Разрушения композитов

Несмотря на то что механистический и феноменологический подходы привлекательны во многих отношениях и удовлетворяют самым разнообразным запросам, они, разумеется, не исчерпывают всех возможностей. Можно получить весьма полезные результаты и при разумном сочетании этих двух подходов, что было показано Рейсснером и Ставски [41] для теории слоистых пластин. В этой теории исследование отдельных слоев можно считать механистическим, а исследование слоистой структуры в целом — феноменологическим. Выбор дисцип-{ лины, описывающей процесс разрушения композита при меха-: ниетическом или феноменологическом подходе, определяется j уровнем рассмотрения; эти дисциплины и используемые в них 1 теории указаны на рис. 1.

в отдельности. Поскольку эти составные части исследования, в особенности последняя, нуждаются в солидном обосновании, механистический подход к проблеме разрушения композита в настоящее время представляется труднореализуемым.

что согласуется с результатами Стоуна [65], а также Тайсона и Дэвиса [66]. Нарушение сцепления между волокном и матрицей не означает катастрофического разрушения композита. Перераспределение напряжений, происходящее в результате этого нарушения, менее опасно, чем разрушение самой матрицы. Другим важным результатом является определение точки, в которой это касательное напряжение обращается в нуль, что соответствует максимальной нагрузке на волокно. Эта точка находится на расстоянии 20 диаметров от конца волокна [6], что дает отношение неэффективной длины к диаметру, равное 40. Мак-Лок-лин нашел, что для многоволоконных моделей эта величина меняется между 40 и 80 в зависимости от величины промежутка между волокнами.

Высказывалось предположение, что возможны случаи, когда предпочтительна слабая поверхность раздела. Согласно Куку и Гордону [12], поле напряжений у вершины развивающейся трещины включает не только главные напряжения, стремящиеся; раскрыть трещину в направлении ее распространения, но и напряжения, стремящиеся раскрыть ее в перпендикулярном направлении. Значит, эти дополнительные напряжения могут раскрывать плоскости с ослабленной связью, пересекаемые магистральной трещиной. Эмбери и др. [17] применили эти представления к случаю разрушения слоистых композитов. Они показали, что в пакете стальных листов распространение трещины задерживается процессом расслаивания; это приводило к важному результату — снижению температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому более чем на 100 К. Эти исследования были продолжены Олмон-дом и др. [2], которые получили ряд новых данных об указанном типе структур, тормозящих распространение трещины. По очевидным соображениям аналогичный подход применим и к волокнистым композитам; этот вопрос рассмотрен в гл. 7 в связи с проблемой разрушения. Значительные объемы композита, расположенные по обе стороны от магистральной трещины, могут быть охвачены одновременным действием различных механизмов разрушения, а в таких случаях, как показали Эдсит и Витцелл [1] на примере композитов алюминий — бор, вязкость разрушения композита может превосходить вязкость разрушения металлической матрицы.

Композит с прочными поверхностями раздела и однородными свойствами волокон и матрицы будет разрушаться по плоскости, перпендикулярной направлению приложенных напряжений, и поверхность излома будет гладкой. Если волокна неоднородны по прочности из-за наличия слабых точек (дефектов) или разрывов, трещина будет распространяться так, чтобы связать слабые точки. Вследствие этого трещина либо пройдет лишний участок пути в матрице (прочная поверхность раздела), либо будет распространяться по поверхности раздела. Как показано выше, максимальная длина вытягиваемой части волокна определяется критической длиной. С другой стороны, матрица' разрушится в первую очередь, если деформация разрушения для нее меньше, чем для волокон. На рис. 1 схематически показаны некоторые из этих типов разрушения. На рис. 1, а показан характер разрушения композита с малой деформацией разрушения матрицы; согласно работе Джонса и Олстера [14], такое разрушение наблюдается в композитах алюминий — нержавеющая сталь. Рис. 1, б отвечает случаю, ,когда мала деформация разрушения волокон (например, волокна бора). В этом случае предполагается, что прочность поверхности раздела высока, поскольку трещины соединяются путем сдвига матрицы. В случае рис. 1, в деформация разрушения волокна мала, но из-за малой прочности поверхности раздела трещина в матрице отклоняется слабо, поскольку волокна легко вытягиваются из матрицы. Такое поведение может быть присуще композиту алюминий — бор со слабой связью. Для этого типа разрушения предполагается, что деформация разрушения

Рис. 1. Типы разрушения композита лри продольном растяжении.

Вообще говоря, теории зоны взаимодействия предсказывают постоянство прочности и деформации разрушения композита, если развитие реакции не достигло критического уровня. По достижение такого уровня прочность и деформация разрушения начинают уменьшаться — сначала быстро, а затем все медленнее, пока эти параметры ре достигнут более низких постоянных значений при втором критическом уровне развития реакции. Хотя оба ^критических уровня зависят и от других факторов, например, от свойств волокна и матрицы, деформация разрушения, отвечающая второму плато, согласно теории, зависит лишь от свойств соединения, образовавшегося в зоне взаимодействия. Детально исследованы были только трд системы; для двух из них были подучены экспериментальные значения деформации, которые оказались в очень хорошем согласии с теорией.

Таким образом, представляется, что, хотя характер разрушения композита определяется свойствами продукта реакции, эта их определяющая роль выявляется только после того, как реакция достигла критического уровня развития. Для систем третьего класса этот уровень характеризуется толщиной зоны; для систем псевдопервого класса необходимы иные критерии. Предполагается, что таким критерием может служить площадь, на которой происходит рост продукта реакции.

ДЕФОРМАЦИЯ РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИТА И ВОЛОКОН ПОСЛЕ ОТЖИГА КОМПОЗИТА А16061—25%В ПРИ 778 К1

При анализе прочности композитов в условиях внеосного на-гружеиия влияние поверхности раздела может быть учтено несколькими способами. Например, можно предположить, что прочность поверхности раздела достаточно велика для передачи вне-осных нагрузок между волокнами и матрицей вплоть до момента разрушения композита. Такое предположение означает, что по-ве'рхность раздела прочна и не разрушается. Таким образом, в соответствии с терминологией, использованной в гл. 4, посвященной прочности при продольном растяжении, теории этого типа могут быть названы «теориями прочных поверхностей раздела».

отчасти является причиной разрушения композита в целом, такие теории могут быть названы «теориями слабых поверхностей раз-Выше приводились экспериментальные данные, демонстрирующие справедливость этих различных теоретических подходов. Теория прочных поверхностей раздела удовлетворительно согласуется с экспериментальными значениями прочности композитов, в которых волокно прочно связано с матрицей (что, однако, не приводит к охрупчиванию композита). Значения прочности, вычисленные: по этой теоретической модели, представляют собой, по существу,, верхнее предельное значение прочности композита. Если из-за слабой связи или из-за образования непрочного продукта взаимодействия разрушение происходит по поверхности раздела, прочность при внеосном нагружении снижается, и применима теория слабых поверхностей раздела. Таким образом, случай слабой связи на поверхности раздела или ее отсутствия соответствует ниж^-нему предельному значению прочности при внеосном растяжении.. Далее в этой главе верхнее и нижнее предельные значения нроч-. но'сти при внеосном нагружении будут рассмотрены более де-. тально.

В настоящей главе явление разрушения композитов исследуется на уровне, когда композиционный материал рассматривается как слоистая структура — объединение однородной матрицы и однородных волокон, трактуемая как некая анизотропная сплошная среда. Математическая модель (критерий разрушения) формулируется в рамках феноменологического подхода с тем, чтобы изучить влияние механических воздействий на начало разрушения. Получающийся в результате такого подхода критерий разрушения используется для планирования эксперимента, облегчения интерполяции и корреляции экспериментальных данных и их применения на практике, но не предназначается для объяснения механизма разрушения.

где d — диаметр волокна, сгв — прочность волокна, а п—• сдвиговая прочность поверхности раздела. Критическая длина уменьшается с ростом ^прочности поверхности раздела и достигает минимума, когда сдвиговая прочность поверхности раздела становится равной сдвиговой прочности матрицы (если не учитывать различия в размерах области, охваченной сдвигом при разрушении по поверхности раздела и при разрушении в матрице на малом расстоянии от поверхности раздела). Длина 'передачи нагрузки влияет на такие характеристики разрушения композитов с короткими волокнами, как вытягивание волокна, энергия разрушения и характер распространения трещины. Короткие волокна могут возникать при разрушении непрерывных волокон или присутствовать в исходной структуре композита.

Несмотря на идеализированный характер модели Купера и Келли '[6], приведенные уравнения выявляют важную роль статистического распределения прочности волокон. Если волокна бездефектны, т. е. а* = в, работа их разрушения равна нулю; она растет, достигая максимума, когда а* равна нулю (т. е. для коротких волокон) и когда критическая длина /Кр равна d. Авторы показали, .что при этих условиях работа разрушения волокна уменьшается до значений, полученных Коттреллом [7] для вязкости разрушения .композитов, армированных волокнами, длиной /Кр, по механизму вытягивания волокон. , ,

Рис. 16. Деформация разрушения композитов А16061—В и волокон бора после выдержки при 778 К.

Рис. 17. Деформация разрушения композитов AI6061—В после выдержки при 833 ,К.

Форрест и Кристиан [10], сопоставляя системы А1—В, Al—B/SiC и Al—B/BN, пришли к выводу, что лучшим комплексом свойств •обладает система А1—В, наиболее склонная к химическому взаимодействию. Возможно, на этот вывод повлияли и другие факторы— способ изготовления, близость условий изготовления к оптимальным и т. д.; тем не менее остается фактом, что системы, реакционная способность которых уменьшена путем покрытия бора SiC или BN, не обладают преимуществами по сравнению с хими-•чески более активной системой А1—В. С таким выводом согласуются и данные Кляйна и Меткалфа [15] о том, что продольная прочность и деформация разрушения композитов А1—В достигают максимума при наличии небольшого количества продукта реакции.

Последняя работа Кляйна и Меткалфа [19] была посвящена экспериментальному изучению влияния поверхности раздела на вязкость разрушения композитов с металлической матрицей. Объектом исследования служил алюминиевый сплав А16061 с 45 об.% ориентированно расположенного упрочнителя. Для изменения состояния поверхности раздела композит выдерживали различное время —от 0 до 150 ч при температуре 811 К. После высо-

Рис. 18. Типы разрушения композитов с направленным армированием.

Ркс. 21. Ъяжюсъъ при пжвречи'Спл разрушения композитов бор— алюминий; расчетные кривые соответствуют максимальному и минимальному значениям модуля композита.

Хотя наибольший практический интерес представляют композиты с множественной ориентацией упрочнителя, основные закономерности поведения композитов исследовали, как правило, для случая направленного расположения упрочнителя. Работ, посвященных изучению характеристик вязкости разрушения композитов, армированных в нескольких направлениях, крайне мало. Как указывалось выше, было установлено, что вязкость разрушения при распространении трещины перпендикулярно волокнам много больше, чем при распространении вдоль волокон. Кроме того, зависимость вязкости разрушения от объемной доли волокон оказалась линейной. Согласно последней работе Олстера и Вудбери [33], которая была выполнена на композитах с эпоксидной мат-

Рис. 23. Типичный характер разрушения композитов графит — эпоксидная смола (а) и бор — эпоксидная смола (б) [33].