Волокнами материалов

направление 3, вычисляют как характеристики двухмерноармированного прямыми волокнами материала. Модули упругости и сдвига модифицированной матрицы в плоскости ее изотропии вычисляют по зависимостям

ного из направлений армирования происходит путем изменения свойств матрицы по всему объему материала. Упругие характеристики слоя как дпухмерноармированного прямолинейными волокнами материала вычисляют по формулам табл. 3.2. Наложением слоев друг на друга завершается построение модели материала. Неоднородная структура пространственно-армированного материала представляется в виде пакета слоев, уложенных друг на друга, с различными свойствами (рис. 3.11). Каждый слой может содержать волокна в произвольном направлении, наличие волокон в направлении 3 учтено введением модифицированной матрицы. При таком подходе неоднородность структуры материала обусловлена только различием дефор-мативных свойств слоев. Достоверность расчета зависит от точности вычисления упругих констант отдельного слоя.

риалу с шестью направлениями армирования. Исходя из данных рис. 3.14 и того, что коэффициент армирования материала снижается с увеличением п, можно допустить, что значения упругих характеристик равновесного пространственно-армированного прямыми волокнами материала при п > 6 асимптотически приближаются к значениям упругих констант изотропного хаотически армированного материала. Коэффициент армирования последнего зависит от уплотнения волокон и в пределе может достичь значения 0,25—0,35.

Из приведенного анализа структурных напряжений при расслаивании материала 4D следует, что реализация механизма расслаивания, пространственно-армированного прямыми волокнами материала, зависит от ряда факторов. На нее могут влиять не только геометрий структуры армирования, но и размеры образцов, вид их нагружения. Условия, при которых происходит смена механизма разрушения от расслаивания по границе фаз до разрушения матрицы и волокон, исследованы пока недостаточно. Изучение такого рода «переключения» ь механизмах разрушения многонаправленных пространственно-армированных материалов имеет принципиальное значение при определении прочности, целевом использовании материалов в различных деталях, строгой регламентации их нагружения.

Перейдем теперь к. изучению вида матриц эффективных же-сткостей для одного частного класса симметрии материала, а именно предположим, что каждая материальная частица обладает единственной плоскостью упругой симметрии, нормальной к оси z. Это свойство называется моноклинной симметрией. Как и ранее, локальные коэффициенты жесткости могут меняться по толщине непрерывно или скачкообразно. Последнее характерно для большинства используемых в технике слоистых композитов, которые состоят из слоев армированного волокнами материала, причем волокна различных слоев лежат в параллельных плоскостях. Для моноклинной симметрии можно показать (Лех-ницкий [11]), что в рассматриваемом здесь случае (когда плоскость симметрии нормальна к оси г)

В микрофотоупругих экспериментах используются модели с армирующими волокнами материала-натуры, например со стекловолокнами, волокнами бора, сапфировыми усами и т. д. Эти модели точнее имитируют моделируемый композит, поскольку в них сохраняется трехмерное напряженное состояние и воспроизводятся характеристики сцепления между матрицей и волокнами. Были проведены микрофотоупругие опыты, в которых для определения неэффективной длины волокна и исследования вида и путей распространения микроразрушения изучались распределения напряжений и их концентрация вокруг концов волокон, разрывов волокон и нарушений сцепления волокна с матрицей.

направление 3, вычисляют как характеристики двухмерноармированного прямыми волокнами материала. Модули упругости и сдвига модифицированной матрицы в плоскости ее изотропии вычисляют по зависимостям

ного из направлений армирования происходит путем изменения свойств матрицы по всему объему материала. Упругие характеристики слоя как дпухмерноармированного прямолинейными волокнами материала вычисляют по формулам табл. 3.2. Наложением слоев друг на друга завершается построение модели материала. Неоднородная структура пространственно-армированного материала представляется в виде пакета слоев, уложенных друг на друга, с различными свойствами (рис. 3.11). Каждый слой может содержать волокна в произвольном направлении, наличие волокон в направлении 3 учтено введением модифицированной матрицы. При таком подходе неоднородность структуры материала обусловлена только различием дефор-мативных свойств слоев. Достоверность расчета зависит от точности вычисления упругих констант отдельного слоя.

риалу с шестью направлениями армирования. Исходя из данных рис. 3.14 и того, что коэффициент армирования материала снижается с увеличением п, можно допустить, что значения упругих характеристик равновесного пространственно-армированного прямыми волокнами материала при п > 6 асимптотически приближаются к значениям упругих констант изотропного хаотически армированного материала. Коэффициент армирования последнего зависит от уплотнения волокон и в пределе может достичь значения 0,25—0,35.

Из приведенного анализа структурных напряжений при расслаивании материала 4D следует, что реализация механизма расслаивания, пространственно-армированного прямыми волокнами материала, зависит от ряда факторов. На нее могут влиять не только геометрий структуры армирования, но и размеры образцов, вид их нагружения. Условия, при которых происходит смена механизма разрушения от расслаивания по границе фаз до разрушения матрицы и волокон, исследованы пока недостаточно. Изучение такого рода «переключения» ь механизмах разрушения многонаправленных пространственно-армированных материалов имеет принципиальное значение при определении прочности, целевом использовании материалов в различных деталях, строгой регламентации их нагружения.

Тензометрирование (см. также гл. XVI) крутильных деформаций обеспечивает непосредственное определение напряжений кручения как статических, так и знакопеременных. Сущность тензомет-рирования заключается в том, что на поверхность вала наклеивают по специальной схеме тензометры, проволочная решетка которых практически сливается с волокнами материала вала. При действии на вал крутящих моментов он деформируется. При этом проволочные витки тензометров меняют свое омическое сопротивление. Так как по проволочной решетке тензометров циркулирует ток, то изменение омического сопротивления решетки регист-

Рассмотренные закономерности процесса фильтрования применимы лишь для начального (стационарного) периода, который в течение короткого промежутка времени перетекает во вторичный нестационарный процесс фильтрования. В этот период при осаждении частиц между волокнами материала образуются пылевые наросты (мосты), пористость перегородки резко уменьшается. Внутри нее образуется первичный пылевой слой. Считается, что быстрое образование такого слоя наблюдается, если отношение диаметра пор перегородки к диаметру улавливаемых частиц не превышает 10.

В большинстве армированных волокнами материалов, изучаемых в настоящее время, по крайней мере один из компонентов хрупкий. Несмотря на то что волокна всегда прочнее матрицы, их удлинение при разрушении может быть и больше, и меньше предельного удлинения матрицы. Поэтому можно выделить различные типы процесса разрушения в зависимости от относительной пластичности компонентов.

Рассмотрено последовательное развитие методов и моделей для анализа разрушения армированных волокнами материалов методами микромеханики. В основе предложенного инженерного решения проблемы лежит учет неоднородности композита, поскольку замена композита однородным анизотропным материалом не соответствует сущности происходящих явлений усталости и разрушения. В то же время не рассматривались такие тонкости явления, как механика микроразрушения. В результате оказалось возможным сформулировать упрощенную модель, объединяющую реальные свойства материала с разум-ными инженерными допущениями.-.--: "-Использование упрощенного анализа всегда вызывает естественный вопрос: «Достаточна ли точность получаемых

ряжений внутри тела могут изменяться различным образом, в изотропном материале, механические свойства которого одинаковы во всех направлениях, невозможно достичь эффективности реализации прочности материала, равной единице. Однако если использовать материал с заданной анизотропией механических свойств, отвечающей распределению напряжений, то можно приблизиться к максимальной эффективности реализации прочности материала. Для придания материалу такой анизотропии, при его армировании волокнами можно изменять содержание и направление ориентации волокон. Изменяя прочнос-ть армированных волокнами материалов в соответствии с условиями их эксплуатации, можно получать элементы конструкций и изделия, в которых реализация прочности материалов будет оптимальной.

В общем случае, т. е. для анизотропных материалов, описываемых уравнением (5.4), симметрия отсутствует. Однако, как показано на рис. 5.3, в однонаправленных армированных материалах и анизотропных материалах, армированных равным количеством волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях, существует симметрия. Например, при повороте квадрата на рис. 5.3, а на 180° вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, а на рис. 5.3, б — вокруг той же оси на 90 и 180° имеем ту же анизотропию, что и в исходных прямоугольных координатах. При этом число независимых упругих постоянных в этих двух случаях будет равно соответственно 13 и 6. Для изотропного материала имеются только две независимые упругие постоянные. Упругие постоянные армированных волокнами материалов могут существенно изменяться при изменении не только содержания волокон, но и их ориентации. Это означает, что средством регулирования упругих (и прочностных) свойств может служить варьирование содержания и ориентации волокон.

Из приведенного примера следует, что при армировании материалов волокнами нельзя ограничиваться только рассмотрением их вклада в повышение прочности какого-либо слоя. Прочность материалов, армированных волокнами, оказывается высокой только при нагружении вдоль . волокон или под небольшим углом к направлению их ориентации. В других же направлениях прочность армированного материала весьма низка (см., например, рис. 5.10) . Если использовать такой материал для изготовления изделий, находящихся в сложном напряженном состоянии, то даже небольшие нагрузки могут привести к разрушению материала, когда они приложены вдоль направления, в котором прочность материала мала. В этом случае прочность армирующих волокон не используется в достаточной степени. При армировании волокнами материалов эффект упрочнения наблюдается только в том случае, когда направление главных напряжений совпадает с направлением ориентации волокон; при нагружении в других направлениях проявляется не эффект упрочнения, а скорее эффект "ослабления" материала волокнами. 1)

Армирующие углеродные волокна являются хрупкими и не обладают способностью к пластическим деформациям. Этот фактор ограничивает выбор методов переработки металлокомпозитов. Как указывалось выше, анизотропия механических характеристик армированных углеродными волокнами материалов дает возможность получать материалы с регулируемыми свойствами. Это достигается в процессе формования готового изделия из полуфабрикатов. При использовании армированных металлов в самолетостроении часто возникает необходимость последующих технологических операций: соединения изделий из армированных металлов с деталями из других металлических материалов, частичное усиление армированными металлами элементов металлических конструкций и т. д. Однако обычная сварка армированных металлов затруднена. Поэтому необходимо прибегать к методу диффузионной сварки и другим способам соединения металлов, не требующим плавления металла. Другой путь решения этой задачи - соединять детали из металлокомпозитов с элементами из чистых металлов в процессе формования ме-таллокомпозита.

ряжений внутри тела могут изменяться различным образом, в изотропном материале, механические свойства которого одинаковы во всех направлениях, невозможно достичь эффективности реализации прочности материала, равной единице. Однако если использовать материал с заданной анизотропией механических свойств, отвечающей распределению напряжений, то можно приблизиться к максимальной эффективности реализации прочности материала. Для придания материалу такой анизотропии, при его армировании волокнами можно изменять содержание и направление ориентации волокон. Изменяя прочность армированных волокнами материалов в соответствии с условиями их эксплуатации, можно получать элементы конструкций и изделия, в которых реализация прочности материалов будет оптимальной.

В общем случае, т. е. для анизотропных материалов, описываемых уравнением (5.4), симметрия отсутствует. Однако, как показано на рис. 5.3, в однонаправленных армированных материалах и анизотропных материалах, армированных равным количеством волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях, существует симметрия. Например, при повороте квадрата на рис. 5.3, а на 180° вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, а на рис. 5.3, б — вокруг той же оси на 90 и 180° имеем ту же анизотропию, что и в исходных прямоугольных координатах. При этом число независимых упругих постоянных в этих двух случаях будет равно соответственно 13 и 6. Для изотропного материала имеются только две независимые упругие постоянные. Упругие постоянные армированных волокнами материалов могут существенно изменяться при изменении не только содержания волокон, но и их ориентации. Это означает, что средством регулирования упругих (и прочностных) свойств может служить варьирование содержания и ориентации волокон.

Из приведенного примера следует, что при армировании материалов волокнами нельзя ограничиваться только рассмотрением их вклада в повышение прочности какого-либо слоя. Прочность материалов, армированных волокнами, оказывается высокой только при нагружении вдоль . волокон или под небольшим углом к направлению их ориентации. В других же направлениях прочность армированного материала весьма низка (см., например, рис. 5.10). Если использовать такой материал для изготовления изделий, находящихся в сложном напряженном состоянии, то даже небольшие нагрузки могут привести к разрушению материала, когда они приложены вдоль направления, в котором прочность материала мала. В этом случае прочность армирующих волокон не используется в достаточной степени. При армировании волокнами материалов эффект упрочнения наблюдается только в том случае, когда направление главных напряжений совпадает с направлением ориентации волокон; при нагружении в других направлениях проявляется не эффект упрочнения, а скорее эффект "ослабления" материала волокнами. *)

Армирующие углеродные волокна являются хрупкими и не обладают способностью к пластическим деформациям. Этот фактор ограничивает выбор методов переработки металлокомпозитов. Как указывалось выше, анизотропия механических характеристик армированных углеродными волокнами материалов дает возможность получать материалы с регулируемыми свойствами. Это достигается в процессе формования готового изделия из полуфабрикатов. При использовании армированных металлов в самолетостроении часто возникает необходимость последующих технологических операций: соединения изделий из армированных металлов с деталями из других металлических материалов, частичное усиление армированными металлами элементов металлических конструкций и т. д. Однако обычная сварка армированных металлов затруднена. Поэтому необходимо прибегать к методу диффузионной сварки и другим способам соединения металлов, не требующим плавления металла. Другой путь решения этой задачи — соединять детали из металлокомпозитов с элементами из чистых металлов в процессе формования ме-таллокомпозита.