7. Слоистые композиционные материалы и их классификация.

Слоистыми композиционными материалами называют такие материалы, структура которых состоит из набора чередующихся двумерных армирующих компонентов – слоев, жестко связанных между собой по всей поверхности. Слои, в зависимости от их толщины, можно классифицировать как: листы (или пластины) – (толщина 1 – 10 мм и более), фольги - ( толщина 0,05 – 1 мм) и пленки - (толщина 10^-3 – 0,05 мм).

Слоистая структура композита (рис.7.1 б) может быть представлена как набор в объеме изотропного однородного материала (рис.7.1 а) поверхностей (П₁ – П₅), локальная прочность которых меньше прочности исходного изотропного материала. При этом, слои (С₁ – С₅), связанные по поверхностям (П₁ – П₄), однородны и изотропны.

По структурному признаку слоистые композиционные материалы можно разделять как анизотропные (у них свойства в направлении осей х,у,z – отличны) (рис. 7.1 б) и квази – изотропные (рис.7.2). Квази–изотропные слоистые композиты составлены из хаотично-ориентированных слоистых ячеек (1). Внутри этих ячеек свойства в направлении осей х; у; z – отличны, а в целом, в объеме всего материала, можно считать, что свойства в направлении этих осей (средне – статистически) – одинаковы.

В слоистых композитах чередующиеся слои могут быть выполнены из одного и того же материала (химический состав слоев – одинаков), либо – из различных (химический состав слоев – разный). В первом случае прочность связи по границе раздела слоев АА (рис. 7.3 а) обеспечивается за счет диффузии атомов вещества А через границу раздела ( имеет место процесс самодиффузии) в

процессе термической обработки при получении композита. Во втором случае прочность связи между слоями обеспечивается за счет образования новых соединений по границе их раздела – продуктов реакции между соседними слоями (А+ВАВ; В+СВС; С+АСА), в результате гетеродиффузии.

7.1. Физические основы торможения разрушения в слоистых композиционных материалах.

Торможение разрушения в слоистых композиционных материалах достигается посредством реализации следующих основных механизмов: затупление вершины трещины, расслоение композита, а также изменение траектории трещины и ее ветвление.

Механизм затупления вершины трещины. Трещина (1), зародившаяся в слое (рис. 7.4 а), имеет весьма малый радиус кривизны вершины (¹), соизмеримый с расстоянием между атомами в кристаллической решетке (порядка 10^-10 м = 0,1 нм). Это становится понятным, если процесс разрушения представить как акты последовательного разрыва межатомных связей при распространении трещины. Развитие такой «острой» трещины возможно только до межслойной границы (2) (рис. 7.4 б). Вблизи от нее, в результате действия сдвиговых напряжений (_сд) у вершины трещины, происходит локальное расслоение сдвигом. Область локального расслоения (3) становится вершиной трещины с радиусом (²  10^-4 – 10^-5 м), который на несколько порядков больше, чем у распространяющейся в слое «острой» трещины. В результате моментального увеличения радиуса кривизны вершины

трещины - ²  ¹ (это и есть так называемое ее «затупление») происходит резкое падение концентрации напряжений и остановка разрушения (напомним, что концентрацию напряжений у вершины трещины можно оценить при помощи зависимости Инглиса: К=_m/2(l/)^1/2 , К – коэффициент концентрации напряжений, _m – напряжение у вершины трещины,  - приложенное напряжение, l – длина трещины,  - радиус кривизны вершины трещины). Прочность композита с существующей в нем, но остановленной и затупленной трещиной, достаточно высока. Этим механизмом пользуются для торможения разрушения в монолитных металлических конструкциях, высверливая в них отверстия определенного диаметра. Тогда, распространяющаяся трещина при достижении отверстия останавливается, так как отверстие становится ее затупленной вершиной.

Механизм расслоения. При выходе трещины (1) на межслойную границу (2) может произойти отрыв слоев по этой границе, тогда расслоение будет нелокализованным и разрушение произойдет вследствие распространения продольных трещин (3) (рис. 7.5). При этом границы вскрываются. В данном случае энергия трещины затрачивается на работу по разрушению связи между слоями. Отметим, что механизмы затупления вершины трещины и расслоения могут проявляться одновременно, либо последовательно. Они зафиксированы, например, при усталостном разрушении слоистых композитов из сплава Al-Mg (6%масс) (рис. 7.6) и сталь - алюминиевого композита (рис. 7.7), полученных диффузионной сваркой.

Механизм изменения траектории трещины. Представим некую нагруженную слоистую конструкцию (1) в слое которой, в

точке А, зародилась трещина (рис. 7.8 а). Она будет распространяется до межслойной границы (3), после этого произойдет «вскрытие» границы в результате нелокализованного расслоения. Траектория трещины, определяемая углами (₁₄) между направлением приложенных растягивающих напряжений (_p) и распространения трещины, непрерывно меняется (рис. 7.8 б). Последовательное изменение ориентации фронта трещины (₁₂ ₃ ₄) требует дополнительных затрат энергии развивающейся трещины. В результате исчерпание энергии упругой деформации, запасенной в объеме изделия, может наступить даже раньше, чем трещина развернется на 180. Тогда произойдет остановка трещины на межслойной границе.

Аналогично механизм торможения разрушения реализуется при закручивании развивающейся трещины в спираль (рис. 7.9). В этом случае энергоемкость разрушения существенно возрастает.

Механизм ветвления трещины. В соответствии с этим механизмом трещина, зародившаяся в () I, выходит на межслойную границу и движется магистрально до () II, где имеет место стык нескольких границ раздела. В () II происходит ветвление трещины, то есть начальная трещина М распадается на несколько ветвей (V₁-V₄), образуя вторичные трещины (рис. 7.10). Акт ветвления сопровождается резким снижением скорости трещин (иногда от 2000 м/с – при динамическом нагружении – до полной остановки).

С «энергетической» позиции механизм ветвления приводит к торможению трещин за счет резкого возрастания поверхности разрушения. Ясно, что для продолжения разрушения требуются дополнительные затраты энергии, обеспечивающие движение трещин (V₁-V₄).

С «силовой» позиции торможение и остановку разрушения при реализации этого механизма можно объяснить следующим образом. Коэффициент интенсивности напряжений в вершине движущейся магистральной трещины превышает его критическое значение ( ), при котором произошел старт трещины. После акта ветвления образуются вторичные трещины (V₁ – V_n), тогда для этого случая можно записать:

.

То есть, напряжения, действующие в вершине магистральной трещины, перераспределяются после акта ветвления по вершинам новых образовавшихся вторичных трещин. Однако, интенсивности напряжений в вершинах отдельно взятых вторичных трещин не достаточно для их продвижения:

.

Это условие означает остановку продвижения трещин и собственно разрушения.

Все рассмотренные выше механизмы торможения разрушения могут одновременно реализоваться в квазиизотропном слоистом композите, состоящем из хаотично ориентированных слоистых ячеек (рис. 7.11). На рис. 7.12 показана структура такого композита состава – корунд /хром, полученного методом горячего прессования.