3.2.3 Характеристики прочности и виды разрушения

однонаправленного слоя при простых напряженных

состояниях

Прочность однонаправленного слоя при простом напряженном состоянии представляет собой напряжение, при независимом действии которого слой разрушается. Будем понимать под слоем пластину малой толщины по сравнению с ее размерами в плоскости. Для однонаправленного слоя (рис. 3.17) можно выделить пять значений прочности:

- прочность при растяжении вдоль волокон;

- прочность при сжатии вдоль волокон;

- прочность при растяжении поперек волокон;

- прочность при сжатии поперек волокон;

- прочность при сдвиге в плоскости слоя.

Рис. 3.17 Характеристики прочности однонаправленного слоя

Виды разрушения слоя

Растяжение вдоль волокон

Как показали анализы разрушения слоя под действием продольной нагрузки, возможны несколько (три и более) видов разрушения (рис. 3.18):

а) хрупкий;

б) хрупкий с вытаскиванием волокон;

в) обусловленный сдвигом матрицы между волокнами и нарушением адгезионного взаимодействия волокно-матрица (т.е. появлением расслоения).

а б в

Рис. 3.18 Виды разрушения при продольном растяжении [13]:

а - хрупкое; б - хрупкое с вытаскиванием волокон;

в - обусловленное сдвигом матрицы и расслоением

На прочность и вид разрушения слоя влияют большое количество факторов, таких как:

- объемные доли волокон и матрицы;

- размер и число пор;

- распределение волокон;

- упругие и прочностные свойства волокон и матрицы;

- прочность адгезионного взаимодействия на границе волокно- матрица;

- напряженное состояние в слое, вызванное приложенной нагрузкой;

- технологические параметры процесса получения слоя.

При высокой адгезионной прочности между матрицей и волокнами и низком содержании волокон наблюдается хрупкое разрушение. Слои со средним объемным наполнением волокном (40  60 %) разрушаются хрупко с вытаскиванием волокон. При высокой объемной доле волокон (более 65%) слои разрушаются с нарушением связи между волокнами и матрицей с вытаскиванием волокон, расслаиванием. Провести четкие границы между видами разрушения невозможно из-за влияния вышеперечисленных факторов на прочность и вид разрушения.

Продольное сжатие

Разрушение при продольном сжатии может происходить в различных формах, которые показаны на рис.3.19:

- микровыпучивание волокон при упругом или пластическом состоянии матрицы;

- микровыпучивание волокон после нарушения адгезионной связи

между ними и матрицей;

- расслаивание;

- выпучивание слоя;

- сдвиговое разрушение слоя;

- разделение слоев из-за поперечного растяжения в направлении

толщины слоя (поперечное расслаивание от растяжения).

Микровыпучивание волокон при упругих напряжениях в матрице возникает в слоях с весьма малой объемной долей волокон. Переход матрицы в пластическое состояние и отслаивание волокон от матрицы возникает, как правило, при объемной доле волокон   0,4.

Экспериментальные данные по продольному сжатию показывают, что слой не может выдерживать достаточно высокую сжимающую нагрузку, чтобы достигнуть полной прочности. При разрушении слоя от сжимающей нагрузки напряжение в волокнах значительно меньше их ожидаемой прочности на сжатие.

Рис. 3.19 Формы разрушения при продольном сжатии:

а - микровыпучивание; б - отслаивание волокна от матрицы;

в - выпучивание слоя; г - сдвиговые разрушения

Поперечное растяжение

При поперечном растяжении наблюдаются такие виды разрушения, как разрыв матрицы (рис. 3.20), расслаивание, расщепление волокон и комбинации перечисленных видов разрушения.

Рис. 3.20 Разрушение при поперечном растяжении

Поперечное сжатие

Под действием поперечных сжимающих напряжений могут осуществляться следующие виды разрушения слоя (рис. 3.21):

- разрушение матрицы от сжатия;

- сдвиговое разрушение матрицы;

- сдвиговое разрушение матрицы, расслаивание и раздавливание волокон.

Рис. 3.21 Сдвиговое разрушение матрицы при поперечном

сжатии

Сдвиг в плоскости слоя

Действие касательных напряжений в плоскости слоя вызывает следующие виды разрушения слоя (рис. 3.22):

- сдвиговое разрушение матрицы;

- расслаивание;

- сдвиговое разрушение матрицы и расслаивание.

Рис. 3.22 Схема разрушения при сдвиге:

а - неразрушенный слой; б - разрушенный слой

Предсказания прочности однонаправленного слоя

при одноосном нагружении

Прочность однонаправленного слоя является функцией физико-механических характеристик компонент композита, характеристик процесса изготовления, характеристик взаимодействия армирующей и матричной компонент, а также напряженного состояния в слое, вызванного внешней нагрузкой и технологическими напряжениями, возникающими в процессе изготовления изделия.

Перечислим основные из них:

- объемная доля и распределение волокон;

- объемная доля матрицы;

- наличие, размер и распределение пор;

- упругие и прочностные характеристики волокон и матрицы во всем диапазоне температур изготовления изделий;

- характеристики процесса изготовления изделий (температура, давление при отверждении, продолжительность);

- адгезионное взаимодействие на границе волокно-матрица;

- технологические напряжения в компонентах и на границах;

- напряженное состояние от внешней нагрузки.

Конкретизировать вид функций, влияющих на прочность, задача не из простых, но реализуемых. В дальнейшем используются значительно упрощенные математические модели, которые довольно грубо аппроксимируют предсказание прочности, но позволяют проанализировать вклад основных характеристик компонент композита.

Теоретические методы определения прочности однонаправленного слоя при одноосном нагружении базируются на трех основных методах:

- инженерных методах, базирующихся на гипотезах сопротивления материалов;

- методах классической теории упругости, конечных элементов и механики разрушения;

- статистических методах, учитывающих статистический разброс прочности волокон.

В дальнейшем теоретическое определение прочности при различных видах деформаций будет базироваться на инженерных методах.

Математическая модель метода основана на допущениях, принятых для модели при определении упругих характеристик однонаправленного слоя. Считаем также, что напряженное состояние слоя при любых условиях нагружения считается ограниченным линейной областью его диаграммы напряжение - деформация, т.е. слой обнаруживает линейное поведение до разрушения.