764
.pdfРАЗРУШЕНИЕ ВОЛОКОН КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ*
Опыты на одноосное растяжение проведены на композиционных ма териалах из алюминиевых сплавов АМг. Содержание волокон составляло 47 объемных процентов. Отжиг образцов длительностью от 0,5 до 500 ч. проводили в атмосфере очищенного аргона при температуре 300-580° С.
При разрушении материала, не прошедшего термической обработки, поверхность скола большинства волокон (60-70%) имеет две зоны, очаг разрушения находится на границе вольфрамовой сердцевины и борной оболочки или вблизи этой границы (рис. 8, а). Поверхность скола боль шинства (80%) волокон имеет две четко различимые зоны: линзообразное зеркало (место начала разрушения) у внешней поверхности волокна и зону
— дорыв с ручьевым узором (рис. 8, б).
Некоторое количество (15%) волокон термически обработанного композиционного материала разрушается в результате образования глубо кой трещины вдоль образующего вольфрамового сердечника, переходящей в поперечную трещину (рис. 8, в).
При разрушении отожженных композиций наблюдается значитель ное количество волокон, вытянутых из матрицы (рис. 8, г).*
Рис. 8. Типичные фрактографии разрушения волокон КМ АМг+-47 об. % В: в ис ходном состоянии (а) и после отжига при 500°С, т=100 ч. (б); 580°С, т=3 ч. (в); 580°С, т=2 ч. (г)
* Максимович Г.Г. Структурная стабильность композиционных материалов алюминий
— бор и алюминий — карбид кремния при повышенных температурах // Физико химическая механика материала. — 1979. — № 3. — С. 49-51.
ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦА ИЗ СТКЛОТЕКСТОЛИТА НА КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКОМ СВЯЗУЮЩЕМ ПРИ СЖАТИИ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 77^00 К*
Рис. 9. Характер разрушения образца в ин тервале 293-400 К
Рис. 10. Характер разрушения образца при 163 К
Рис. 11. Характер разрушения образца при 77 К
При сжатии образцов вдоль на правления армирования до различ ных уровней напряжений (вплоть до значений, близких к разрушающим) происходит соединение сущест вующих в материале микротрещин и образование макродефектов. Однако в зависимости от температурного режима испытаний это происходит по-разному.
При температурах 293-400 К микротрещины образуют макроде фекты в плоскости действия макси мальных сдвиговых напряжений, за счет соединения по ближайшему расстоянию поперечных трещин, лежащих по разные стороны арми рующей ткани. Развитие макроде фекта сопровождается частичным нарушением границы наполнителя (ткани) и связующего по направле нию действия максимальных сдви говых напряжений.
В диапазоне температур 1 GO293 К характер разрушения смешан ный, разрушение происходит как от сдвиговых, так и от нормальных на пряжений.
При температурах ниже 100 К направление развития трещины сов падает с направлением приложения сжимающей нагрузки и лишь на от дельных участках с направлением микротрещин, существующих в матрице исходного материала. Тре щины развиваются по границе раз дела компонентов материала и реже
— по материалу матрицы
* Эскин Э.А., Федчук В.К., Петров А.С., Кулезнев А.В. Прочность и особенности раз рушения стеклопластиков в интервале температур 77-400 К // Проблемы прочности. — 1988. — №8 . — С. 97-101.
ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦА ИЗ СТЕКЛОТЕКСТОЛИТА НА КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКОМ СВЯЗУЮЩЕМ
ПРИ РАСТЯЖЕНИИ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 77-400 К*
Испытания проводили на прямоугольных образцах длиной 210 мм и сечением 5x15 мм. В исходном состоянии материалу присуща система микротрещин, расположенных довольно регулярно с интервалом, соизме римым с толщиной армирующего слоя, и ориентированных по направле ниям основы и утка армирующей ткани. С уменьшением температуры зо на, охваченная расслоением, увеличивается. На границе раздела возникает концентрация местных напряжений, вызывающая локальные разрывы мат рицы и отрывы на границе контакта. В результате кромочного эффекта расслоение начинается на свободных кромках и в процессе нагружения продвигается к оси образца (рис. 12).
Цикличность температурного воздействия практически не оказывает влияния на характер разрушения. Однако прочностные и упругие характе ристики материала в результате циклического теплового нагружения из меняются.
Рис. 12. Характер разрушения образца в интервале 77-100 К (а), 100-293 К (б), 293^00 К (в;
* Эскин Э.А., Федчук В.К., Петров А.С., Кулезнев А.В Прочность и особенности раз рушения стеклопластиков в интервале температур 77-400 К //Проблемы прочности. — 1988 — № 8 — С 97-101
УСТАЛОСТНОЕ ПОВРЕЖДЕНИЕ СТЕКЛОПЛАСТИКА*
Образец: полиэфирная смола, армированная матами из рубленой стеклопряжи.
Нагружение: циклическое одноосное растяжение в направлении ар мирования.
Рис. 13. Поврежденность в форме расслаивания компози та с матами из рубленой пряжи и полиэфирной смолой после усталостного разрушения, произошедшего в другом сечении образца
Зона расслаивания на рис. 13 содержит мелко раскрошенный мате риал. Такого рода наблюдения могут быть основой для анализа причин эксплуатационных разрушений.
* Оуэн М Дж. Усталостное повреждение стеклопластиков // Композиционные материа лы. Т.5. Разрушение и усталость / Под ред. Л Браутмана, Р. Крока — М : Мир, 1978. — 476 с.
РАСТРЕСКИВАНИЕ МАТРИЦЫ ПЕРЕКРЕСТНО АРМИРОВАННЫХ СЛОИСТЫХ ПЛАСТИКОВ ПОД
ДЕЙСТВИЕМ УСТАЛОСТИ*
В слоистых пластиках, армированных в различных направлениях, трещина в однонаправленном слое под действием растягивающих нагрузок располагается параллельно волокнам. Плотность трещин возрастает с уве личением количества циклов нагружения, пока не достигается характерное поврежденное состояние.
При достижении трещиной поверхности волокна соседнего слоя воз никает резкое сопротивление росту трещины, что приводит к очень высо кому уровню напряжений на поверхности и вызывает разрушение волокон и отслоение матрицы (рис. 14).
Рис. 14. Микрофотография слоя с трещиной и микроскопиче скими отслоениями.
" Eggers Н., Goetting Н.С., Hartung W., Twardy H., Matrix cracking of cross-piy laminates under T-fatique and thermal loading // Lecture notes in engineering. Vol. 59. — P 168-177
Образец: слоистый материал, полученный в результате диффузион ной сварки пакета тонких фольг из алюминиево-магниевого сплава.
Рис. 15. Развитие усталостных трещин в монолитном (а) и слоистом (б) материалах
Развитие усталостного разрушения слоистого материала (рис. 15) от личается от разрушения монолитного развитием не одной, а целой системы усталостных трещин, что может приводить к повышению усталостной прочности в 1,2-1,4 раза.
а |
б |
в |
Рис. 16. Возможные ситуации при взаимодействии трещин с поверхностями раздела
Прочность границ раздела контролировалась временем диффузион ной сварки пакета фольг. При недостаточной прочности связи трещ№а, достигшая границы, отклоняется, вызывая расслоение фольг (рис. 16, а). Если трещина наталкивается на участок с прочной связью, она его переле зает (рис. 16, в). В случае оптимальной прочности связи трещина, дойдя до границы, попадает в ловушку и останавливается (рис. 16, б).*
* Овчинский А.С. Процессы разрушения композиционных материалов. — М.: ГОУка, 1988 — 278 с.
Исследования проводились на слоистых металлических композитах (СКМ) из высокопрочного алюминиевого сплава с прослойками мягкого алюминия АД1. Отношение пределов прочности материалов мягкой про слойки и высокопрочного слоя составляет примерно 0,16. Изготовлено три плиты с объемным содержанием прослоек мягкого алюминия 4% — СКМ (В), 11,5% — СКМ (Г), 17,5% — СКМ (Д). Каждая плита состояла из пяти слоев основного металла (В95) и четырех прослоек АД1.
Усталостную прочность исследовали при поперечных изгибных ко лебаниях стержней в резонансном режиме. Испытания проводили при по стоянных относительных деформациях, измеряемых по датчику.
Рис. 17. Характер разрушения образцов из композитов СКМ (В) — а, СКМ (Г) — б и СКМ (Д) — в при высокочастотных изгибных колебаниях
Наблюдается значительное расслоение по границам раздела высоко прочный слой — мягкая прослойка — высокопрочный слой (рис. 17).*
* Брызгалин Г.И., Цветков Д.И. Оценка качества слоистых металлических материалов по высокочастотной выносливости и демпфирующей способности // Проблемы прочно
сти _ 1989. — № 12. — С. 36-40.
ЦИКЛИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ ОБРАЗЦА ИЗ БОРОАЛЮМИНИЯ*
Образец из бороалюминия подвергался циклическому нагружению (число циклов 4х 104) при изгибе с вращением.
Рис. 18. Рад разрушенных волокон в бороалюминии:
а — при циклическом нагружении; б — трещины, возникающие при разрушении воло кон и обходящие неповрежденные волокна
Разрушение начинается с разрыва одного или двух волокон, после чего происходит прогрессирующее разрушение близлежащих волокон. Ус талостное повреждение в таком материале заключается в разрушении во локна, разрушении соседних волокон из-за нагрузки, переданной посред ством матрицы, разрушении мостика матрицы. Волокна разрушаются не из-за трещины в матрице, а из-за передачи нагрузки матрицей от разру шенного волокна к неразрушенному (рис. 18).*
* Бюнсель АР. Природа роста трещин в композитных материалах // Разрушение компо зиционных материалов — Рига: Зинатне, 1979 — С. 208-214.
СТРУКТУРА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ У ВЕРШИНЫ ТРЕЩИНЫ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ*
Проведены испытания плоских образцов с боковым надрезом при циклическом нагружении с параметрами: сгщах = (0,5-0,9) аод, f = 0,5 Гц, коэффициент асимметрии 0,1. Образцы выполнены из стали 12Х18Н10Т.
Рис. 19. Структура пластической зоны у вершины трещины при малоцикловом на гружении
Методами рентгенострукгурного и металлографического анализа выявлены три области структурных изменений пластической зоны: 1 — область предразрушения (размер области от вершины трещины 0,1 мм не зависимо от длины усталостной трещины L); 2 — область интенсивных структурных изменений (плотность структурных дефектов не зависит от L, длина области увеличивается с возрастанием L, граница фронтальной части области близка к окружности); 3 — область монотонных структур ных изменений (постепенное уменьшение плотности структурных дефек тов) (рис. 19,20).
б
Рис. 20. Области структурных изменений пластической зоны: а — область интенсив ных структурных изменений; б — область монотонных структурных изменений
* Дорошенко С.П, Нижник С.Б., Островская В.П. Структура пластической зоны у вер шины трещины и долговечность стали при малоцикловом нагружении // Проблемы прочности. — 1993. — №8. — С. 23-31.
Образцы испытывались с целью изучения поведения композитов бор-сталь-алюминий в условиях усталостного разрушения. В качестве мат рицы в композитных образцах были использованы алюминиевые сплавы Д-16, которые вводились в заготовку в виде фольги.
Механизм усталостного разрушения композита зависит не только от состояния поверхности раздела волокно — матрица (в описанных экспе риментах в пределах каждой серии опытов оно было неизменным), но и от объемного содержания волокна и способа получения композита (рис. 21).
Рис. 21. Образцы композитов после испытаний в плоскости листа (П) и в плоскости нормальной к поверхности листа, в направлении волокна (НП): а — В-А1ф; П; Vf=0,09 о=26 кгс/мм2; V*=4,8 •106; б — В-А1ф; П; 0,09; 25 кгс/мм2; 2,35 * 10б; в — В-А1ф; НП 0,09; 26 кгс/мм2, 4,8 •10б; г - В-А!*; П; 0,53* 112 кгс/мм2; 8,2 *103
* Милейко С.Т., Анищенков В.М. Особенности усталостного разрушения волокнистых композитов с металлической матрицей // Механика композитных материалов. — 1980.
— № 3. — С. 409-416.