Различных композитов

Рис. 1.З. Зависимость интенсивности изнашивания (а) и коэффициента трения (б) от величины контактного давления для различных композиционных материалов

Рис. 1.5. Зависимость скорости изнашивания (а) и коэффициента трения (б) от контактного давления для различных композиционных материалов при трении без смазки по стали 45 при скорости скольжения 1 м/с

Зависимости произведения коэффициента устойчивости,. входящего в формулу (10), и модуля Юнга КЕ j для различных композиционных материалов, от углов армирования ±6, показаны на рис. 8. Из рисунка следует, что кривые, соответствующие различным материалам, при некоторых углах пересекаются. Имеется широкая область, в которой композиционные материалы оказываются более эффективными, чем конструкционные металлы. Если при этом учесть более низкую плотность композиционных материалов, то их преимущества окажутся .еще более очевидными. Расчет на устойчивость в совокупности с расчетом на прочность позволяет определить размеры в плане и толщину пластины.

Устойчивости слоистых пластин при температурном и других воздействиях, вызывающих расширение материала, посвящены теоретические исследования Виттрикка и др. [190], а также теоретические и экспериментальные исследования Келленбергера [85]. Уитни и Аштон, [184] рассмотрели термоустойчивость перекрестно-армированных квадратных пластин из различных композиционных материалов. Особенности свойств углепластиков, из-за которых в некотором диапазоне изменения углов армирования коэффициент линейного расширения оказывается отрицательным, определяют теоретическую возможность потери устойчивости пластин из этих материалов при охлаждении, а не при нагревании, что обычно имеет место. Однако более интересным в прикладном отношении является теоретический вывод о невозможности термической потери устойчивости пластин из эпоксидного

Таучерт и Мун [176] использовали с этой целью монотонный импульс и сравнили полученные результаты с характеристиками материала, найденными резонансным и статическим методами. Модули упругости эпоксидных боро- и стеклопластиков, определенные статическим и динамическим (при распространении волны вдоль волокон) методами, различались в пределах 2%. Была также установлена возможность предсказания рассеяния волн по результатам резонансных испытаний материалов. Таугерт [172, 173] использовал ультразвуковые волны для описания всех упругих постоянных различных композиционных материалов, а также измерил рассеяние ультразвуковых волн и установил, что предварительное растяжение увеличивает демпфирующие характеристики [174]. Рид и Мансон [142] исследовали рассеяние импульса напряжений в композиционных материалах.

Сиераковски и др. [156, 157] получили динамические диаграммы деформирования для различных композиционных материалов при скорости деформирования до 103 1/с. При таких скоростях предел прочности увеличивается на 85% (рис. 20).

Чтобы более широко рассмотреть применение концепций надежности к конструкциям из композитов, целесообразно остановиться на критериях проектирования, используемых в настоящее время. Установление критериев проектирования и прочности для композитов связано с преодолением несоответствий не только с опытными данными, полученными на металлах, но и с результатами, полученными на различных композиционных материалах. Обычно предельные нагрузки выбирают так, чтобы ни в одном из слоев композита напряжения не превосходили бы определенного уровня, устанавливаемого зачастую лишь безоговорочной ссылкой на основные характеристики слоя. Таким образом, начальное разрушение в некотором критическом слое кладется в основу определения расчетных характеристик, уровень которых определяется условиями работы и ответственностью конструкции. Подробное изложение некоторых из наиболее широко распространенных критериев можно найти в литературе [37].

ИЗ РАЗЛИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Настоящая книга представляет собой перевод пятого тома энциклопедической серии «Композиционные материалы», выпущенной в восьми томах издательством «Академик пресс». Она целиком посвящена проблеме разрушения и прочности различных композиционных материалов.

Иногда, например, в процессе исследования микроструктуры тугоплавких материалов при растяжении в условиях нагрева до весьма высоких температур необходимы более совершенные системы очистки. На рис. 29 приведена разработанная под руководством автора система очистки инертных газов, предназначенная для высокотемпературных металлографических установок, позволяющих изучать строение металлов, сплавов и различных композиционных материалов при 3000° С и выше.

Предлагаемая читателю книга «Структура и свойства композиционных материалов» охватывает все стороны указанной проблемы. В книге рассмотрены физико-химические и механические аспекты поверхностей раздела в композиционных материалах и их влияние на прочностные свойства. Изложены особенности структуры и свойств, методы получения армирующих средств и их классификация на нуль-мерные, одномерные, двухмерные. Описаны способы получения различных композиционных материалов пропиткой, диффузионной сваркой под давлением, газофазными, химическими и другими методами.

Яркой иллюстрацией упомянутых здесь преимуществ метода математического моделирования является хорошо известная в. настоящее время линейная теория механического поведения анизотропных композитов. Например, для двумерного ортотроп-ного композита математическая модель (обобщенный закон Гу-ка) характеризует податливость тензором четвертого ранга, откуда следует, что измерение всего четырех независимых компонент (5ц, Sjz, S22, See) тензора податливости, соответствующих главным направлениям структуры материала, позволяет полностью определить шесть коэффициентов податливости (Sj,, S{2>. S'l6, S'22, Sj6, Sg6) для произвольных направлений. Таким образом, отпадает необходимость многочисленных измерений шести коэффициентов податливости с небольшим шагом изменения ориентации образца для установления закона преобразования этих коэффициентов. Отсюда следует также, что сравнение податливости различных композитов можно производить путем: сравнения главных податливостей, не прибегая к сравнению графиков или таблиц значений отдельных компонент 5ц в зависимости от ориентации осей координат (так и практикуется в настоящее время). Кроме этого, метод математического моделирования дал возможность исследовать поведение слоистых пластин (Рейсснер и Ставски [41]), заняться вопросами оптимизации (Уэддупс [50], Брандмайер [6]), сформулировать принципы рационального статистического анализа, максимально сократить, число экспериментов, облегчить выпуск необходимой документации и технические приложения (By с соавторами [57]). Все эти преимущества метода математического моделирования должны быть использованы в проблеме исследования разрушения анизотропных композитов, но при этом нужно отчетливо понимать следующее:

Результаты испытания на изгиб 0°-ных волокон в Ni и Ni — Сг матрицах после различных термообработок приведены на рис. 20. Очевидно, что волокна меньше разупрочняются в Ni — Cr-матрице. Последующие испытания на растяжение 0°-ных волокон, извлеченных из Ni — Cr-композитов, показали, что средние величины прочности превосходят 140 кГ/мм2, а максимальные значения составляют около 190 кГ/мм2. В этом исследовании прочность волокон,, находящихся в матрице, была оценена методом акустической эмиссии при испытаниях композита на растяжение. Таким способом была определена деформация разрушения волокна, причем деформации волокна и матрицы предполагались одинаковыми. Прочность самого слабого волокна в матрице составила 253 кГ/мм2, что существенно превосходит прочность извлеченных волокон. Судя по множеству фотографий и наблюдений структуры поверхности волокон, разупрочненных при взаимодействии с металлом, снижение прочности можно отнести на счет действия тех трещин, которые образуются на поверхности волокон при их изъязвлении. Влияние такого повреждения поверхности волокон на их высокотемпературную прочность в предполагаемом температурном интервале работы различных композитов является одной из интересных проблем, возникающих при анализе множества экспериментальных данных такого рода.

Для определения пригодности этой модели в [37] исследована энергия разрушения композитной системы стекло — А1208. Среднее расстояние 1) .между частицами А1а03 изменялось путем изготовления различных композитов с дисперсными частицами одного из трех усредненных размеров, а именно 3,5; 11 и 44 мкм, и трех объемных содержаний частиц, а именно 0,10; 0,25 и 0,40. Результаты этого исследования приведены на рис. 5, где показана энергия разрушения каждого композита в зависимости от величины

и для других экспериментальных исследований [25, 56]. В работе-[26] измерен модуль Ес для системы стекло — А1203 (т » 5) при объемном содержании А1203, меньшем или равном 0,5. Эти результаты, приведенные на рис. 9, близко совпадали с нижней оценкой Хашина и Штрикмана и с решением [30]. В работе [31] отмечено, что значение Ес для композитной системы эпоксидная смола — песок (т » 36) хорошо согласовывалась с решением [30] для Fp < 0,3 и находилось в пределах между решениями [30] и [51]> для Vp > 0,3. Эти данные приводятся и сравниваются на рис. 10. Было исследовано также влияние размера частиц. В работе [52] по испытаниям различных композитов с тремя размерами дисперсных частиц показано, что Ес не зависит от размера частиц в системе эпоксидная смола — A120S-3H20. В работе [6] приведен такой же результат для двух различных композитов керамика — дисперсные частицы с одинаковым термическим расширением обеих фаз в каждой композитной системе. Это как раз ре тот случай, когда термические расширения двух фаз существенно различались. Как будет рассмотрено и обсуждено ниже в настоящей главе, остаточные термические напряжения могут вызвать образование трещин вокруг более крупных частиц, а эти трещины существенна влияют на модули упругости композитов.

ПОПРАВОЧНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ

Рис. 10. Начало отслоения поперечных волокон для различных композитов, сравненное на основе максимума циклической деформации етах, %.

Так как свойства на растяжение при начале расслаивания могут быть связаны по деформации для широкого класса композитов, в [8] были изучены усталостные свойства группы типичных композитов при возникновении расслаивания. Было обнаружено, что если представить результаты в терминах циклической деформации, то усталостные свойства различных композитов оказываются весьма близкими (рис. 10). Если данные с рис. 10 представить через напряжение при возникновении расслаивания, то усталостные кривые будут сильно отличаться. После 10е циклов допустимая деформация составляет лишь около 0,12%. Для большинства слоистых композитов такая деформация соответствует очень малой доле от их предела прочности. Если'бы в качестве конструкционного критерия в условиях усталости принять недопустимость расслаивания, то это оказалось бы слишком жестким ограничением. На рис. 6 для композита с матами из рубленой пряжи и полиэфирной смолой было показано, что амплитуды напряжения, необходимые для возникновения растрескивания

Исследование зависимостей напряжение — деформация показывает, что поведение композитов может быть самым разнообразным. Они могут вести себя как хрупкие материалы, как материалы, обладающие сложной текучестью, и как пластические материалы. На рис. 5.1 для различных композитов показаны диаграммы напряжение — деформация. Диаграммы, представленные на рис. 5.1, а получены для слоистого материала, состоящего из эпоксидной смолы и стеклоткани, имеющей атласное переплетение. При растяжении стеклоткани в основных направлениях примерно до 5 кгс/мм2 диаграммы имеют прямолинейный характер. Затем следует небольшой излом, который носит название «колена». В дальнейшем с возрастанием напряжения происходит пропорциональное возрастание деформаций. Разрушение материала наступает примерно в окрестностях 2%-ной деформации.

Рис. 5.1. Примеры диаграмм напряжение — деформация, полученных для различных композитов: а — эпоксидная смола, армированная стеклотканью с атласным переплетением; б — гибридный композит, армированный в одном направлении углеродным волокном и стекловолокном (в качестве матрицы использована эпоксидная смола); в — алюминий, армированный в одном направлении борволокном, покрытым карбидом кремния; г — композиция Ni — NbC, застывшая в одном направлении (кривая /), твердый раствор NbC в никеле Ni с весовым содержанием 0,5% (кривая 2); д — полимерный бетон с весовым содержанием песка 20%, СаСОз — 40%-

(с надрезом) для различных композитов, армированных волокнами в одном направлении

Следует иметь в виду, что в действительности в чистом виде такой материал не существует. В реальном материале могут дополнительно иметь место и другие типы разрушения. В табл. 6.4 для различных композитов, изготовленных из эпоксидной смолы, армированной в одном направлении углеродным волокном, приведены результаты исследования ударной вязкости и энергии различных работ [6.21]. Результаты исследования плотности энергии при ударе даны в табл. 6.5