деформации до разрушения (прочности) композиций А1 — 45% В и А1 — 25% В и волокон, вытравленных из них после отжига при 500° С, было обнаружено Меткалфом и Клейном [50] (рис. 35). На первой стадии отжига (30 мин) деформация до разрушения волокон и композиции несколько повышается, затем следует стадия значительного разупрочнения, которое стабилизируется на уровне 50% от исходной прочности. Интересно отметить, что прочность

Режим термической обработки Прочность волокон, извлеченных из композиции Прочность композиций

Теперь рассмотрим вопрос о влиянии силы связи между компонентами на прочность композиций в поперечном направлении. Довольно часто при растяжении поперек укладки волокон разрушение происходит в результате расщепления последних, так как их прочность в поперечном направлении ав меньше прочности поверхности раздела 0П. р и матрицы ам. В общем случае характер разрушения при испытаниях в указанном направлении зависит от соотношения величин ст^, ап.р, ам. Если ам > а^ > а„. р, то наислабейшим звеном является поверхность раздела, и разрушение будет происходить в результате отслаивания волокон; при выполнении неравенства стм > о^ < стп. р прочность волокон а^~ лимитирует прочность всей композиции в поперечном направлении, и разрушение сопровождается расщеплением волокон. В случае °м < °в <°п. р прочность композиции в поперечном направлении определяется прочностью матрицы.

Механизм разрушения композиции А1—В при испытаниях в поперечном направлении изучен Прево и Крайдером в [194, 195]. По мнению авторов, на прочность композиций в поперечном направлении оказывают влияние тип волокон, прочность связи, условия прессования композиции, прочность матрицы, остаточные напряжения. Борные волокна диаметром 140 мкм и волокна карбида кремния имеют более высокую прочность в поперечном направлении по сравнению с борными волокнами диаметром 100 мкм. В связи с этим в композициях, армированных борными волокнами диаметром 140 мкм и волокнами карбида кремния, доля расщепленных волокон значительно меньше и прочность в поперечном направлении выше. Изотермические отжиги влияют на прочность в поперечном направлении в той мере, в какой они способствуют увеличению или уменьшению прочности связи на поверхности раздела.

ДЛИТЕЛЬНАЯ (100-часовая) ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИЙ НИМОКАСТ 258 — ВОЛЬФРАМОВАЯ ПРОВОЛОКА, кгс/мм3 [125]

ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ РАЗНЫХ РЕЖИМАХ,

Ё автоклаве низкого давления получали композиционный материал с применением слоев из сплава-припоя, имеющего более низкую температуру плавления по сравнению с основным материалом матрицы. Пакеты для диффузионной сварки в этом случае представляли собой предварительные заготовки из однонаправленного волокна борсик с напыленным на его поверхность сплавом 6061, между слоями которых были уложены слои из фольги сплава-припоя 713 толщиной 0,025 мм и фольги сплава 6061 той же толщины [114, 177]. Изготовление материала осуществлялось но следующему режиму: нагрев до температуры 500° С и выдержка при этой температуре под давлением 3,5—14 кгс/сма в течение 15 мин, затем повышение температуры до 575—607° С и выдержка при этой температуре и том же давлении в течение 15 мин. Прочность композиций, полученных в автоклавах высокого и низкого давлений, составила соответственно 120 и 90—ПО кгс/мм2.

Рассмотрим прочностные свойства материалов, полученные на базе сапфировых усов (табл. 25). Можно видеть, что прочность композиции ниобий — сапфировые усы в 4 раза выше прочности ниобия. В той же таблице приведены данные по прочности композиции медь — вольфрамовая проволока. И в данном случае прочность получаемого материала достаточно высока.

Осаждение покрытия происходит в том случае, если материал является катализатором для восстановительной реакции. Ввиду того, что углерод не является катализатором реакции восстановления ионов меди, никеля, поверхность углеродных волокон необходимо предварительно обработать, придав ей каталитические свойства. С этой целью углеродные волокна подвергают обработке в окислительной среде и проходят стадию сенсибилизации и активации прежде, чем покрываются из химического раствора металлом. Поверхностная обработка в окислительной среде положительно сказывается и на свойствах углеродного волокна при работе в композиционном материале: повышается сила сцепления с основой, увеличивается прочность композиции на сдвиг [5].

из рис. 3, возрастают с увеличением температуры нагрева. Толщина диффузионной зоны определяет размеры появляющихся уже при удлинении 3—5% микротрещин. Увеличение размера трещин заметно снижает свойства трехслойной композиции при высоких (1000—1100° С) температурах. При 800—900° С прочность композиции практически не отличается от прочности гомогенного сплава Х20Н78Т, несмотря на значительную долю малопрочной составляющей (ЗОХ2ГСНВМ).

Рассмотрим границы справедливости уравнения аддитивности относительно объемной доли 1/в. Верхняя граница определяется чисто технологическими условиями. Максимальная плотность упаковки цилиндрических волокон приблизительно составляет 90,6%, квадратных — 100%. Однако при больших объемных наполнениях хрупких волокон экспериментально наблюдается отклонение от правила смеси. Связано это с неравномерностью укладки волокон. В работе С. Т. Милейко показано, что неравномерность укладки (например, группа из нескольких соприкасающихся волокон) может сильно понизить прочность композиции так как зародившаяся в такой группе микротрещина (обрыв одного из волокон при напряжении, равном пределу прочности слабейшего волокна в группе) легко превращается в магистральную трещину. В связи с этим возникает вопрос об оптимальной объемной доле армирующих волокон [43].

Существует также и нижняя граница Vmln. При малой объемной доле в волокнах возникают высокие напряжения (они несут основную долю нагрузки), приводящие к их дроблению. Тогда, если деформационное упрочнение матрицы достаточно велико, чтобы восполнить потерю несущей способности разрушившихся волокон, то прочность композиции 0К будет определяться свойствами матрицы:

1) при небольших углах отклонения 0 разрушение происходит вследствие разрыва волокон, и прочность композиции рассчитывают по формуле

где о0 — прочность композиции при 0 = 0; 0 — угол между осью волокна и направлением приложения а;

2) при средних значениях 6 разрушение композиции происходит в результате сдвига матрицы по плоскости, параллельной волокнам либо по поверхности раздела; тогда прочность композиции

3) при больших углах отклонения композиция разрушается либо путем разрыва матрицы перпендикулярно поверхности волокна, либо по поверхности раздела; в этом случае прочность композиции рассчитывают по формуле

Особо необходимо остановиться на поперечной прочности композиции. Используя формулу (22) при 0 = 90°, получаем о^ = = OM- Однако вследствие того, что матрица в этом случае находится в стесненном состоянии, вводят поправочный коэффициент 1,15. Таким образом, в случае прочного сцепления волокон с матрицей поперечная прочность композиции 0к = 1,15(Тм.

В табл. 11 приведены результаты определения предела прочности при растяжении композиции Ti—25% борных волокон после изотермических отжигов при 870° С различной продолжительности. Для сравнительной оценки удобно пользоваться нормированной прочностью ог°/а2о, где о? — средняя прочность волокон (композиции) после отжига при температуре Т в течение времени т, а 020 — исходная средняя прочность при комнатной температуре. Уже после 30-минутного отжига нормированная прочность композиции составляет 65% ив дальнейшем мало изменяется, несмотря на увеличение толщины слоя диборида титана с 7000 и до 100 000 А. Деформация волокон после 30-минутного отжига составляет 0,27% и близка к деформации разрушения массивного TiB2.