Прочность снижается

Принципиальную основу критериев прочности при расчете по максимальным нагрузкам, таких как В-критерии, изложенные в руководстве [1], составляет условие недопустимости повреждения или нарушения сплошности материала при расчетных напряжениях. Выбор соотношения между максимально допустимыми и предельными напряжениями для однонаправленных материалов определяется рядом факторов, обусловленных практикой расчета и проектирования. Прочность слоистого материала оценивается в результате применения критерия прочности последовательно ко всем слоям материала.

Предыдущие разделы посвящены изложению методов расчета, которые на основании анализа напряженного состояния позволяют оценить прочность слоистого композиционного материала при сложном нагружении и установить его способность воспринимать действующие нагрузки без разрушения. На рис. 17 приведены основные этапы анализа напряженного состояния и прочности конструкции при расчете и проектировании. Ниже рассмотрены три примера.

Рис. 12. Прочность слоистого эпоксидного боропластика в осях, не совпадающих с главными осями симметрии материала (диаметр волокон 0,1 мм, объемное содержание волокон >=«0,60) [58]

Обычно необходимо присутствие небольшого количества воды :на поверхности раздела, для того чтобы аппрет выполнял свою роль в композитах, упрочненных стекловолокном. Поэтому стеклоткань вначале выдерживали в среде с различной относительной влажностью при 22 °С не менее 75 суток, а затем обрабатывали •аппретом NOL-24 в органических растворителях ['13]. При изменении относительной влажности воздуха от 50 до 88% прочность слоистого материала изменялась незначительно. Оптимальные результаты были получены после выдержки стеклянных волокон в среде с относительной влажностью более 70%. Следовательно, •относительная влажность воздуха менее 50% может оказаться •слишком низкой, чтобы существовала достаточно прочная связь аппрета со стеклом.

В 1962—1963 гг. специальное .проектное бюро фирмы О. А. Smith (POLARIS) проводило изучение влияния химии поверхности стекла на смачивание, прочность и временную устойчивость связи с эпоксидной смолой. Исследовалось влияние этих факторов на прочность слоистого пластика. Полученные результаты расширили представления о химии поверхности раздела в композитах.

Е. Прочность при растяжении слоистого композита..... 195

Ж. Влияние изменчивости характеристик элементов на прочность слоистого композита.............. 196

Рассмотрим теперь слоистый композит ширины w, составленный из N чередующихся параллельных листов армирующих элементов толщины tr и из (TV — 1) слоев растяжимой матрицы толщины tm. Следуя Скопу и Аргону [32], мы идеализируем слоистый композит в виде композита, состоящего просто из N параллельных армирующих элементов без матрицы между ними, но при этом, конечно, нужно помнить об осуществляемой матрицей межслоевой передаче усилий между армирующими элементами. В этой модели вычисленная любым методом прочность слоистого композита на 100% определяется армированием, и действительная прочность композита может быть найдена умножением на объемную долю армирующей фазы.

Прочность слоистого композита, состоящего из N параллельных армирующих слоев постоянной ширины w, которые связаны друг с другом межслоевыми усилиями, зависящими от характеристик матрицы, определяемая по формуле (30), будет в общем случае зависеть от числа параллельных армирующих элементов. Заметим, что, как уже обсуждалось выше, при такой идеализации матричная фаза не несет нагрузки, но межслоевые взаимодействия сохраняются. Следовательно, в данном выше утверждении никак не затрагивается объемная доля упрочняющей фазы, но отмечается, что прочность слоистого композита зависит от числа отрезков, по которым проходит каскад разрушения, и от числа мест, из которых начинается разрушение.

Покажем, что, когда число элементов очень велико, прочность слоистого композита уменьшается монотонно с увеличением N. Продифференцировав обе части уравнения (31), получим

Теперь мы покажем, что прочность слоистого композита имеет максимум при определенном N и поэтому для малых N она увеличивается с увеличением N. Максимум прочности находим из уравнения (32) при условии dsldN = 0. Отсюда следует простое выражение для максимальной прочности

При обычной термической обработке (закалка + отпуск) прочность определяется содержанием углерода и температурой отпуска. Прочность снижается по мере повышения температуры отпуска (рис. 299). Из рис. 299 видно, что при отпуске 200°С* получаем прочность порядка 180 кгс/мм2, т. е. обычные среднеуглеродистые (0,3—0,4%С) стали, обработанные путем закалки и низкого отпуска, имеют прочность в пределах 170— 200 кгс/мм2 (см. рис. 299). Однако упрочнение за счет повышения содержания углерода имеет свой предел (0,4%), при более высоком содержании углерода прочность не возрастает, значение ав становится нестабильным (рис. 301). Это объясняется тем, что простое увеличение углерода приводит к повышению порога хладноломкости и при ав>200 разрушение становится почти полностью хрупким.

робнее см. ниже). Из приведенного графика следует, что прочность снижается с повышением температуры отпуска, а пластичность и вязкость возрастают; повышение температуры испытания влияет в том же направлении.

Высококремнистые сплавы, содержащие 14,5—18% Si, относятся к группе кислотостойких сплавов. Структура чугунов с содержанием до 14,5% Si представляет в основном твердый раствор кремния в а-железе. Содержание 14,3% масс. Si в твердом растворе железокремнистого сплава соответствует 25% ат. Si, т. е. согласно правилу п/8, коррозионная стойкость железокрем-нистых сплавов достигается при втором пороге устойчивости. При содержании кремния менее 14,5% коррозионная стойкость сплава недостаточна. При содержании кремния выше 18% коррозионная стойкость не улучшается, а механическая прочность снижается,— хрупкость сплава возрастает настолько, что он становится практически непригодным. Объясняется это тем, что при более высоком содержании кремния в железокремнистых сплавах появляется вторая фаза (Fe2Sia и FeSi). Кроме того, присутствующий в сплаве углерод вследствие весьма малой растворимости в железе образует частично третью фазу — графит.

Твердость и износостойкость титановольфрамовых сплавов, так же как и вольфрамовых сплавов, с измельчением зерен карбидных фаз возрастают, а прочность снижается.

Циклическая прочность снижается в п р е с с о в ы х, кону сГЬ ы х и клеммных соединениях с высокими напряжениями смятия на. посадочных поверхностях. Особенно резко падает циклическая прочность в интервале напряжений смятия до 3—4 кгс/мм2 (рис. 185); при дальнейшем повышении давления падение прочности замедляется. . -

Прочность сварных соединений при действии переменных нагрузок сильно зависит от качества швов. Например, при наличии в стыковых швах даже незначительного непровара прочность снижается на 50 %. Такое же снижение получается от сварки электродами с тонкими покрытиями.

В начальный момент при сварке трением коэффициент трения максимален. Соответственно затраты мощности и тепловыделение в месте трущегося контакта возрастают. В первый период движения коэффициент трения падает и выделение теплоты уменьшается, затем при нагреве до 700...800 К испаряются и выгорают жировые пленки и коэффициент трения растет. Одновременно начинает проявляться местное схватывание соединяемых поверхностей, что вызывает интенсивное тепловыделение. С повышением температуры число участков схватывания растет, а их прочность снижается. Снижается также и тепловыделение из-за уменьшения коэффициента трения вследствие появления на трущихся поверхностях жидкого металла, играющего роль смазки. В этот период устанавливается квазиравновесное состояние, затем следуют резкое торможение и осадка.

влиянием концентратора уменьшается. У металлов номинальная прочность снижается в меньшей степени, численно это снижение определяется эффективным коэффициентом концентрации /Ст, который представляет собой отношение номинальной прочности гладких образцов к номинальной прочности образцов с концентратором напряжений. Чем ниже Кг, тем менее чувствителен металл или сплав к концентрации напряжений, чем ближе Кг приближается к ат, тем более он чувствителен к концентраторам напряжений.

Очень часто конечной операцией изготовления полуфабрикатов или деталей из титановых сплавов является химическое травление (листы, ленты, трубы, проволока, штамповка и пр.) с целью удаления газонасыщенного слоя. Оно в значительной степени определяет уровень усталостной прочности. Наиболее часто применяемая операция обработки большинства листов, труб и других профилей — кислотное травление. В результате такой обработки циклическая прочность снижается на 20—40 % [ 173], Наибольшее влияние травления на усталость наблюдается у высокопрочных сплавов, наименьшее —у технически чистого титана. Заметное снижение усталостной прочности титана происходит при других видах химической обработки, например после электрохимической обработки (ЭХО). В настоящее время находит все более широкое применение ряд новых видов электрохимической и электрогидравлической обработки поверхности металлов. Влияние этих видов "обработки (как финишной) на усталостную прочность титановых сплавов мало изучено. Как правило, после таких видов обработки на поверхности металла образуются тонкие наводороженные слои, что для титановых сплавов нежелательно. Электрогидравлическая обработка поверхности (электроразрядная, электроимпульсная, электроискровая) —один из новых технологических видов очистки отливок, штамповок и других "черных" поверхностей заготовок. Эта поверхностная обработка сопровождается комплексом физико-химических и механических воздействий на металл [174]. Для титановых сплавов она благоприятна, по-видимому, вследствие сильного поверхностно/о наклепа и образования сжимающих напряжений у поверхности.

Кляйн и Меткалф [19] изучали разрушение поверхности раздела в композитах А16061 — В при температурах выше 644 К. При четырех температурах исследован материал с двумя вариантами объемного содержания волокна и двумя режимами термообработки. Во всех случаях основные результаты были одинаковы. После этого были проведены испытания на растяжение (подробное описание их дано в гл. 4). Для сравнения результатов использовано время, по истечении которого прочность снижается на 50%. Эти результаты, приведенные на рис. 9, подчиняются уравнению Аррениуса. Здесь же показаны результаты Штурке, однако данные, относящиеся к кривой при температуре 644 К (рис. 8), не вполне определенны, так как эта кривая экстраполирована до 50%-ного снижения прочности. Сюда включены также данные Видоса и др. [48] о времени разупрочнения борных волокон в расплаве алюминия при 971 К. Хотя использованные в работе [48] волокна имели низкую прочность (168 кГ/мм2), тем не менее и в этом случае подтверждается быстрое уменьшение прочности композита. Вопросы взаимосвязи между прочностью композита и характеристиками поверхности раздела более подробно будут обсуждаться в гл. 4 и 5.

Зависимость прочности при растяжении от угла нагружения для композита Ti75A — 25% В приведена на рис. 19. Прочность композита при растяжении снижается от 100 кГ/мм2 (продольное нагружение) до примерно 42 кГ/мм2 (поперечное нагруже-ние). С увеличением угла нагружения прочность снижается очень плавно, таи как матрица довольно прочна (70 кГ/мм2).