5.7. Физические основы торможения разрушения в дисперсноупрочненных композиционных материалах «хрупкая матрица – пластичный наполнитель».
Процесс разрушения таких композитов условно можно разделить на две стадии. На первой стадии в ходе нагружения сначала инициируется хрупкое разрушение в матрице вследствие повышенной концентрации напряжений на микронеоднородностях ее структуры: микропорах, границах зерен, крупных неравноосных зернах (более подробно особенности разрушения хрупкой матрицы описаны в разделе 3.4). При достижении некоторого критического уровня напряжений (с) происходит старт трещины. Это основное отличие от начальной стадии разрушения композитов «пластичная матрица – хрупкий наполнитель», в которых имеет место зарождение трещины в матрице по дислокационному механизму. Здесь важно отметить, что дислокации в кристаллической решетке хрупкой керамической матрицы существуют, но механизм их торможения на каких либо дисперсных включениях не может реализоваться, так как они неподвижны. Для их движения требуется очень высокое напряжение, существенно превышающие значение с. Последнее является следствием очень высокой энергии ионно-ковалентной связи атомов в кристаллической решетке, в отличие от металлического типа связи, присущего атомам металлической матрицы в композите «пластичная матрица – хрупкий упрочнитель».
На второй стадии распространяющаяся трещина взаимодействует с пластичными металлическими частицами (1): у ее вершины по длине фронта (5) действуют максимальные напряжения, которые приводят к деформации, удлинению и разрыву металлических частиц (рис.5.21 а). Движение трещины происходит
rd
р
а
c
р
3
р
1
2
4
2
р
В
4
3
б
Вид В
3
3
3
3
2
2
2
2
5
1
1
1
Рис. 5.21. Иллюстрация процесса торможения разрушения в дисперсноупрочненных композиционных материалах «хрупкая матрица – пластичный наполнитель».
1 – металлические частицы перед фронтом трещины (5); 2 – «мостики связи» образованные деформированными металлическими частицами; 3 – разрушенные металлические частицы; 4 – берега трещины; rd – длины зоны мостиков связи; р – растягивающие напряжения.
вследствие непрерывно действующего растягивающего напряжения р, приложенного к берегам трещины (4). При этом, работа разрушения (F) данного композита существенно возрастает по сравнению с таковой характеристикой для неармированного материала (матрица без дисперсных включений пластичных металлических частиц). Это происходит за счет затрат энергии трещины на работу пластической деформации всех частиц, попадающих во фронт трещины (рис. 5.21 б). В результате сопротивление развитию трещины повышается, поскольку ее берега перекрываются «мостиками связи», образованными определенной долей металлических частиц (2), имеющих различную степень деформации в результате раскрытия трещины. Разрушенные частицы (3) остаются внедренными по образующейся поверхности излома матрицы. Очевидно, чем больше протяженность зоны «мостиков связи» rd (она оценивается как расстояние от вершины трещины до первой разрушенной металлической частицы), тем выше трещиностойкость композита на стадии распространения разрушения. Можно также представить, что усилия, затрачивающиеся на деформацию металлических частиц по длине зоны перекрытия берегов трещины, эквивалентно приложению распределенной внешней нагрузки, препятствующей раскрытию ее берегов (на рис.5.21а эта нагрузка обозначена стрелками).
Согласно теоретическим представлениям приращение трещиностойкости Кс в результате образования зоны мостиков связи оценивается следующим образом:
где т – напряжение течения металлических частиц; - объемная доля металлических частиц; - коэффициент, равный 3.
Анализируя это соотношение можно понять, что при проектировании композита «хрупкая матрица – пластичный наполнитель» с повышенной трещиностойкостью (на стадии развития разрушения) следует выбирать металлические частицы с высоким уровнем т, обеспечивая максимально возможную величину rd при некотором оптимальном значении .