книги из ГПНТБ / Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами

Значение еобщ определяется по уравнению, аналогичному (2.7),

(2.14)

При степенном законе упрочнения

Здесь т также зависит от материала матрицы.

Условный предел упругости армированного материала может быть определен и экспериментально графическим методом по диаг­ рамме растяжения. При этом по оси деформации следует откладывать значение

(2.15)

В табл. 10 приведены величины пластической деформации в за­ висимости от объемного содержания волокон, которую необходимо вызвать в композите при растяжении, чтобы после разгрузки вели­ чина остаточной деформации соответствовала 0 ,2 % при определении условного предела текучести и 0,05% при определении условно­ го предела упругости. Значения пластической деформации для исследуемых композиций определялись по уравнениям (2 .6 )

и(2.15).

Вобщем случае епл является гиперболической функцией объем­ ного содержания волокон, что видно из уравнений (2.6) и (2.15), при условии, что величина деформации сжатия матрицы волокнами не выходит за пределы упругой деформации. Расчет сжимающих на­ пряжений по уравнению (2.4) для определения о , і 2 показывает, что для композиций САП-1 — стальная проволока с объемным содер­ жанием волокон до 36% матрица претерпевает только упругую сжи­ мающую деформацию. При больших объемных содержаниях волокон сжимающие напряжения в матрице превышают ее предел текучести.

Вэтом случае для определения условного предела текучести необ­ ходимо брать значение напряжения в матрице а'т, вызываемого сжа­ тием матрицы волокнами, и соответствующее ему значение деформа­

ции из диаграммы напряжение — деформация при сжатии матрицы с учетом эффекта Баушингера.

Из табл. 13 следует, что величина пластической деформации, которую необходимо создать в композиции при ее растяжении для получения после разгрузки остаточной деформации 0,2 или 0,05% при объемном содержании волокна 25,4% увеличивается вдвое, а при Vf = 35,6% — более чем в 2,5 раза по сравнению с однородным материалом.

На рис. 42 представлены результаты исследований характера изменения условного предела текучести композиций в зависимости от объемного содержания волокон, а на рис. 43 — условного предела

118

Рис. 42. Зависимость а £ 2 (/) и ^0СЛҢ С (2) композиции от объемного содержания

проволоки

Рис. 43. Зависимость условного предела упругости композиций от объемного

содержания проволоки

упругости. Значения условных пределов текучести и упругости по­ лучены по диаграммам растяжения а — е с учетом величин пласти­ ческой деформации, приведенных в табл. 13. На рис. 42 показана также зависимость удельного условного предела текучести а0 ,2 с/ /ус от объемного содержания волокон.Это одна из важнейших харак­ теристик материалов. Максимальное значение условного предела текучести 118 кГ/мм2 и удельного условного предела текучести 25- ■10° мм получено на композиции с 35,6 об.% волокон.

С ростом объемного содержания волокон условный предел теку­ чести композиций, в отличие от предела прочности, растет не по линейному закону, а по кривой. Это объясняется тем, что с ростом объемного содержания, как было показано, растет и пластическая деформация, до которой необходимо довести композит при растяже­ нии, чтобы получить после разгрузки остаточную деформацию 0 ,2 %, а следовательно, растут и напряжения в волокнах.

119

Аналогичная картина наблюдается и для зависимости условного предела упругости cr0 j 0 5 от объемного содержания волокон (см.

стали У9А.

Экспериментальные значения условных пределов текучести и упругости хорошо согласуются с аналитически рассчитанными по предложенным уравнениям.

Б. Влияние ориентации волокон на прочность

ипластичность композиций

Волокнистые композиционные материалы обладают резкой ани­ зотропией прочностных свойств. Они весьма прочны при действии на­ грузки вдоль волокон; при растяжении материалов поперек волокон прочность их определяется лишь прочностью матрицы. Однако в применяемых на практике конструкциях не всегда можно создать та­ кую схему напряженного состояния, чтобы нагрузки действовали только в направлении волокон. Поэтому необходимо знать, как из­ меняются прочностные свойства композиций с изменением угла ори­ ентации волокон.

В данной работе исследовалось влияние ориентации волокон на прочность композиций, армированных в одном и двух взаимно пер­ пендикулярных направлениях непрерывными волокнами из сталь­ ной проволоки и ленты. Испытания проводились на образцах пря­

На рис. 44 представлена зависимость предела прочности компо­ зиции от угла ориентации волокон. Объемное содержание проволоки в композиции составляло 9,7%. Представленные результаты явля­ ются средними из испытаний 4—5 образцов для каждого угла ори­ ентации.

При изменении угла между направлением волокон и направле­ нием приложения нагрузки от 0 до 25° предел прочности компози­ ции медленно снижается от 43 до 37 кГ!мм2, затем при угле 30° резко падает до 29 кГ/мм2. При увеличении угла от 30 до 90° предел прочности плавно снижается до минимального значения

24,6 кПмм2.

Такой характер изменения прочности композиций объясняется изменением механизма разрушения композиции в зависимости от угла ориентации проволоки. При значениях угла отОдо 25° матрица пластически деформируется вдоль волокна и разрушение компози­ ции происходит вследствие разрушения волокон, которые вносят

120

свой вклад в ее прочность. Начиная от угла 30 и до 90° разрушение композиции наступает вследствие разрыва матрицы вдоль поверх­ ности раздела между волокном и матрицей. В этом случае прочность композиции определяется только прочностью материала матрицы и длиной площадки, по которой происходит разрушение. Поэтому прочностй композиции при ф = 30° значительно отличается от проч­ ности композиции в интервале углов 0—25°. С изменением угла ориентации проволоки от 30 до 90° длина площадки, по которой происходит разрушение матрицы, постепенно уменьшается, что и приводит к постепенному падению прочности.

На рис. 45 приведены фотографии образцов после испытания на растяжение, иллюстрирующие изложенные изменения в механизме разрушения композиций.

<э., иГ/мм2

Рис. 44. Влияние ориентации проволоки иа предел прочно­ сти однонаправленной ком­ позиции

0 15 30 45 60 75 у>,град

Характер разрушения композиции при углах ориентации 20 и 25° является переходным от разрушения ее вследствие разрыва во­ локон к разрушению, связанному с разрывом матрицы по границе раздела волокно — матрица (см. рис. 45, г). В этом случае происхо­ дит и разрушение волокон, и разрушение матрицы по границам раз­ дела волокно — матрица.

При испытании на растяжение композиций с двумя слоями про­ волоки, расположенными во взаимно перпендикулярных направле­ ниях и разделенными один от другого слоем материала матрицы, вы­ резались образцы под углом 0, 5, 10, 15, 30 и 45° к направлению во­

121

Рис. 45. Рентгеновские снимки образцов с различной ориентацией волокон после

разрушения при растяжении

а — Ф = 5°; б — ф = 10°; в — <р t=' 5°; г — ч> — 00°; â — ф = 30°; е — ф = 60°

В данном случае при изменении угла от 0 до 30° происходит по­ степенное падение предела прочности. Композиция разрушается за счет разрыва материала матрицы вдоль одной из границ раздела между матрицей и проволокой, расположенной под углом (90° — ф) к направлению растягивающего усилия, и за счет разрушения

слоя проволок, расположенных под углом ф к растягивающему усилию.

122

Таким образом, слой проволок, расположенных под углом (90° — •— ср) не вносит вклада в прочность композиции и, являясь концент­ ратором напряжений, предопределяет разрушение матрицы в этом направлении. При дальнейшем увеличении ф механизм разрушения композиций меняется. При ф = 45° происходит разрыв одного из наружных слоев матрицы под тем же углом и затем сдвиг его с про­ волокой по границе раздела с внутренним слоем матрицы, который

Рис. 46. Влияние ориентации проволоки на предел прочности композиции с двумя слоями про­ волоки, расположенной под уг­ лом 90°

после некоторой пластической деформации разрушается (рис. 4 7 , г). Ни в том, ни в другом слое разрушения волокон не происходит (либо разрушаются только отдельные проволоки); поэтому предел проч­ ности композиции определяется только прочностью матрицы и резко падает. Однако общее удлинение до разрушения при ф = 45° более чем в 2 раза увеличивается по сравнению с ф = 0° (см. табл. 14). Несмотря на то что в композите образовалась трещина из-за разры-

Ряс. 47. Рентгенозскме снимки образцов двухиаправленнон композиции после разрушения при растяжении

а —Ф = ю°; б —ф = 15°; в— 30°; г —Ф = 45°

123

ва одного из слоев матрицы, композит продолжает деформироваться в результате сдвига слоев матрицы и волокон друг относительно друга и выдерживать определенную нагрузку, что и приводит к зна­ чительному увеличению полного удлинения до разрушения, а сле­ довательно, и энергоемкости материала.

Анизотропия свойств композиций, армированных стальной лен­ той. Для исследования анизотропии композиционных материалов, армированных лентой в одном направлении, изготавливались образ-

к Г / м м 2

Рис. 48. Влияние ориентации ленты на предел прочности ком­ позиции

цы с объемным содержанием ее 6,2%. Ширина ленты составляла 10 мм, зазор между полосками ленты — 2 мм. Из листа вырезались прямоугольные образцы размером 25 X 180 мм под углом 0, 5, 10, 15, 20, 30, 35, 40, 60 и 90° к направлению ленты. Результаты испыта­ ний 4—5 образцов для каждого угла ориентации представлены на рис. 48.

Изменение угла между направлением ленты и направлением при­ ложения нагрузки от 0 до 30° сопровождается незначительным паде­ нием прочности композиции (от 37,5 до 33,5 кГ/мм2). Разрушение композиции происходит с разрушением всех полос ленты, входящих в рабочую ширину образца. Падение прочности композиций в этом интервале углов можно объяснить анизотропией свойств ленты в на­ правлениях, отличающихся от направления ее прокатки. Более рез­ кое уменьшение прочности при ср = 35° происходит из-за того, что разрушение композиции связано только с частичными разрушения­ ми ленты и матрицы в промежутке между лентами. При изменении ср от 40 до 90° композиция разрушается вследствие разрыва матрицы в промежутке между лентами и прочность ее определяется только прочностью матрицы и длиной площадки, на которой происходит разрушение композиции, что и объясняет постепенное падение проч­ ности в этом интервале углов.

Сравнивая характер изменения прочности в зависимости от угла ориентации при армировании проволокой в одном направлении (см. рис. 44) и при армировании лентой (см. рис. 48), следует отме­ тить, что в первом случае прочность резко падает при ср = 30°, а во втором — при ср = 35°. Эго значит, что при армировании лентой уменьшается диапазон углов, при которых композиция имеет не­ значительную прочность.

Исследовалась также анизотропия прочности композиций, арми­ рованных двумя слоями ленты, расположенными под углом 90° один к другому и разделенными слоем материала матрицы. Из листа

124

вырезались такие же образцы, как н в случае армирования лентой в одном направлении, под углами 0,5, 10, 15, 30 и 45° к направлению одного из слоев ленты. Результаты испытаний представлены в табл. 15.

сс, кГ/мм2

Объемное содержание ленты в одном направлении составляло 4%. Разрушение композиций, армированных двумя слоями ленты, расположенными во взаимно перпендикулярных направлениях, происходит следующим образом: при изменении угла ср от 0 до 30° оно сопровождается разрывом только одного слоя ленты, располо­ женного под углом ф к растягивающему усилию, и разрывом мат­ рицы между полосками ленты второго слоя, находящегося под углом Ф = 90° к направлению растягивающего усилия; при ф = 45° про­ исходит разрушение матрицы между полосками ленты первого слоя и разрывом ее второго слоя, который при углах ориентации 0—30°

не вносил вклада в прочность композиции.

Таким образом, в отличие от композиций, армированных двумя слоями проволоки, где при ф = 45° не происходит разрушения воло­ кон, в композициях, армированных лентой, при ф == 45° один слой ленты разрушается. Этим и объясняется минимальная анизотропия свойств композиции. Очевидно, что при возрастании угла от 45 до 90° характер изменения предела прочности композиций будет таким же, как и при увеличении ф от 0 до 45°. Только в этом случае в работе композиции будет принимать участие тот слой ленты, который не участвовал при ф = 0—45°.

Следовательно, в случае армирования высокопрочной лентой при расположении слоев во взаимно перпендикулярных направлениях будет обеспечиваться минимальная анизотропия прочности. Как видно из табл. 15, предел прочности при ф = 45° отличается от пре­ дела прочности композиции при ф = 0° только на 1,5 кГ/мм2, что составляет 4,5%.

В. Влияние температуры на кратковременную и длительную прочность композиций

Исследование температурной зависимости прочности при крат­ ковременном нагружении осуществлялось на образцах из СА.П-1, ар­ мированных проволокой из нержавеющей стали с аа = 175 кГІмм2. Испытания проводились на разрывной машине «Инстрон», снабжен-

125

Рис. 49. Кратковременная проч­ ность композиций САП-1 — проволока из нержавеющей стали

Температура испытаний: а — 250;

б — 350; в — 500° С

ной специальной камерой. Испытания на длительную прочность той же композиции были проведены в лаборатории ползучести Ин­ ститута физики твердого тела АН СССР, на машине Zst 3/3. Деформа­ ция образцов измерялась с помощью микроскопа, а температура контролировалась тремя термопарами. Регулировка температуры осуществлялась дилатометром.

Кратковременным и длительным испытаниям при повышенных температурах подвергались также образцы неармированного САП-1.

На рис. 49 представлены результаты исследований зависимости предела прочности и удельной прочности композиций с различным объемным содержанием проволоки при различных температурах. Изменение предела прочности композиций с увеличением объемного содержания проволоки при температурах испытаний 250, 350 и 500° С имеет линейный характер. При температуре 250° С эксперимен­ тальные значения пределов прочности композиций хорошо согласу­ ются с рассчитанными по закону аддитивности, а при температурах 350 и 500° С они на 10—15% выше теоретических.

Экспериментальные данные показывают, что даже при использо­ вании в качестве волокон проволоки, обладающей незначительной прочностью (175 кГІмм2), эффект упрочнения достаточно высок. Предел прочности композиции с V/ = 15 об. % при температуре 250° С в 2,3 раза, при 350° С—в 3,9 и при 500° С—в 5,6 раза больше, чем материала САП-1 в аналогичных условиях. Удельная прочность композиции соответственно увеличивается в 1,8 и 4,3 раза.

Высокие прочностные свойства композиций при 500° С дают возможность повысить максимальную рабочую температуру САПа при кратковременных нагрузках вплоть до предплавильной. Это большое преимущество композиции на основе САП-1 со стальной проволокой по сравнению с лучшими титановыми сплавами, макси­ мальная рабочая температура которых не превышает 500° С из-за их резкого разупрочнения.

126

Рис. 50. Зависимость прочности композиции САП-1 — проволока из нержа­ веющей стали от температуры испытаний

(2) и 9,4 об.% (3) проволоки из стали X 18Н10Т при температуре испытаний 450° С

Температурные зависимости (рис. 50) прочности материала САП-1 и композиций с различным объемным содержанием и различной прочностью проволоки эквидистантны. Следовательно, характер разупрочнения композиций с повышением температуры определяется характером разупрочнения материала матрицы. Однако сравнение интенсивностей разупрочнения материала САП-1 и композиций на

Ста = 175 кГІмм2— в 2,6 раза.

Результаты длительных испытаний при температурах 350 и 450° С представлены на рис. 51 и 52.. Значительный эффект упрочнения наблюдается и в случае длительной работы композиции при повы­ шенных температурах. Предел длительной прочности (100 ч) компо­ зиции с 5,7% проволоки из стали Х18Н10Т при температуре 450° С

Если образцы материала САП-1 при температуре 350° С и напря­ жении 5 кГ/мм2 разрушались через 30 ч, то образцы композиции с 5,7% проволоки при той же температуре и напряжении 8 кГ/мм2 не разрушались даже после 360 ч работы. Скорость ползучести этой

127