Оглавление:
Упрочнение волокнами
- Затвердетое волокно Волокна в матрице должны иметь более высокий модуль упругости, чем матрица (EB > Em), что является одним из условий получения композиций с высокими механическими свойствами. Согласно теории композиционных материалов, объем матрицы, ориентация матрицы их идентичны и деформация композиции, матрицы и волокна£®будут одинаковыми (£K=£), нагрузка на волокно распределяется между волокном и матрицей таким образом, чтобы отсутствовало проскальзывание на границе Матрица-волокно вплоть до разрушения композиции.
Прочность композиции o*в этом случае изменяется в зависимости от объемного содержания армирующего волокна G®(рис. 10.2). Низкое содержание объемной доли волокон в Матрице (и®<и^) снижает прочность композиции. Волокна, которые сразу же нагружаются до предельного напряжения, разрушаются и нагрузка воспринимается только матрицей、 Рис 10.2.
Изменение прочности волокнистого материала в зависимости от содержания пакета-rochela Определите прочность композиции. Р Людмила Фирмаль
азмягчающий эффект волокон регистрируется до появления телят, когда матрица разрушается первой, а волокна дробятся. При увеличении объемного содержания доля волокон увеличивается (а® > икра), нагрузка воспринимается волокнами, интенсивность которых определяет прочность всей композиции. Разрушение волокон под действием приложенной нагрузки приводит к быстрому разрушению матрицы. Прочность композиции 258 состоит из общей прочности волокон и матрицы: <=<Г+<(1-г). (10.1)аналогичным образом изменяется модуль упругости конфигурации:£K=£VG+£M (1-G V). (10.2))
Прочность композиции возрастает до величины объемной доли волокна кв » за счет большого значения G®, которое затрудняет заполнение пространства между волокнами матричным материалом. Критический объем армирующих волокон в матрице определяется из этого уравнения Здесь o» — среднее напряжение тока матрицы в момент разрушения волокна.
- Из Формулы (10.3) следует, что увеличение разности прочностных характеристик волокон и матрицы приводит к уменьшению критической объемной доли V. критическая объемная доля волокон в матрице может варьироваться от 1 до 50%. Когда композиция отверждается дискретным однонаправленным волокном, матрица передает нагрузку на волокно посредством пластической деформации, пропорциональной приложенному напряжению. Волокна с более высоким модулем упругости ( £ * > £ * ), чем матрица, ограничивают свободное удлинение матрицы, что приводит к искажению поля деформации.
В зоне、- Рис 10.3. Схема деформации соединения волокна и матрицы разъединения (а), диаграмма распределения напряжения растяжения волокна и напряжение сдвига матрицы интерфейса-распределение волокна（ 259 градусов к волокну, удлиненность матрицы равна к эластичной удлиненности волокна 3). По мере увеличения нагрузки максимальное напряжение сдвига ограничивается пределом текучести матрицы t». Это значение тангенциального напряжения достигает расстояния y от конца волокна.
Полное использование армирующего действия волокна наблюдается тогда, когда напряжение в волокне не достигает предела прочности на растяжение^. Людмила Фирмаль
Критическое значение длины волокна определяется из уравнения равновесия волоконного элемента и матрицы: Откуда л/(ж;)=л/(2 ″ ВЧ/4(< ) , к=_d2 5л<’ Здесь D-диаметр армирующих волокон. Критическая длина волокна пропорциональна давлению разрыва волокна o j. Деформация композита под действием нагрузки, приложенной вдоль армирующих волокон, происходит в несколько этапов(рис. 10.4). На стадии I Матрица и волокна упруго трансформируются. Механические свойства Crj и£*определяются по формулам (10.1) и (10.2). На стадии II Матрица приводится в упругопластическое состояние, и волокна деформируются.-
Рис 10.4. Диаграмма растяжения волокна (J), Матрица (2) и однонаправленный состав волокна(3) Упругие руются. Модуль упругости в этом случае определяется по формуле: Здесь приведена скорость деформационного упрочнения матрицы. На III стадии прочность композиции резко снижается из-за разрушения хрупких волокон и матриц. Волокнистая композиция представляет собой замечательный анизотропный материал, механические свойства которого наиболее сильно зависят от угла ориентации 260 С. 10.5 зависимость прочности однонаправленного состава от приложенной нагрузки от угла ориентации волокна: 1-Матрица; 2-волокно Волокно против рабочей нагрузки(фиг. 10.5).
Недостатком является выбор материала детали с пространственными армирующими волокнами, сетки или проектирование части композиционного материала таким образом, чтобы нагрузка действовала вдоль армирующих волокон. Свойства поверхности раздела Матрица-волокно, главным образом адгезионное взаимодействие матрицы и волокна, определяют уровень свойств композиции и их стабильность в процессе эксплуатации. Границы, обеспечивающие передачу нагрузок от матрицы к волокнам, должны характеризоваться стабильностью свойств.
Адгезионные связи должны поддерживаться при воздействии напряжений, вызванных разницей температурных коэффициентов растяжения линии растяжения матрицы и волокон. Диффузионные процессы, химические реакции, растворение и новые фазы, часто образование интерметаллических соединений происходит на границах. С одной стороны, их образование повышает адгезию между матрицей и волокнами, а с другой стороны, снижает прочность волокон. Интерметаллические соединения являются уязвимой фазой, которая может разлагаться даже при незначительной деформации.
Обеспечивать Рис. 10.6 принципиальная схема трещин в Матрице (а), распространяющихся в композиции перпендикулярно волокнам (Б): 1-Матрица;2-волокно;3-трещина в Матрице; 4-матрица, вытянутая из Матрицы. Такая же сильная адгезия матрицы и армирующих волокон без взаимодействия сложно. На практике для улучшения адгезии на волокна наносят покрытие, а матрицу легируют. Определено разрушающее поведение межфазной поверхности (матричного волокна) в волокнистом композите. Трещины, образующиеся в матрице, многократно задерживаются на границах матрицы, в процессе распространения по ее поперечному сечению — Распространение трещины 261 волокна сопровождается разрушением границы раздела, вытягиванием волокон из Матрицы. 10.6).
Сопротивление распространению трещин при вытягивании волокон из Матрицы возникает в виде сил трения между волокнами и матрицей, а при разрыве границы-вытягивания волокон и разрушения связи между волокнами и матрицей. В композиции, состоящей из хрупкой матрицы и хрупких волокон, вязкость разрушения обеспечивается реализацией механизма разрушения путем вытягивания волокон (см. рис. 10.4). В композиционных материалах с хрупкой матрицей и эластичными волокнами, повышающими вязкость разрушения за счет увеличения диаметра, прочности и объемного содержания непрерывных волокон, в таких материалах необходим не только процесс вытягивания волокон,
но и процесс разрушения самого волокна. Когда межфазная прочность высока, волокно разрушается при достижении предельной деформации, определяемой открытием трещины. Сопротивление разрыву может быть увеличено за счет снижения прочности связи между волокнами и матрицей. В этом случае прочность композиции на сдвиг и растяжение в направлении, перпендикулярном волокну, снижается. Вязкость разрушения таких композиций возрастает, когда они упрочняются дисперсными волокнами (/<y, вытянутыми из Матрицы). Трещиностойкость композиции с использованием пластичной матрицы и хрупких армирующих волокон, диаметр волокон и их объемное содержание-несущее увеличение, а также прочность матрицы. J.
исследовано влияние прочности связи волокна с матрицей на характер распространения трещин в композитах Гордона и Джорджа. Показано, что боковое напряжение (Ah) действует вместе с растягивающим напряжением (PG) в передней части вершины трещины. Напряжение матрицы и границы волокон Ах при определенном соотношении между ними под действием возможного отрыва или разрушения.
Трещины в этом случае распространяются не по волокнам, а в направлении, перпендикулярном оси волокна (рис. 10.7). Это тормозит рост трещин в основном направлении, одна большая трещина превращается во множество мелких ответвлений трещин, которые могут разрушить материал в составе. В композиционных материалах критическая длина дефекта (трещины) определяется характеристиками волоконно-матричного граничного пучка, характеристиками периодического разрушения матрицы, характеристиками фрагментации Матрицы больше, чем у металла и сплава. При тех же условиях испытаний время и количество циклов разрушения композиционного материала больше, чем у металлов и сплавов.
Смотрите также:
