Прочности композиционного

половины прочности материала, причем даже незначительное содержание волокон в направлении нагружения приводит к линейной зависимости а (е). Наличие волокон с высокой жесткостью позволяет варьировать в самом широком диапазоне зависимость удельной прочности композиционных материалов от их удельной жесткости. Это обусловливает существенные преимущества композиционных материалов перед металлами, где удельная жесткость примерно постоянная при некотором изменении удельной прочности [15]. Управление удельной жесткостью И прочностью, а также другими физико-механическими характеристиками в плоскости армирования осуществляется изменением укладки волокон или одноосных тканей различного плетения как в плоскости, так и по толщине пластины или изделия [2, 14]. При этом характеристики композиционных материалов перпендикулярно плоскости армирования практически не изменяются [25]. Варьирование укладки волокон приводит не только к изменению степени анизотропии свойств, при незначительном изменении сопротивления межслойному сдвигу и поперечному отрыву [20, 69]. Наличие переменной укладки по толщине приводит к существенному увеличению неоднородности структуры композиционного материала, что необходимо учитывать при расчете конструкций из таких материалов [2, 104]. Выбор закона укладки в плоскости и по толщине пакета подчиняется назначению конструкции. Таким образом, использование высокомодульных волокон при традиционных схемах армирования, когда толщина изделия создается набором плоских армирующих элементов — препрегов или слоев ткани, не устраняет указанных выше отрицательных особенностей композиционных материалов.

В седьмом томе последовательно рассмотрены теория упругости анизотропного тепа, критерии прочности композиционных материалов, метод расчета стержней, пластин, оболочек, элементов конструкций и узлов их соединений, вопросы распространения волн в конструкциях из композиционных материалов. Приведен обширный экспериментальный материал.

При обсуждении критериев разрушения композиционных материалов необходимо иметь полное представление о природе рассматриваемых явлений и определить понятие «разрушение» в том смысле, в котором оно обычно используется при анализе этих материалов. Прочность слоистой структуры — это ее способность выдерживать заданный уровень термомеханического нагружения без разрушения. Поэтому разрушение будем рассматривать как предел несущей способности материала при всех возможных напряженных состояниях. 'Предельные состояния могут быть представлены аналитически для данного материала поверхностью разрушения. Как и для металлов, под пределом текучести слоистой структуры будем понимать уровень напряжений, соответствующий началу неупругого деформирования, микроструктурный механизм которого для металлов и композиционных материалов существенно различен. Растрескивание — это мгновенное образование свободных поверхностей в материале, которое может ускорить его разрушение. Различать эти понятия необходимо для понимания построения и последующего применения критериев прочности композиционных материалов.

В связи с тем, что характер напряженного состояния, реализующегося в элементах конструкций, всегда в значительной степени определяет выбор метода расчета и критерия прочности (в особенности применительно к композиционным материалам), целесообразно привести перечень основных типов напряженного состояния (табл. 2). Наибольшее распространение и развитие в инженерных приложениях получили плоские задачи. Это относится также к анализу разрушения и к формулировке критериев прочности композиционных материалов.

Результаты исследования механизмов разрушения и критериев прочности однонаправленных композиционных материалов описаны в других томах. Так как однонаправленный слой является основным элементом и на результатах его исследования построен анализ прочности слоистых композиционных материалов, ниже приведены основные результаты, необходимые для дальнейшего изложения материала. Основные этапы: исторического развития наиболее распространенных критериев прочности композиционных материалов описаны в разделе I, где основное внимание уделено исходным предпосылкам построения некоторых классических критериев пластичности и прочности.

Распространенный подход к предсказанию прочности композиционных материалов, основан, как отмечено в разделе I, на модификации критерия Мизеса, предложенного для изотропных, однородных, пластичных материалов. К композиционным материалам его впервые применил Норрис [9]. В литературе описано множество вариантов этого критерия, ниже рассмотрены три частные формы, предложенные Аззи и Цаем [3], Хоффманом [7] и Ча-мисом [4]. В настоящем разделе, посвященном прочности слоистых материалов, все эти критерии используются в основном одинаково, однако каждый из них в свое время имел особенности.

Несмотря на то, что в настоящее время не существует универсального критерия прочности для композиционных материалов, состояние этой проблемы таково, что конструктор имеет возможность с достаточной стрпенью точности предсказывать начало разрушения, а в некоторых случаях и предельную нагрузку рассматриваемых элементов конструкций. В этой главе были изложены апробированные аналитические методы определения напряженного состояния и прочности композиционных материалов, основанные на теории слоистых сред и классических критериях разрушения. Достоверность этих методов подтверждается практикой их использования при расчете авиационных и космических конструкций, и поэтому они рекомендуются расчетчикам и проектировщикам. Однако ограничения и допущения, принятые при построении методов расчета и формулировке критериев разрушения, всегда следует иметь в виду и применять те расчетные критерии, при которых эти ограничения не оказывают существенного влияния на результаты окончательного расчета.

При исследовании прочности композиционных материалов обычно используют два основных типа распределения *: нормальное и Вейбулла; логарифмически нормальное распределение часто используют при описании разброса данных усталостных испытаний (этот вопрос будет рассмотрен ниже). Основные различия между двумя распределениями и зависимости между основными параметрами каждого из них приведены в табл. 2.

Многотомное издание «Композиционные материалы» представляет собой обзор достижений в исследовании композитов по состоянию на 1973 г. Настоящий том вместе с томами 5, 7 и 8 посвящен теоретическим аспектам данного исследования. В этом томе, как следует из его названия, изучаются вопросы деформирования и прочности композиционных материалов. Согласно первоначальному замыслу, он должен был содержать тринадцать глав, однако из соображений объема пришлось перенести три главы в другие тома издания.

Для исследования характеристик кратковременной и длительной прочности композиционных и тугоплавких материалов методами растяжения — сжатия, микротвердости и тепловой микроскопии в широком интервале температур в Институте проблем прочности АН УССР создана установка «Микрат-4». Схема установки представлена на рис. 1. Она состоит из камеры 1, прибора 2 для исследования микротвердости материалов и устройства 3 нагружения образца растяжением — сжатием. Откачка воздуха и газов из камеры обеспечивается механическим насосом 4 и высоковакуумным насосом 5 с ловушкой 6. Давление измеряется манометрическими преобразователями в комплекте с вакуумметром 7. Имеется возможность заполнять испытательную камеру защитной газовой средой, а также проводить испытания на воздухе. Нагревательное устройство установки подключено к стабилизатору 8 через регулятор напряжений 9, трансформатор 10 и выпрямитель 11.

Установка предназначена для определения характеристик кратковременной и длительной прочности композиционных и тугоплавких материалов при нагреве до 3000° С и деформировании растяжением или сжатием методами тепловой микроскопии и измерения микротвердости.

ствует дальнейшему разложению -:арбида вольфрама, накоплению продуктов разложения в кобальте ни» связке (двойных карбидов W2C, выделений углерода в виде графита), снижению при этом его содержания. Деструктивные изменения в структуре твердого сплавэ в рассматриваемом диапазоне режимов облучения связаны с обеднением поверхностных слоев кобальтом и потерей вследствие этого пластичности материала. Вместе с тем установлено [101], что в определенном диапазоне плотностей энергии, не превышающем 0.8 Дж/мм', происходят дополнительное растворение вольфрам;» и углерода в области межфазной границы, распад твердого раствора вольфрама и углерода, а также насыщение кобальтовой связки вольфрамом. Эти процессы способствуют повышению межфачной прочности композиционного M,I териала, не снижая в целом его пластичности.

Волокна бора и карбида кремния применяют в качестве армирующих компонентов композиционных материалов с алюминиевой, магниевой и титановой матрицами. В случае нагрева выше 500° С волокон бора с алюминиевой матрицей (при изготовлении композиции) имеет место химическое взаимодействие с образованием фазы А1В2. Активное взаимодействие приводит к снижению свойств волокна и к падению прочности композиционного материала в целом. Это вызывает необходимость нанесения на борные волокна тонкого слоя покрытия (3—5 мкм). Такими покрытиями, защищающими волокна от взаимодействия с матрицей, являются карбиды кремния и бора, нитриды титана, бора и кремния и др.

Начальная стадия процесса взаимодействия борных волокон с алюминиевой матрицей исследована в работе [68]. Установлено, что этот процесс протекает в две стадии. Вначале происходят разрушение и коагуляция пленки окиси алюминия, связанная, по-видимому, с диффузией кислорода; в дальнейшем наблюдается химическое взаимодействие с образованием включений диборида алюминия, приводящее к резкому снижению как прочности композиционного материала, так и прочности связи волокон с матрицей. 82

В табл. 17 приведены значения предела прочности композиционного материала алюминий — борное волокно, полученного при различных технологических параметрах методами заливки и пропитки в вакууме. Очевидно, что пропитка жидким алюминием борного волокна без защитного покрытия приводит к его резкому разупрочнению даже при очень незначительном времени контакта волокна с расплавленным металлом. Об этом свидетельствуют низкие значения прочности композиционного материала.

Алюминий — стальная проволока. Технология изготовления композиционного материала алюминий — стальная проволока описана в работе [179]. Материал получали прессованием пакета, состоящего из чередующихся слоев фольги алюминиевого сплава 2024 и проволоки диаметром 0,2 мм из коррозионно-стойкой стали 355 по следующему режиму: температура 480—495° С, давление 1000 кгс/сма и выдержка- в этих условиях 20 мин. Таким образом изготовляли листы шириной 0,3 м, длиной до 2,4 м и толщиной от 1 до 35 мм. При прочности проволоки 337— 365 кгс/мм2 предел прочности композиционного материала после дополнительной прокатки с небольшой степенью обжатия составлял 121—124 кгс/мм2.

Композицию на основе меди, армированной волокнами вольфрама, получали методом намотки вольфрамовой проволоки на цилиндрическую оправку, последующего осаждения на поверхность волокна электролитической меди и диффузионной сварки под давлением пакета, набранного из нескольких слоев волокна с медным покрытием. Диффузионная сварка осуществлялась в вакууме при температуре 700° С, давлении 800 кгс/см2 и времени выдержки 60 мин [146, 172]. Получений таким образом материал, содержащий 37 об.% вольфрамового волокна с диаметром 20 мкм, имел прочность 120 кгс/мм2. При этом же содержании волокна, но диаметром 40 мкм, предел прочности композиционного материала был равен 135 кгс/мм2.

Методом прессования изготовляли композиционный материал на основе алюминия, упрочненного нитевидными кристаллами карбида кремния [2021. В качестве матрицы применяли алюминиевый сплав AlMgSil (0,6—1,4% Mg; 0,6-4,6% Si; 0—1,0% Mn; 0—0,3% Cr; до 0,1% Си; до 0,5% Fe; до 0,2% Ti; до 0,2% Zn) и нитевидные кристаллы р — SiC. Заготовки под прессование получали методом пропитки. Количество нитевидных кристаллов в заготовках с хаотически расположенными кристаллами составляло 15—20 об. %, а в заготовках с ориентированными кристаллами достигало 25 об.%. Прессование осуществлялось на лабораторном прессе с обогреваемыми стальными матрицами. Температура матриц при прессовании изменялась от 450 до 630° С. Наиболее высокие свойства композиционного материала были получены при прессовании заготовок с предварительно ориентированными нитевидными кристаллами. После прессования такие заготовки, содержащие 23 об.% нитевидных кристаллов карбида кремния, имели предел прочности 38—44 кгс/мм2. Последующая термическая обработка повышала их прочность до 53—61 кгс/мм2. Анализируя результаты исследования механических свойств композиционного материала алюминиевый сплав AlMgSil —нитевидные кристаллы карбида кремния, полученного методом пропитки под давлением и прессованием, следует сделать вывод о том, что даже при прессовании заготовки с предварительно ориентированными нитевидными кристаллами определенная часть нитевидных кристаллов разрушается. Об этом свидетельствует значительно более высокий уровень прочности композиционного материала, полученного методом пропитки достигающий после термической обработки 80 кгс/мм2.

Средняя прочность сварной точки при сварке одноосноармиро-ванных боралюминиевых пластин толщиной 0,5 мм между собой составила 90% от прочности боралюминия эквивалентного сечения. Прочность соединения боралюминия с перекрестным армированием выше по сравнению с одноосноармированным. Прочность многоточечного соединения составляет 70% прочности композиционного материала.

Рис. 80. Предел прочности композиционного материала А1—50 об. % В в зависимости от направления приложения нагрузки при различных схемах укладки волокон:

Большое внимание в настоящее время уделяется исследованию композиционных материалов алюминий — углеродное волокно, обладающих высокой прочностью и малой плотностью. Свойства этих материалов зависят от свойств упрочняющих волокон, а также в значительной степени от метода изготовления и технологических параметров. Так, например, композиционный материал, содержащий 30—40 об. % волокон, при плотности ~2 г/см3 в зависимости от вида упрочнителя и технологии может иметь предел прочности от 50 до 120 кгс/мм2 [156, 170, 178]. Модуль упругости материала зависит только от величины модуля упругости применяемого волокна и может изменяться в пределах от 9000 до 20000 кгс/мм2 [170]. На рис. 83 показано изменение предела прочности композиционного материала на основе алюминиевого сплава А-13 (алюминий + 13% кремния), упрочненного ~30 об. % углеродного волокна. Видно, что вплоть до температуры плавления матрицы прочность заметно не меняется. Длительная (100-часовая) прочность подобного материала при 400° С составляет 15—20 кгс/мм2 [1]. Характеристики усталости материала алюминий — 33—38 об. % углеродного волокна приведены в табл. 47. В табл. 50 даны механические свойства композиций с углеродным волокном на основе различных алюминиевых сплавов и технически чистого алюминия. Обращает на себя внимание боль-

более полно реализовать высокие прочностные характеристики борных волокон. Отсутствие взаимодействия, снижающего прочность волокон, с расплавленной магниевой матрицей позволяет получать композиционные материалы магний—борное волокно методом пропитки расплавом и доводить содержание волокна в матрице до 75 об. %. Некоторые механические свойства композиций на основе магния с различным содержанием борных волокон приведены в табл. 57. Видно, что уже при 25 об. % борных волокон композиция имеет в 3 раза более высокую прочность и Б 4 раза более высокий модуль упругости по сравнению с аналогичными свойствами обычных магниевых сплавов. Сравнительно высокий предел прочности композиционного материала магний—борное волокно (25 об. %) сохраняется при температурах вплоть до 500° С.

Рекомендуем ознакомиться:

Применением специальной

Применением вычислительной

Применение численных

Применение электродов

Применение агрегатных

Применение армированных

Применение биметаллов

Меню:

Главная страница Термины