Разрушение композитов

где ст и р — параметры распределения Вейбулла; 8 — параметр, характеризующий минимальную эффективную длину волокна. Гипотеза разрушения слабейшего звена, предложенная Цвебеном [40], предполагает, что после разрыва одного или небольшого числа волокон происходит катастрофическое разрушение композита. Перераспределение напряжений, вызываемое первичным разрушением, создает неустойчивость, проявляющуюся в появлении трещины или волны напряжений, приводящих к фактически мгновенному разрушению. В том же предположении, что прочность волокон описывается распределением Вейбулла, получена следующая оценка разрушающих напряжений;

ti — толщина элементарного слоя; tr — толщина слоя арматуры; t] — толщина полимерной прослойки; ts — толщина слоя связующего на поверхности композита; ta — толщина клеевого слоя; tc — толщина приклеиваемого композита; tj —• толщина полимерной матрицы между волокнами; 1 — поверхность раздела клея и композита; 2 — армирующие волокна; 3 — полимерная матрица; 4 — подложка из стеклоткани; А—А — сечение, по которому происходит разрушение композита при растяжении (8)

разрушения только первые семь можно считать разрушениями в соединении. Эти семь типов входят в первые четыре из пяти более общих категорий разрушения: I — когезионное; II — по склеиваемой поверхности; III — межслошюе; ГУ — разрушение армирующего слоя; V — разрушение композита. Если разрушение по поверхности раздела клеевого слоя и склеиваемого материала происходит в микромасштабе, то это явление обычно в расчетах не учитывают. Когда технология склеивания или качество материала неудовлетворительны, это явление может происходить в макромасштабе и свидетельствовать о необходимости повышения уровня контроля качества при изготовлении соединения, так как уровни разрушающих нагрузок в этих случаях обычно очень низки. Когезионное разрушение (внутри адгезионного слоя) является хрупким или вязким в зависимости от типа применяемого клея. Межслойное разрушение (не относящееся к кромочным эффектам) может быть вызвано недостатками в технологии изготовления композита, пустотами, расслоениями или термическими напряжениями. Эти причины учитываются интегрально— по их влиянию на прочность полимерной прослойки при растяжении и сдвиге. Три вида микроразрушения армирующего слоя обычно рассматривают в макромасштабе как один и тот же вид разрушения.

Данные, позволяющие построить такие зависимости для наиболее распространенных типов соединений могут быть получены из работы Граймса с соавторами [18]. Расчетные значения разрушающих нагрузок и условие N = 0 при Lit = 0 определяют характер этих кривых вплоть до нагрузок, соответствующих уже разрушению самого композита. Разрушение композита происходит при постоянной нагрузке, не зависящей от Lit. Эта нагрузка предельная и может быть определена или расчетом, или из испытаний композита. Хотя в рассмотренных ниже примерах предельная нагрузка определяется прочностью композита, возможны случаи, когда в соединениях металл — композит несущая способность соединения будет ограничиваться прочностью металла.

* Изменяя коэффициент изгиба ke с 0,02 на 0,05 можно добиться того, что расчетным станет разрушение композита от растяжения; при этом, однако, предельная нагрузка будет^ несколько меньше экспериментально определенной.

Рис. 61. Зависимость растягивающих напряжений в композите в момент разрушения от отношения e/d, соединение в двустороннюю нахлестку с одним болтом и прокладками, (d/t = 0,98; S/d = 1,98; t = 0,477 см): а — соединение эпоксидных боропластиков, усиленных стальными прокладками, [±45/O4)2S -[- прокладки; tp = 0,0127 см; ts = 0,0076 см (17-7РН S.S.); б — соединение бороэпоксидных композитов, усиленных стальными прокладками, [0/+45/0]3s + прокладки; tp = 0,0127 см; f s=0,0076 CM (17-7 РН S.S); А — разрушение композита от растяжения у краев прокладок расслоение и срез; Б — двойной срез болта, расслоение и сроз композита

Общепризнано, что разрушение композита обусловлено локальными физическими процессами; следовательно,- для обоснования критериев разрушения при механистическом подходе необходимо, во-первых, охарактеризовать локальные нерегулярности взаимного расположения матрицы и волокон, во-вторых, разработать во всех деталях методику исследования вне рамок классической механики сплошной среды и, в-третьнх, изучить физические механизмы разрушения каждой из изотропных фаз

Милейко С. Т., Ползучесть и разрушение композита с непрерывным хрупким волокном, сб. «Механика деформируемых тел и конструкций», М., «Машиностроение», 1975.

Если волокна пластичны, то поперечные напряжения на поверхности раздела между волокном и матрицей могут даже более заметно влиять на разрушение композита, поскольку при напряжениях, соответствующих образованию шейки и разрушению изолированных волокон, шейкообразО'Вание в волокнах композита стеснено. Естественно, такое влияние уменьшается с увеличением •содержания волокон, так как матрица, объемное содержание которой уменьшается, менее эффективно тормозит развитие шейки. .Этот эффект, обнаруженный Пилером [48] в системе серебро— -сталь, наблюдали также Милейко [45] при повышенных температурах в № — W и Келли и Тайсон [34] —в Си — Мо и Си — W.

Рис. 5. Влияние предварительного отжига на разрушение композита Nb-сплав —

Реакция между матрицей и волокном может происходить либо на поверхности раздела матрица — продукт реакции, либо на поверхности раздела волокно — продукт реакции. В первом случае через образующееся соединение могут диффундировать атомы материала волокна, во втором — атомы материала матрицы. В некоторых случаях протекают оба эти процесса. Блэкберн с сотр. [6] и другие авторы показали, что реакция между титаном и бором идет по первому механизму. Уход атомов бора из волокон приводит к образованию пор в центре волокна, вокруг вольфрамовой сердцевины (рис. 7). Некоторые поры могут возникать на поверхности раздела волокно — 'продукт реакции, но причина их образования здесь, как полагают, иная. Действительно, образование ди-'борида титана сопровождается уменьшением объема на 20%, и это обстоятельство может явиться причиной образования пор на внутренней границе межфазной прослойки. Каков бы ни был механизм возникновения пористости, нестабильность поверхности раздела приводит к разупрочнению композита. Так, в зависимости от характера реакции разрушение композита при поперечном на-гружении может пройти либо по матрице, либо по поверхности раздела (гл. 5).

Рис. 1. Классификация теорий, описывающих разрушение композитов.

Полилов А. Н., Сдвиговое разрушение композитов около концентраторов напряжений, сб. «Влияние конструкции пластмассовых изделий на их эксплуатационные свойства», М., 1974.

По условиям растягивающего нагружения в направлении расположения упрочнителя нормальные напряжения возникают на поверхности раздела лишь из-за поперечного сжатия. Однако разрушение по (поверхности раздела в этих условиях является вторичным эффектом. Имеется в виду, что растягивающие напряжения, нормальные к поверхно'сти волокна, достигают предела прочности поверхности раздела лишь после значительного сжатия, например такого, которое происходит, -если .в волокне начинает образовываться шейка. Джонс [13] и другие исследователи наблюдали разрушение композитов алюминий — нержавеющая сталь по поверхности раздела в тех случаях, когда волокна отслаивались от матрицы три образовании шейки. Согласно Веннету и др. {36], в той же последовательности разрушаются композиты латунь— вольфрамовая проволока. Однако в обоих случаях разрушение в действительности начинается в волокне, а дальнейшее его развитие не зависит от вторичных процессов разрушения по поверхности раздела, 'вызванных образованием шейки. Разрушение по поверхности раздела под действием нормальных растягивающих -.напряжений может быть первопричиной разрушения и при других видах .нагружения, например, .при поперечном растягивающем нагружении, однако в'ряд ли оно играет важную роль при продольном растяжении. С другой стороны, сдвиговые разрывы по поверхности раздела, вызванные расщеплением волокна, существенно влияют на развитие последующего разрушения и будут рассмотрены более детально.

ill. Разрушение композитов при внеосном нагружении ..... 203

II. Разрушение композитов при внеосном нагружении

III. Разрушение композитов............ 277

III. Разрушение композитов

Поверхность раздела в композитах подвержена наибольшему влиянию воды при усталостном разрушении. Романс, Сэндси и Коулинг провели широкое исследование усталостной прочности колец NOL (на основе эпоксидной смолы и S-стекла) в воде [65]. Некоторые из этих результатов приведены в табл. 4. При испытаниях кольца сжимались, причем максимальной деформации подвергались участки кольца, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению прикладываемого усилия. Показано, что разрушение начинается на участках максимального напряжения. На начальных стадиях в смоле происходит образование микротрещин, что в конечном итоге приводит к разрушению волокна. Статическое нагружение в воде оказывает значительно меньшее воздействие, чем динамическое. Так, при выдержке образцов в воде под постоянной нагрузкой в течение 16 мес. потеря прочности составляет менее 20%, а при циклическом нагружении те же кольца разрушаются полностью. Результаты исследований влияния воды на усталостное разрушение композитов можно найти в работах [30, 16].

В первых двух главах рассмотрено разрушение композитов, упрочненных частицами. Глава 1 (Гурланд) посвящена металлическим матрицам, глава 2 (Ленг) — полимерным и керамическим матрицам. В главе 3 (Чамис) устанавливается соответствие между микромеханическими эффектами и прочностью композита и дается обобщение различных теорий, связывающих свойства составляю-

Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой матрице

Разрушение композитов с частицами в хрупкой матрице 13