Механика композитных материалов 6 1980

этом в процессе разрушения образца не всегда наблюдался разрыв во­ локон, уложенных под углами ±45°. При угле растяжения а = 45° пара­ метр ip = 3/8, и разрыв волокон происходил по всему сечению образца.

При растяжении композитов II группы значения предельных напря­ жений, соответствующие углам испытаний, исходя из (1), (2), получа­

ются следующими: сгх*= ^ р , когда а = 0°, и охх= у -, когда а = 45° Их

отношение охх°°/охх 45°=6 несколько отлично от отношения эксперимен­ тальных значений (см. табл. 1), меняющегося в пределах 4,2—4,7. При­ чину указанного различия этих отношений следует отнести к различ­ ному характеру разрушения образцов.

Как видно из рис. 3—а, при растяжении композитов под углом а = 0°

В последнем случае разрушение матрицы из-за скола происходило при недогруженности волокон осевого направления до их предельного значения прочности в среднем на 25%. Волокна слоев, ориентированных под углом 45°, при этом целиком исключались из работы. Вследствие сказанного, перераспределение нагрузки на осевой слой с малым содер­ жанием волокон тотчас приводило к потере несущей способности об­ разца. С увеличением объема осевых волокон, как следует из приведен­ ных данных при растяжении углепластиков I группы под углом а = 0° (см. табл. 1), подобное перераспределение напряжений при сколе в меньшей степени повлияло на снижение несущей способности образца.

В этой связи необходимо отметить, что при растяжении образцов-по­ лосок, в отличие от оболочек вращения и плоских образцов с криволи­ нейной (типа гиперболической выточки) границей, передача усилий на волокна, ориентированные под углом к оси образца происходит лишь через матрицу. Поэтому при выходе из работы матрицы несущая спо­ собность образца полностью определяется волокнами осевого направле­ ния. Эту специфику разрушения плоских образцов-полосок, обусловлен­ ную исчезновением с разрушением матрицы механизма перераспределе­ ния напряжений на неосевые слои, следует иметь в виду при дальнейшем анализе предельных напряжений.

чения предельных напряжений, определенные по формулам (1), (2) для двух групп материалов, совпадают с ранее рассчитанными величинами при испытаниях под углом 45°. Минимальная величина предельной на­ грузки определяется разрывом волокон слоев, уложенных под 45° Кроме того, волокна, ориентированные под углом 90° к направлению растяже­ ния, согласно расчету оказываются сжатыми. Важно отметить, что экс­ периментальные значения предельных напряжений при этом угле испы­ таний для всех рассмотренных схем армирования углепластиков полу­ чены существенно заниженными (см. табл. 1) по сравнению с их расчет­ ными значениями. Полученные данные испытаний для о Хх фиксирова­ лись при расслоении материала образца (рис. 4).

В процессе нагружения под углом а = 90° удается визуально наблю­ дать появление трещин на боковой грани образца. Возникновение их происходит в средней области по толщине образца при нагрузках, со­ ставляющих 0,7—0,8 от предельно достигнутых. С увеличением нагрузки происходит прорастание трещин между слоями вплоть до наружных. После этого нагрузка плавно падает до уровня 0,5—0,6 РтахПри по­ вторном растяжении нагрузка постепенно снижается и окончательное разрушение образцов происходит путем расслаивания между моно­

слоями, ориентированными под углом 90°; при этом явного разрыва во­ локон не наблюдалось.

Иной механизм разрушения, вызванный расслоением материала, повидимому, и обусловливает столь низкие значения предельных напряже­ ний (табл. 1). С нарушением межслойных связей ослабевает передача усилий на волокна. И поскольку все волокна не соосны направлению на­ гружения, дальнейший механизм разрушения обусловлен в основном развитием повреждений матрицы как по толщине образца, так и в плос­ кости укладки волокон.

Как видно из анализа полученных данных, предельные нагрузки для всех рассмотренных углепластиков с тремя углами армирования и харак­ тер их -разрушения существенно зависят от доли волокон, уложенных в направлении главного напряжения оХх■Критерий разрушения таких ма­ териалов по условию разрыва волокон монослоя оказывается работоспо­ собным при плоском напряженном состоянии только для определенных соотношений толщин слоев и углов их ориентации в плоскости компо­ зита. Расчетный путь поиска этих структурных параметров пока не пред­ ставляется достаточно очевидным.

В этой связи необходимо отметить, что небольшие углы отклонения направлений армирования трехнаправленного углепластика могут при­ вести к существенному изменению несущей способности материала при растяжении. Как видно из сравнения приведенных данных для шестой схемы армирования углепластиков I группы (см. табл. 1), отклонение в ориентации волокон средних слоев на 12° от направления нагружения привело к снижению предельных напряжений на 50%. Эти данные отме­ чены звездочкой. По той же причине получено изменение предельного напряжения при растяжении углепластиков со второй схемой армирова­ ния. В последнем случае угол разориентации волокон средних слоев к направлению нагружения изменялся от 0° до 7° Причины столь сущест­ венного изменения предельных нагрузок от малого угла отклонения во­ локон недостаточно изучены и обусловлены, очевидно, изменением меха­ низма разрушения слоистого композита. Переход к сдвиговому харак­ теру разрушения однонаправленного композита при отклонении волокон на 10° от направления растяжения отмечался ранее [3]. Этот малый угол являлся критическим в том смысле, что при нем для заданных упругих свойств однонаправленного углепластика достигался относительный мак­ симум сдвиговой деформации, причем последняя на порядок превосхо­ дила деформацию растяжения вдоль и поперек волокон.

Необходимо также заметить, что следующая причина изменения прочности рассмотренных углепластиков со второй и шестой схемами армирования может быть обусловлена различной последовательностью укладки слоев по толщине материала. Концентрация напряжений у боко­ вых граней композита вблизи среза слоев послужила в [4] причиной для объяснения изменения прочности при растяжении углепластиков с раз­ личной последовательностью укладки слоев. Это различие в значениях прочности по данным [4] не превышало 16— 18%. В этой связи было про­ ведено контрольное испытание на растяжение образцов со схемой арми­ рования [(45°/ — 45°)з/0О2]а. Предельные напряжения оказались несколько меньшими по сравнению с соответствующими значениями для мате­ риала, армированного по первой и второй схемам, однако их различие не превышало 10%. Таким образом, более вероятная причина измене­ ния значений прочности при растяжении углепластиков со схемами ар­ мирования 1-2, 2* и 1-6, 6* обусловлена разориентацией волокон при ма­ лом угле их отклонения от направления нагружения.

Характер разрушения исследованного слоистого углепластика со схемами армирования 1-2 и 1-2* представлен на рис. 5. Как видно, при строгом выдерживании направления ориентации волокон средних слоев под углом 0° (см. рис. 5—а) разрушение происходило по сечению об­

)