Разрушения структуры

Естественно попытаться выяснить, есть ли другие механизмы влияния волокна на вязкость разрушения композита. Вязкость разрушения стеклопластиков много выше, чем следовало бы ожидать, исходя из суммы поверхностных энергий компонентов и энергии вытягивания. В этих материалах происходит заметное отслаивание (отрыв) волокна от матрицы, но и с учетом энергетических затрат на образование новых поверхностей при отслаивании ожидаемая энергия разрушения много меньше значений, полученных экспериментально. Аутвотер и Мэрфи [34] предположили, что в случае, когда основную роль играет отслаивание волокон, значительная часть энергии деформации может накапливаться в не связанных с матрицей частях волокон, находящихся, по существу, в таких же условиях, как и миниатюрные образцы при растяжении. Поведение таких композитов иллюстрирует рис. 12. Энергия деформации при растяжении образца длиной / составляет Vz <твев/, и, значит, (Gc)f = l/2 (ffBeB0 VB. Это соотношение было экспериментально подтверждено многими авторами [25, 31, 32, 34]. Те же соображения применимы и тогда, когда упругая деформация волокон не подчиняется линейному закону [31]. И в этом случае вязкость разрушения пропорциональна энергии, необходимой для разрушения волокон, отслоившихся от матрицы. Это было экспериментально проверено Олстером и Джонсом [31] на алюминиевых композитах, армированных вольфрамовой проволокой; разрушению проволоки предшествовало образование заметной шейки. Как показано на рис. 13, вязкость разрушения быстро возрастает

Различия в деформационных свойствах и теплостойкости связующих отражаются и на характере разрушения стеклопластиков АГ-4С и ЭФ-С при нагреве. Особенности процесса разрушения указанных материалов в зависи-

Несмотря на малую толщину, пленка оказывает сильное влияние на процесс разрушения, в частности сцепление частиц поверхностного слоя предотвращает их эрозионное выдувание потоком. Кроме того, пленка снижает интенсивность окисления химически активных компонент материала набегающим потоком газа. Для создания теоретической модели разрушения стеклопластиков необходимы соотношения, определяющие интенсивность уноса вещества в расплавленном виде (скорость сноса пленки).

В качестве примера рассмотрим первый режим разрушения стеклопластиков на фенолформальдегидной смоле, исследованный в предыдущем параграфе. Там было показано, что состав газов у поверхности можно ограничить компонентами: SiO2, SiO, Н2<Э, COj. 265

Это и есть искомое выражение для суммарного теплового эффекта поверхностных процессов (аналогичные формулы для двух других режимов разрушения стеклопластиков приведены в работе [Л. 9-12]).

Итак, добавление связующего в стеклообразный материал, с одной стороны, увеличивает вязкость расплава, а с другой — снижает эффективный коэффициент теплопроводности. Оба этих фактора при прочих равных условиях должны приводить к увеличению доли газифицировавшего вещества в общем уносе массы или к уменьшению роли расплавленной пленки (см. гл. 8). На рис. 9-16 приведены результаты сравнения характеристик разрушения стеклопластиков на фенолформальде-гидном связующем и однородного кварцевого стекла при следующих параметрах набегающего потока: температуре торможения 4000 К, давлении 105 Па, тепловом потоке с/о—4550 кВт/м2. Видно, что важнейшими характеристиками стеклопластика являются содержание смолы фсм и ее коксовое число. При их увеличении возрастает не только эффективная вязкость расплава, но и количество тепла, поглощенного фильтрующими газообразными продуктами разложения смолы. Температура на поверхности стеклопластика оказывается выше, чем у стекла, из-за увеличения вязкости расплава (в данном случае тепловой эффект поверхностного горения углерода не учитывался, а доля испарения в уносе массы не превышала 0,1).

Результаты расчетов для модели поверхностного взаимодействия углерода с SiC>2 и набегающим воздухом приведены на рис. 9-22—9-25. Как и у однородных теплозащитных материалов, эффективная энтальпия разрушения композиционных стеклопластиков /эфф увеличивается с ростом энтальпии торможения 1е. В противоположность кварцу эффективность разрушения стеклопластиков возрастает при увеличении давления ре и даже относительно сближается при этом с эффективной эн-

эффективности разрушения стеклопластиков на органических связующих с большим коксовым числом.

энергию разрушения, которая в зависимости от объемной доли и поверхностной обработки волокон колеблется от 50 до 100 кДж/м2. Стеклянные волокна обладают прочностью, аналогичной прочности углеродных и борных волокон, при более низком модуле упругости. Поэтому более высокая запасаемая энергия деформирования при разрушении стеклянных волокон обусловливает более высокую энергию разрушения стеклопластиков — около 100— 250 кДж/м2. Новые полиамидные волокна типа Кевлар обладают достаточно высокой прочностью и более высокой жесткостью, чем стеклянные, и разрушаются нехрупко, что дает значительный вклад в энергию разрушения материалов на их основе. Поэтому композиционные материалы на основе высококачественных волокон типа Кевлар обладают ударной вязкостью по Шарли, близкой к ударной вязкости стеклопластиков. В работе [132] измеряли ударную вязкость по Шарпи большого числа высокопрочных композиционных материалов и пришли к выводу, что характер диаграммы напряжение — деформация растяжения волокон в решающей степени определяет уровень энергии разрушения материала. Авторы этой работы одними из первых указали на перспективность использования разных волокон в одном материале, и в настоящее время гибридным материалом такого типа уделяется большое внимание. Цель комбинирования различных волокон— возможность реализации преимуществ отдельных типов волокон в гибридном материале и попытка снижения их недостатков, проявляющихся при использовании каждого волокна в отдельности. Например, можно снизить стоимость материалов на основе углеродных волокон без резкой потери их жесткости введением в них стеклянных волокон. Так как стеклопластики обладают более высокой деформацией при разрушении по сравнению с материалами на основе углеродных _ волокон, то комбинация стеклянных и углеродных материалов уменьшает вероятность катастрофического разрушения элементов конструкций по сравнению с материалами на основе только углеродных волокон. Кроме того, стеклянные волокна, обладающие более высокой деформацией при разрушении, могут эффективно останавливать рост трещины в гибридных материалах [134]. Высказывались предположения, что можно добиться эффекта синергизма в

Последние работы по оценке вязкости разрушения стеклопластиков проведены Оуэном с сотрудниками. Оуэн и Роуз [128] определили вязкость разрушения полиэфирных слоистых стеклопластиков и влияние на нее введения в связующие пластификаторов. При оценке Кс они учитывали развитие зоны локальных повреждений (псевдопластической зоны) перед вершиной трещины и делали поправку на нее для найденных экспериментальных значений Кс- Они получили значение Кс, равное примерно 10 МН/м3/2 для материалов на основе стекломата из рубленных жгутов и около 15 МН/м3^ — для стеклотекстолитов и установили, что введение в связующее до 50% пластификаторов практически не влияет на величину Кс. Бимон и Филлипс [72] показали, что развитие зоны локальных повреждений перед вершиной трещины обусловлено отслаиванием волокон от матрицы. Оуэн и Бишоп [138] установили, что с точки зрения механики разрушения эту зону следует учитывать аналогично локальной зоне пластических деформаций в металлах. Они использовали измеренные значения размера этой зоны для уточнения значений Кс различных типов

В общем процессе работы материала под нагрузкой в случае доведения его до разрушения, как правило, имеют место все три этапа: упругая деформация, пластическая деформация и разрушение. Однако относительный удельный вес отдельных этапов в разных случаях может быть различным. Иногда пластической деформации предшествуют очень небольшая, труднообнаруживаемая упругая деформация; в ряде случаев разрушение наступает после еле заметной пластической деформации. Сам процесс разрушения в одних случаях носит почти внезапный характер, в других — еще в области остаточных деформаций зарождается разрушение. До зарождения последнего остаточные деформации являются чисто пластическими; после возникновения первых зародышей разрушения в виде микротрещин остаточная деформация складывается из пластической и из элементов разрушения структуры.

4. Определение стойкости ткани на истирание производится на приборе Шоппера. В прибор заправляют образе» размером 16X16 см при нагрузке 1 кг. Моментом окончания испытания считают начало разрушения структуры ткан» «продырявливание). Осмотр испытуемого образца производят через каждые 100 оборотов прибора. Показателе» стойкости на истирание считают среднее арифметическое из результатов трёх испытаний

Гидразинная очистка поверхностей нагрева применима преимущественно для удаления железоокисных отложений. Другие компоненты удаляются с поверхности металла лишь вследствие разрушения структуры отложений и восстановления гидразином продуктов коррозии, непосредственно прилегающих к металлу и являющихся связующим звеном между металлом и отложениями (накипью). Плотные, прочно связанные с металлом накипи (толщиной не менее 1 мм), а также толстые отложения (не менее 400 г/м2) разрушаются гидразином чрезвычайно медленно, и применение его в таких случаях нецелесообразно.

В каждой движущейся области разрушения структуры энергия передается от основного (прямолинейного) движения к вращательному, и каждая область разрушения может рассматриваться просто как движущийся генератор вихрей, расположенный вблизи границы подслоя. Непрерывная потеря кинетической энергии пря-

торможения вблизи стенки нарастает дефицит импульса, который в течение коротких периодов разрушения структуры передается в область внешнего потока посредством выброса сильной струи жидкости в области разрушения. Так называемые турбулентные касательные напряжения, обозначаемые —ри'и', имеют место только во время разрушения вязкого течения; физически они являются результатом выброса струй из пристенной области и связаны с изменением скорости потока поперек области разрушения. Действительное порождение турбулентности (т. е. мелкомасштабного случайного движения в отличие от упорядоченного крупномасштабного движения) связано с разрушением выбрасываемых струй. Эти струи подвержены вторичной неустойчивости и разрушаются так же, как и обычные свободные струи, и, таким образом, представляют собой постоянный источник турбулентности, кото-

После первоначального разрушения структуры можно также производить

Достаточно чистый хром обладает достаточной пластичностью при повышенных температурах для его горячей обработки большинством обычных методов, таких как ковка, прокатка или выдавливание. Однако при нагреве в печи для обработки необходимо использовать инертную атмосферу для предотвращения загрязнения. Для снятия напряжений, возникавших при застывании слитков, переплавленных в дуге, их проковывали и осаживали в интервале температур 800—850° после первоначального отжига при 1200—1250 [27, 59, 70J. Первичную обработку следует производить осторожно до тех пор, пока не будет- разрушена первоначальная структура, после чего можно производить более значительные обжатия. После первоначального разрушения структуры можно также производить прокатку; при этом возможны такие низкие температуры прокатки, как 500". Первоначальное разрушение литом структуры можно осуществлять также выдавливанием почти при тех же температурах, что и ковку [101.

2. Пластическое деформирование изменяет структуру материала поверхностного слоя. Пластическое деформирование твердых тел складывается из четырех наиболее важных элементарных процессов: скольжения по кристаллографическим плоскостям (скольжение в отдельных зернах поликристаллического тела происходит обычно по нескольким плоскостям, число которых возрастает с повышением напряжения); двойникования кристаллов; отклонения атомов от правильного расположения в решетке и их тепловое движение; разрушения структуры.

На нисходящей ветви кривых т (у) часто наблюдается более или менее интенсивные колебания напряжения сдвига. Амплитуда и частота этих колебаний зависят от эластичности исследуемого материала, скорости деформации и жесткости динамометра так, что их интенсивность возрастает с увеличением эластичности исследуемой системы, скорости деформации и уменьшением жесткости динамометра. Колебания напряжения сдвига после перехода через предел прочности могут быть вызваны, по крайней мере, двумя причинами. Во-первых, особенностями разрушения структуры материала. Можно предполагать, что в двухкомпонентных системах, в которых один из компонентов проявляет высокую эластичность и содержится в относительно небольшой концентрации, разрушение структуры протекает неравномерно. В таком случае колебания напряжения сдвига носят затухающий характер. Однако они могут происходить с низкой интенсивностью и при неограниченно длительном деформировании материала, т. е. достигается только квазиустановившийся режим течения. Во-вторых, колебания напряжения могут быть обусловлены чередующимися отрывами материала от измерительных поверхностей и его прилипаниями к ним, что является одной из важнейших причин эластической турбулентности.

Для материалов самой различной природы на кривых i (7) могут быть максимумы. Г. В. Виноградовым и К. И. Климовым было показано [8], что у пластичных дисперсных систем, слабо релаксирующих в области упругих деформаций, переход через этот максимум обусловлен прежде всего разрушением трехмерного структурного каркаса, образованного кристаллической дисперсной фазой. Если частицы дисперсной фазы анизодиаметричны, то переход через максимум на кривых т (у) сопровождается одновременно разрушением структурного каркаса и ориентацией частиц в направлении деформирования. Процесс изменения структуры пластичных систем, сопровождающийся более или менее резким снижением сопротивления при переходе через максимум на кривых т (у), Г. В. Виноградов предложил именовать переходом через предел сдвиговой прочности. В последующем для пластичных дисперсных систем было установлено [21 ], что переход через предел прочности — это переход от упрочнения в процесс деформирования материалов с неразрушенным структурным каркасом к разупрочнению под влиянием его разрушения. При испытаниях по методу Q = const это разупрочнение представляет структурную релаксацию напряжения, т. е. его снижение под влиянием изменения, прежде всего разрушения, структуры материала.

У пластичных дисперсных систем в области очень низких скоростей деформаций при изменении их даже на несколько десятичных порядков предел прочности сохраняет постоянное значение [21 ], что связано с малостью вязкого сопротивления в процессе разрушения структуры у этих систем, когда скорости деформации малы. Такое постоянное значение предела прочности было предложено именовать пределом текучести тт, поскольку только после достижения этого напряжения сдвига может наступать сопровождающееся разрушением структуры материалов течение со скоростями, превышающими скорости ползучести на несколько десятичных порядков. Начиная с некоторых значений скорости деформации, проявляется зависимость от нее предела прочности, которая усиливается с увеличением скорости, деформации. Однако вплоть до довольно значительных скоростей эта зависимость выражена гораздо слабее, чем зависимость от скорости деформации напряжений сдвига в установившемся потоке.