Растяжении композита

При осевом растяжении композиционного материала из-за различной сжимаемости волокон и матрицы в соответствии с коэффициентами Пуассона на поверхности раздела возникают поперечные напряжения. Подробный обзор работ по расчету поперечных напряжений сделали Холистер и Томас [92]. Чаще всего для расчетов используют модель двух коаксиальных цилиндров. Внутренний цилиндр моделирует матрицу, а наружная оболочка — волокно. Радиальная компонента этих напряжений.

Предел прочности при растяжении композиционного материала, армированного дискретными волокнами, выражается через свойства компонентов:

Это соотношение сохраняется до разрушения материала, которое наступает при достижении предельной деформации одной из фаз. В пластиках, армированных углеродными волокнами, первыми обычно разрушаются волокна, а в стеклопластиках — матрица. Если разрушающее напряжение при растяжении волокон обозначить а/, а соответствующий показатель для матрицы при предельной деформации волокон обозначить ат, то разрушающее напряжение при растяжении композиционного материала описывается формулой

Лис получил расчетную формулу для разрушающего напряжения при растяжении композиционного материала с хаотическим распределением волокон, интегрируя уравнения (2.11) по всем значениям угла 9:

Механические характеристики образцов углеалюминия, полученных Джексоном [42], оказались значительно ниже теоретических. Так, например, среднее значение предела прочности при растяжении композиционного материала с 30 об. % армирующих волокон составило 410 МН/м2 (41,9 кгс/мм2), лишь один образец показал прочность 550 МН/м2 (56,2 кгс/мм3), т. е. около 80% от теоретической. Для объяснения этих результатов Джексон исследовал влияние технологических режимов на структуру композиционного материала и получил образцы материала с минимальной

композиций (теория Уитни), Установлено, что модуль упругости углеродных волокон не меняется в процессе изготовления композиции 13. что ошибки при измерении динамического модуля упругости материала невелики, в связи с чем модуль упругости не следует считать ответственным за расхождение экспериментальных и теоретических данных. Среднее значение предела прочности композиционного материала никель-углеродное волокно удовлетворительно согласуется с вычисленным по правилу смесей, особенно если учесть, что при изготовления композиции углеродные волокна несколько разупрочняются. Так, например, после прессования при 1050° С средняя прочность волокон Торнел-50 уменьшилась от 1850 МН/ма (189 кгс/мм2) до 1450 МН/м2 (148 кгс/мм2). Аналогичное снижение прочности в результате горячего прессования имеет место и для волокон Торнел-75. Предел прочности при растяжении композиционного материала с 50 об.% волокон Торнел-75 в направлении армирования составляет всего 690 МН/ма (70,5 кгс/мм2); относительное удлинение при разрушении — около 0,25%. Уже при удлинении образца около 0,05% в матрице наблюдаются очаги пластической деформации. Предел прочности материала при сжатии 690 МН/м2 (70,5 кгс/мм3), величины модулей упругости при растяжении и при сжатии совпадают.

(для материала с 50 об.% волокна) остаточным напряжениям сжатия OF на волокне. При растяжении композиционного материала стадия I, переходная стадия и стадия II соответствуют состояниям: упругая матрица — упругое волокно, упругоплас-ткчная матрица — упругое волокно и пластичная матрица — упругое волокно.

Рис. 16. Предел прочности при растяжении композиционного материала в продоль- 7 , ном направлении в зависимости от темпе- 12°'ш ~4 ратуры испытания:

Рис. 21. Предел прочности при растяжении композиционного материала в поперечном направлении в зависимости от состава матрицы и ее прочности: / — расчетные значения предела прочности для квадратной укладки [17]; // — расчетные значения предела прочности для гексагональной укладки [17]; III — 50 об.% волокна борсик диаметром 100 мкм — алюминий; 1 — 60 об.% волокна борсик диаметром 145 мкм — алюминий 6061F; 2 — 60 об.% волокна борсик диаметром 145 мкм — алюминий 6061-Т6; 3 — ' 57 об.% волокна борсик диа-

Ряс. 22. Предел прочности при растяжении композиционного материала алюминий 6061 — 60 об.% волокна борсик диаметром 150 мкм в поперечном направлении в зависимости от прочности матрицы и температуры испытания: I — предел прочности композиционного материала равен пределу прочности матрицы; 2 — 46 об.% волокна борсик диаметром 100 мкм — алюминий 6061; ® •— в состоянии после изготовления; О — после термообработки по режиму Т-6

Рис. 23. Предел прочности при растяжении композиционного материала в поперечном направлении в зависимости от содержания волокна:

Напряжения на поверхности раздела вокруг волокна при поперечном растяжении композита заметно меняются. Пример таких изменений для случая композита А1 — 50 об. % В с квадратным расположением волокон приведен на рис. 10. Следует отметить, •что наибольшее значение на поверхности раздела принимают нор-

Хотя представляется бесспорным, что для достижения максимальной прочности при растяжении композита алюминий — нержавеющая сталь необходимы оптимальные условия прессования, опубликованные данные по детальной разработке таких условий отсутствуют. Дэвис [9], а также Пиннел и Лоули [25, 26] описали свои способы достижения оптимальных свойств композитов. Авторы работ [25, 26] пришли к выводу, что в их композитах с оптимальными свойствами отсутствовало заметное химическое взаимодействие на поверхности раздела матрица — волокно. Патт-найк и Лоули [23] показали, что повторный нагрев может привести к реакции, основным продуктом которой является фаза

Эберт и др. [8], применяя метод конечных элементов, нашли распределение упругих микронапряжений в композите в условиях одно- и двуосно'го нагружения. Согласно их модели, при одноосном поперечном растяжении композита А1—50% В с квадратным

Рис. 19. Зависимость прочности при растяжении композита Т175А—В от угла нагружения.

СО ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ КОМПОЗИТА АЛЮМИНИЙ — НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ [61]

Объемная доля упрочнителя, % Состояние композита Предел прочности при растяжении извлеченных проволок, кГ/мм2 Предел прочности при растяжении композита, кГ/мм2 Модуль Юнга на стадии I, КГ/ММ2 Снижение предела прочности при отжиге кГ/мма

Рис. 12. Зависимость физического предела упругости от объемной доли упрочнителя при одноосном растяжении композита алюминий — нержавеющая сталь [66].

Рис. 13. Зависимость предела микротекучести от объемной доли упрочнителя при одноосном растяжении композита алюминий — нержавеющая сталь [66]. .....правило смеси, формула (8).

Рис. 14. Зависимость предела текучести (при остаточной деформации 0,1%) от объемной доли упрочнителя при одноосном растяжении композита алюминий — нержавеющая сталь [66]. .....правило смеси, формула (9).

Рис 22 Распределение коэффициента концентрации касательных напряжений ffmi2/<7iii вдоль волокна у его концов при растяжении композита \\\\.

Значения модуля упругости при растяжении и прочности на разрыв, полученные для этих систем, приведены в табл. 24. Возрастание модуля упругости при растяжении композита, содержащего силан, можно объяснить повышением прочности адгезионной связи между аппретом и наполнителем. Следует отметить, что в отсутствие наполнителя модуль упругости при растяжении системы увеличивается примерно на 30%. Это свидетельствует о том, что D-силан влияет также на процесс вулканизации, способствуя лучшему сшиванию каучуковой композиции. Более высокие прочностные характеристики материала получены при использовании карбоната кальция и двуокиси титана. Это, видимо, связано