Разрушения композиционного

Рис. 2.9. Характер разрушения композиционных материалов при сжатии в случае нагружения их по торцовым поверхностям: материалы, армированные системой трех (а) нитей, слоистые <6")

87. Черепанов Г. П. Механика разрушения композиционных материалов. М.: Наука, 1983. 296 с.

335. Особенности деформации и разрушения композиционных материалов с упрочняющейся и малоупрочняющейся матрицей / В. С. Иванова, И. М. Копьер, Ю. Е. Бусалов, В. А. Ермишкин // Физика и химия обраб. материалов.— 1973.—№ 3.—С. 116—121.

Разделы, содержащие информацию, необходимую для решения этой'задачи, включают основы теории упругости анизотропного тела и механики разрушения композиционных материалов, результаты исследования напряженного состояния стержней, пластин и оболочек, анализа распространения волн и ударных воздействий, определения концентрации напряжений в окрестности линий возмущения и узлов соединений, оценки надежности, описания процессов автоматизированного проектирования и некоторых экспериментальных методов.

III. Критерии разрушения композиционных материалов ...... 79

При обсуждении критериев разрушения композиционных материалов необходимо иметь полное представление о природе рассматриваемых явлений и определить понятие «разрушение» в том смысле, в котором оно обычно используется при анализе этих материалов. Прочность слоистой структуры — это ее способность выдерживать заданный уровень термомеханического нагружения без разрушения. Поэтому разрушение будем рассматривать как предел несущей способности материала при всех возможных напряженных состояниях. 'Предельные состояния могут быть представлены аналитически для данного материала поверхностью разрушения. Как и для металлов, под пределом текучести слоистой структуры будем понимать уровень напряжений, соответствующий началу неупругого деформирования, микроструктурный механизм которого для металлов и композиционных материалов существенно различен. Растрескивание — это мгновенное образование свободных поверхностей в материале, которое может ускорить его разрушение. Различать эти понятия необходимо для понимания построения и последующего применения критериев прочности композиционных материалов.

Рассмотрим некоторые классические критерии пластичности и хрупкого разрушения, разработанные для однородных металлов и являющиеся основой для построения распространенных критериев прочности для композиционных материалов. Несмотря на то, что природа текучести и хрупкого разрушения существенно различна, один из рассмотренных ниже критериев пластичности послужил основой для построения нескольких критериев хрупкого разрушения композиционных материалов.

III. КРИТЕРИИ РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

в. Хоффман [7]. Этот критерий хрупкого разрушения композиционных материалов обобщает критерий Хилла на случай различной прочности материала при растяжении и сжатии путем введения в функциональную форму линейных членов. Поверхность разрушения описывается уравнением

Работы в области механики разрушения, такие как работа [8], дают дополнительную информацию относительно связи между микроструктурными разрушениями в слое (расслоение, нарушение адгезии, образование трещин в связующем и т. д.) и макроэффектами, наблюдаемыми при разрушении' материала. Таким образом, математическое построение более точных теорий, как и исследование механики разрушения композиционных материалов, составляют еще одну проблему, нуждающуюся в дальнейшем исследовании.

Разделы, содержащие информацию, необходимую для решения этой задачи, включают основы теории упругости анизотропного тела и механики разрушения композиционных материалов, результаты исследования напряженного состояния стержней, пластин и оболочек, анализа распространения волн и ударных воздействий, определения концентрации напряжений в окрестности линий возмущения и узлов соединений, оценки надежности, описания процессов автоматизированного проектирования и некоторых экспериментальных методов.

Разумеется, для исследования разрушения композиционного материала при ударном нагружении необходимо знать все компоненты напряженного состояния в точке и располагать соответствующим критерием прочности материала.

При режимах, характеризующихся отклонением параметров процесса от оптимальных в сторону увеличения температуры, давления и времени выдержки, реализуется излишняя степень взаимодействия, что приводит к охрупчиванию матрицы и к облегчению условий распространения трещин через границу раздела компонентов. Механизм разрушения композиционного материала в этом случае определяется главным образом пластичностью матрицы, так как для развития трещины, возникшей при разрыве наименее прочных волокон, необходимо, чтобы энергия деформации материала при распространении трещин превышала сумму энергии пластической деформации в устье трещины и энергии образования новых поверхностей [63]. При реализации такого механизма разрушения (разрушение по «слабейшему» звену) формируется плоская поверхность излома, локализованная обычно в плоскости,

Характеристики сопротивления удару композиционных материалов на основе различных алюминиевых сплавов получены в результате испытаний при комнатной температуре образцов с размерами 55x10x10 мм и V-образным надрезом глубиной 2 мм при скорости нагружения 5 м/с (табл. 48). Поскольку механизм рассеяния ударной энергии связан главным образом с пластической деформацией алюминиевой матрицы как вблизи места разрушения, так и во всем объеме образца, более высоким сопротивлением удару обладает материал с самой пластичной матрицей — сплавом 1100. Приведенные в табл. 48 свойства получены на материале с волокнами диаметром 140—150 мкм. Применение волокон диаметром 200 мкм в сочетании с матрицей из алюминиевого сплава 1100 позволяет увеличить работу разрушения композиционного материала в 2—3 раза [220].

РИС. 5-1. Модель разрушения композиционного материала из тугоплавкого наполнителя и органической связки.

Рис. 5-2. Модель разрушения композиционного материала из теплостойкого, но непрочного наполнителя.

Рис. 9-3. Характер изменения скорости и механизма разрушения композиционного материала на основе углерода и стекла от весового содержания углерода <рс .

Таким образом, формула (9-46) позволяет определить условия разрушения композиционного теплозащитного материала, при которых различием температур газа и стенок пористого каркаса еще можно пренебречь. На рис. 9-18 приведены некоторые результаты расчетов по этой формуле.

Спектральный состав излучений ядерного источника является таким, что незащищенные композиционные материалы поглощают значительный объем попадающего на них потока энергии. В зависимости от толщины композита, термостойкости смолы и армирующего материала, входящих в его состав, количество и интенсивность поглощенной энергии, степень разрушения композиционного материала будет неодинаковой. Эксперименты, проведенные с использованием различных покрытий для отражения энергии ядерного излучения, свидетельствуют о разной степени повреждения материала [15]. Как правило, композиты, подвергаемые тепловому воздействию ядерного взрыва, должны иметь соответствующие покрытия для отражения тепловых импульсов и тем самым для предотвращения расслаивания.

Различие между вязкостью разрушения композиционного материала со слабой связью и вязкостью разрушения монолитного образца или материала с прочной связью в основном соответствует разнице между вязкостью разрушения основного компонента в условиях плоско-напряженного состояния и плоской деформации.

Рис. 47. Поверхность разрушения композиционного материала из стали с различной твердостью слоев. X 2:

областей применения, таких, как лопатки турбин турбореактивного двигателя, работающих при температурах выше 980° С, необходимы материалы с покрытиями. Разработка составов жаропрочных сплавов для матриц ведется таким образом, чтобы обеспечить сопротивление окислению в соответствии с другими требованиями. Имеется относительно мало данных, позволяющих точно определить возможности и ограничения использования композиционных материалов на основе жаропрочных сплавов, упрочненных тугоплавкой проволокой; однако известные данные являются обнадеживающими. Поскольку вольфрамовые проволоки сами по себе имеют очень низкое сопротивление окислению, проблема защиты особенно важна. На рис. 13, а видно сильное окисление .вольфрамового волокна после выдержки всего лишь 5 ч при 1100° С. На вольфрамовых волокнах, защищенных слоем матрицы с покрытием толщиной несколько десятых миллиметра после выдержки 50 ч при 1100° С, коррозия отсутствует (рис. 13, б). Тонкостенная труба из шшелехромового сплава (инконель), в которой изготовляется композиционный материал, не удаляется в процессе механической обработки и образует покрытие, защищающее материал от окисления. Матрица композиционного материала из жаропрочного сплава должна иметь соответствующее сопротивление окислению с тем, чтобы небольшие локальные дефекты или повреждения на покрытии не вызывали бы быстрого разрушения композиционного материала. Для жаропрочных сплавов разрабатываются покрытия, которые перспективны для работы в агрессивных средах при температурах до 1200—1300° С. Жаропрочные сплавы могут быть использованы в качестве материала матрицы для композиции с волокнами, имеющими диффузионные барьеры и без покрытий.