Прочность оказывает

V, Прочность однонаправленных волокнистых композитов при

Рис. 38. Прочность однонаправленных композитов при одноосном нагру" жении.

V. Прочность однонаправленных волокнистых композитов при межслойном сдвиге и изгибе

Влияние влажности на прочность однонаправленных композитов было исследовано частично в целях их приложения к морским конструкциям. Фрид [26] отметил, что в испытаниях при комнатной температуре длительное воздействие воды не оказало заметного влияния на прочность стеклопластиков. У некоторых композитов отмечалось даже увеличение прочности.

Суммируя данные о влиянии скорости деформации на прочность однонаправленных волокнистых композитов, можно сказать, что, по-видимому, в интервале изменения скорости деформации, обычно используемом в стандартных испытательных машинах, изменения значений прочности не слишком велики. Эти изменения составляют 10 или 20% в зависимости от свойств составляющих и геометрии композита. При испытаниях с разными скоростями деформации наблюдались разные виды разрушения, однако в настоящее время не существует модели для предсказания прочностных свойств различных композитных систем при нагружении с переменными скоростями деформации.

До сих пор много внимания уделялось прочности однонаправленных композитов в направлении волокон, хотя она значительно выше прочности в поперечном направлении. Однако в качестве элементов конструкций композиты используются, как правило, в виде пакетов, состоящих из слоев различной ориентации. Таким образом, высокая прочность однонаправленных слоев в направлении волокон не может быть полностью использована из-за того, что низкая прочность в поперечном направлении и при сдвиге вызывает преждевременное разрушение материала. Следовательно, основные усилия необходимо направить на исследование докритических видов разрушения, особенно их влияния на поведение композита при усталостном нагружении !) и действии различных факторов внешней среды.

При / /кр , когда длина волокна становится равной /кр, максимальное напряжение в средней части волокна достигает значения, равного растягивающему напряжению свсо в бесконечно длинном во-

Металлокомпозиты с волокнистым упрочнителем, в отличие от армированных пластиков, имеют ряд особенностей: хорошую электро- и теплопроводность, влагостойкость, широкий диапазон рабочих температур, повышенную жесткость и прочность однонаправленных материалов в поперечном направлении и при сдвиге, своеобразие механизмов разрушения, а также особенности их деформирования при термомеханических воздействиях и др.

Прочность волокна зависит также от метода испытания отвер-жденных композитов. При сохранении волокон в выпрямленном состоянии и их равномерном нагружении прочность однонаправленных композитов не ниже или даже выше прочности нитей. При испытании волокон по методу «кольцо NOL» их прочность может достигать 2,76 ... 3,1 ГПа. С другой стороны, при более толстой намотке изделий большего размера максимальная прочность не превышает 2,07 ГПа. Значения прочности для таких конструкций ниже по ряду причин: повреждение волокон при намотке; нарушение центровки или плохая коллимация; неравно-202

для полиэфирных листовых пресс-композиций с хаотическим в плоскости распределением стеклянных волокон длиной около 50 мм (препрегов), формула (2.10) при т] = '/з дает удовлетворительное согласие с экспериментальными данными. Для композиций с хаотическим в плоскости распределением волокон с длиной менее /с можно ожидать очень слабый усиливающий эффект. Поэтому полиэфирные пресс-композиции, содержащие стеклянные волокна длиной около 6 мм (премиксы), обладают прочностью, незначительно превышающей прочность отвержденной полиэфирной смолы [58]. Более сложный способ расчета прочности композиций с хаотическим распределением волокон предложил Лис [59]. Он исходил из уравнений Стоуэлла и Лью [60], которые позволяют определять прочность однонаправленных волокнистых композиционных материалов в зависимости от направления ориентации с учетом разрушения по максимальным напряжениям. На рис. 2.39 показаны различные соотношения между направлением действующей силы и ориентацией волокон в композиционном материале, позволяющие наглядно представить особенности разрушения материала. Если действующее напряжение совпадает с ориентацией волокон или наблюдается малый угол Q между ними, то разрушение материала определяется растягивающими напряжениями в волокнах. При большем угле 9 резко увеличиваются сдвиговые напряжения в матрице и по границе раздела волокно —матрица, а растягивающие напряжения в волокнах снижаются, что приводит к изменению характера разрушения от разрыва волокон к разрушению при сдвиге по границе раздела фаз или по матрице. Если or е—разрушающее напряжение однонаправленного волокнистого композиционного материала под углом 0 к направлению ориентации волокон, ас и at — продольная и трансверсальная прочности

Таблица 8.1. Прочность однонаправленных волокнистых композиций

Технологические способы повышения циклической прочности. Металлургические факторы. Большое влияние на циклическую прочность оказывает технология выплавки стали. Спокойные стали (раскисленные алюминием) Имеют более высокие пределы выносливости, чем кипящие (раскисленные Мп и Si). Повышенной циклической прочностью обладают стали вакуумной плавки, а также полученные методами электроннолучевого и плазменного переплава или электродугового переплава под слоем синтетического шлака.

Теория наибольших нормальных напряжений (первая теория прочности). Согласно этой теории преимущественное влияние на прочность оказывает величина наибольшего нормального напряжения. Предполагается, что нарушение прочности в общем случае напряженного состояния наступит тогда, когда наибольшее по абсолютной величине нормальное напряжение достигнет значения, соответствующего предельному состоянию данного материала при простом растяжении или сжатии.

части образцов для испытания на усталость, но нет рекомендаций по выбору плеча при консольном изгибе. Между тем на усталостную прочность оказывает влияние сочетание нормальных и касательных напряжений, и потому в испытаниях на усталость должен учитываться размер плеча изгибающего мочента. Величина снижения предела выносливости при переходе от чистого изгиба к консольному зависит от ряда факторов и возрастает с увеличением поперечной силы и касательных напряжений, градиента изменения величины изгибающего момента по длине образца, степени концентрации напряжений и др.

Существует мнение, что на усталостную прочность оказывает влияние весь комплекс параметров качества поверхности и, в первую очередь, шероховатость, наклеп и остаточные напряжения, причем в зависимости от свойств материала и условий эксплуатации влияние каждого из них различно. При этом доминирующее значение может иметь какой-либо один из параметров качества поверхности. Поэтому для практики машиностроения важно знать закономерности комплексного и раздельного влияния параметров качества поверхностного слоя на характеристики усталости конструкционных материалов в эксплуатационных условиях циклического нагружения материала (изгиб, кручение, растяжение и сжатие, широкий интервал частот нагружения при комнатной и высокой температуре, в воздушной и коррозионной средах).

Значительное влияние на усталостную прочность оказывает направление микронеровностей на поверхности детали. Сопротивление усталости с поперечным направлением шероховатости поверхности после шлифования в 1,5 раза меньше, чем при продольном. Влияние на усталость различных направлений микронеровностей с улучшением чистоты поверхности уменьшается.

Технологические способы повышения циклической прочности. Металлургические факторы. Большое влияние на циклическую прочность оказывает технология выплавки стали. Спокойные стали (раскисленные алюминием) имеют более высокие пределы выносливости, чем кипящие (раскисленные Мп и Si). Повышенной циклической прочностью обладают стали вакуумной плавки, а также полученные методами электроннолучевого и плазменного переплава или электррдугового переплава под слоем синтетического шлака.

При высоких температурах рениевое покрытие, как показали испытания на длительную прочность, оказывает весьма благоприятное влияние на молибденовую основу. Перед испытанием образцы проходили отжиг 1600° С 5 ч. Таким образом, диффузия уже имела место до испытаний и продолжала происходить в процессе испытаний.

_Болыиое влияние на прочность оказывает, конечно, и разновидность стеклоткани, применяемой для изготовления обшивок (рис. II, 18).

При статическом нагружении дефекты увеличивают опасность хрупкого разрушения. Как и в других случаях, наиболее опасны острые трещиноподобные дефекты: трещины, непровары, подрезы. Опасность дефектов усиливается при пониженной температуре (особенно ниже -60 °С), при предварительном нагружении материала детали внешними или сварочными напряжениями, при повышенном содержании углерода и при увеличенном поглощении водорода. Когда материал соединения обладает большим запасом вязкости, основное влияние на прочность оказывает относительная величина дефекта. В ряде случаев (для сравнительно малонагруженных соединений из пластичных материалов) безопасное ослабление стыкового шва может достигать 30 %.

Преимущества композиционной пайкн показаны на примере пайки труб из стали 20. Предварительное заполнение зазора железным порошком ПХ2М2 (ГОСТ 9849—74), а затем жидким припоем Л63 повышает прочность паяного телескопического соединения [62]. При этом существенное влияние на прочность оказывает способ нагрева. Изделия, испытывающие вибрационные и ударные нагрузки, рекомендуют паять с индукционным нагревом, а изделия, испытывающие статические нагрузки,— с печным нагревом.

Кристаллы первого фронта кристаллизации (см. раздел 3.1) у сварных швов алюминия состоят обычно из дендритов, смыкающихся в пространстве. На металлографическом шлифе после травления обнаруживают границы зерен и границы ячеек. На границах зерен, разделяющих отдельные дендриты, резко меняется кристаллографическая ориентация. Поэтому здесь в основном и располагаются выделяющиеся фазы. Границы ячеек разделяют ветви тех дендритов, которые соприкасались в процессе роста. На них ориентация не меняется, однако тоже часто образуются выделения. На нормально протравленном шлифе обычно нельзя отличить границ зерен от границ ячеек. Основное влияние на прочность оказывает размер ячеек.