Прочность композитов

Прочность композита в направлении армирования Рь-Ю3,

Прочность композита в направлении поперек армирования

Прочность композита на сдвиг Рьт-Ю3, кгс/см2.......

Прочность композита 46, 149

щиной в реакционной зоне, меньше концентрации напряжений, обусловленной дефектами самого волокна. Вследствие этого прочность композита определяется дефектами волокна и не зависит от наличия трещин в реакционном слое. Типичная толщина реакционного слоя в этом случае не превышает 0,5 мкм.

До сих пор речь шла о требованиях, которым должна удовлетворять поверхность раздела для эффективной передачи нагрузки между матрицей и волокнами. Еще одно важное требование заключается в том, что появление поверхности раздела не должно уменьшать вклад волокон в общую прочность композита. Последнее требование, вообще говоря, предусматривает неизменность собственной прочности волокон при образовании композита, хотя и допускает изменение прочности извлеченных волокон. Это кажущееся противоречие может быть разрешено, если рассмотреть различие между поведением волокон и матрицы, взаимодействующих в композите, и их индивидуальным поведением. Например, титан и бор, как показано выше, образуют истинный композит, если реакция между ними не достигает критического уровня развития. Однако извлеченные волокна бора явно разупрочнены, так как берега трещин в образовавшемся при реакции покрытии из ди-борида титана больше не поддерживаются матрицей. В то же время собственная прочность сердцевины волокна, состоящей из бора, очевидно, не меняется. Хороший пример этого рассмотрен в гл. 4, где показано, что в полностью разупрочненных композитах алюминий — бор каждое волокно бора окружено толстым слоем диборида алюминия. Прочность извлеченных волокон меньше, чем в композите; однако после стравливания слоя диборида алюминия с извлеченных волокон бора их прочность примерно удваивается, практически достигая первоначального значения.

Механическая связь реализуется в отсутствие какого бы то ни было химического механизма — даже сил Ван-дер-Ваальса — и сводится к механическому сцеплению. Однако отсутствие химической связи существенно снижает прочность композита при поперечном нагружении; поэтому в технологии изготовления компози* тов механическую связь не считают полезной. Связь путем смачивания и растворения имеет место в композитах, где упрочнитель, не являющийся окислом, смачивается или растворяется матрицей, но не образует с ней соединений. Окисная связь может возникать при смачивании, а также при образовании промежуточных соединений на поверхности раздела. Как правило, металлы, окислы которых обладают малой свободной энергией образования, слабо связываются с окисью алюминия. Однако следы кислорода иль активных элементов усиливают эту связь путем образования промежуточных зон; в обоих случаях связь относится к окисному типу. Кроме того, согласно общей классификации, к окисному типу относится связь между окисными пленками матрицы и волокна.

Однако при продольном нагружении напряжения на поверхности раздела меньше, чем при поперечном нагружении (рассматриваемом в разд. II, Б). Значит, прочность композита при продольном нагружении должна быть относительно нечувствительна к прочности связи на поверхности раздела (если связь достаточно прочна, чтобы передавать нагрузку от матрицы к волокнам). Это, как правило, и наблюдается, если не вмешиваются другие факторы [53].

Решения были получены для двух основных типов расположения волокон — квадратного и гексагонального (рис. 3). Показано, что прочность композита (рис. 8) и напряжения на поверхности раздела (рис. 9) для этих типов расположения различаются слабо. Было исследовано и случайное расположение волокон [3, 52]; в этом случае свойства композита принимают значения, -промежуточные между значениями, отвечающими двум упомянутым выше типам регулярного расположения.

Случай отсутствия связи между волокнами и матрицей исследовали Чен и Лин [12]. Они показали, что с увеличением объемной доли волокон прочность композита при поперечном нагруже-нии быстро падает и что на большей части поверхности раздела матрица отрывается от волокна (рис. 11).. Аналогичные явления наблюдались в системе со слабой связью сапфир — никель [43], а также в системе нержавеющая сталь —алюминий [39]; они хорошо согласуются с расчетным значением степени разупрочнения. Возможно, что это согласие в известной мере случайно: в модели Чена и Лина не учитывалось влияние пластического те-

Тем не менее, исследования поперечного нагружения волокнистых композитов явно свидетельствуют о том, что в таких условиях прочность связи на поверхности раздела должна в большей степени определять прочность композита, чем в условиях осевого нагружения. То, что в некоторых композитах А1 — В и Ti — В слой интерметаллида на поверхности раздела ие влияет на прочность, возможно, объясняется разрушением композита вследствие расщепления волокон. Такое расщепление практически сводит на нет роль поверхности раздела при поперечном нагружении, так как волокна не могут нести поперечной нагрузки, даже если поверхность раздела и передает ее.

б) при постоянной длине прочность композитов увеличивается с увеличением числа параллельно работающих армирующих элементов при любых распределениях дефектов как для упругой, так и для пластической матриц;

справедлив. Данные, свидетельствующие о зарождении и росте магистральных (макроскопических) трещин, подобных трещинам в металлах, отсутствуют; из-за отсутствия таких трещин усталостная прочность композитов на базе 107 циклов очень высокая *. Это явление нетипично для металлов и большинства керамических материалов, описываемых обычно моделями хрупкого тела.

Прочность композитов, определяемая формой и размерами их поверхностей прочности, в общем случае зависит от напряженного состояния, времени (разрушение при ползучести), истории изменения напряжений (усталостное разрушение), условий эксплуатации, объемного содержания волокон, условий изготовления и многих других факторов. В настоящей работе основным фактором считается вид напряженного состояния.

Степанычев Е. И., Прочность композитов в связи с эффектом масштаба, сб. «Влияние конструкции пластмассовых изделий на их эксплуатационные свойства», М., 1974.

б) на поверхности раздела образуется новая фаза; в) матрица и проволока взаимно растворяются. Причиной рекристаллизации периферийной части является диффузия кобальта, алюминия или никеля из медного сплава в вольфрамовую проволоку. Рекристаллизация приводит к охрупчиванию проволоки при комнатной температуре и, как следствие, к потере композитом прочности и пластичности. К снижению прочности и пластичности композита приводит и образование соединений вольфрама с титаном или цирконием, содержащихся в медном сплаве матрицы в случае легирования. Если легирующий элемент медного сплава растворим в вольфраме (например, хром или ниобий), то по мере его перехода в вольфрам на поверхности раздела образуется твердый раствор. В этом случае потеря пластичности композита мала; достаточную пластичность сохраняют и извлеченные из композита волокна: относительное уменьшение площади волокон превышает 7%. Сохранение пластичности хорошо согласуется с данными о том, что прочность композитов с легированной медной матрицей близка к прочности бинарной композиции медь —• вольфрам. Синьорелли и др., анализируя эти результаты в обзорной статье [34], пришли к выводу, что изменение свойств композита при легировании матрицы, вероятно, обусловлено реакциями на поверхности раздела. В то время эта точка зрения была общепринятой. Однако постепенно стали накапливаться сведения о том, что теоретически возможные значения механических свойств могут быть достигнуты и при наличии реакции на поверхности раздела, если степень реакции контролируется и если реакция не приводит к повреждению или разупрочнению волокон.

Прочность композитов может быть улучшена также путем их поперечной прокатки; соответствующее увеличение прочности

Некоторые интересные особенности механической связи в системе латунь — вольфрам были отмечены Веннетом и др. [47]. Прочность композитов составляла около 95% от значения, рассчитанного по правилу смеси. Однако наблюдался неожиданный эффект — образование нескольких шеек на небольших расстояниях друг от друга по длине проволоки, в результате чего полное удлинение было больше, чем у проволоки, испытанной вне композита. Объяснить это явление стеснением проволоки матрицей нельзя, так как образование шеек должно было приводить в этом случае к отделению проволоки от матрицы и расслоению композита из-за слабой связи. Множественное образование шеек было объяснено местным наклепом матрицы вблизи шейки на вольфрамовой проволоке. Наклепанная матрица разгружает проволоку до тех пор, пока несущая способность композита в данном месте не превысит несущую способность любого другого участка композита. Тогда деформация в данном месте прекращается и смещается вдоль проволоки в другое место. В пользу этой интерпретации свидетельствует то, что удлинение композита, составляющее 5— 10% при содержании вольфрама менее 5 об.%, уменьшается с ростом содержания последнего и при 20 об.% вольфрама достигает значений, примерно равных удлинению проволоки вне композита. При более высоком объемном содержании вольфрама уменьшается количество матрицы, способной подвергаться упрочнению и разгружать проволоку. . ,- ..;.,.....,. ,:

С точки зрения представлений об окисной связи работа [45] достойна упоминания, так как в предложенной модели композита сапфир — никелевый сплав авторы обусловили химическим взаимодействием прочность связи. Они предположили, что прочность связи возрастает по мере увеличения степени взаимодействия. Однако эффективная сила связи может и уменьшаться, если избыточное взаимодействие ослабляет упрочнитель. Прочностные аспекты этой теории обсуждаются более подробно в гл. 4, посвященной влиянию поверхностей раздела на продольную прочность композитов. Там отмечается, что наблюдаемая прочность связи очень мало изменяется с ростом толщины зоны взаимодействия от 0,1 до 5 мкм. Этот результат может означать, что для образования весьма прочной связи достаточно совсем небольшого взаимодействия. Последнее объяснение лучше согласуется с тем влиянием реакции на (Прочность связи, которое наблюдается в системах других типов, например титан — бор.

A. Влияние реакции на прочность композитов титан—бор .... 155 Б. Влияние реакции между титаном и карбидом кремния на продольную прочность композитов........... 165

B. Влияние реакции на прочность композитов титан—окись алюминия 168 IV. Влияние поверхности раздела на прочность систем псевдопервого

Б. Влияние поверхности раздела на прочность композитов алюминий— бор................ 171