книги / Механика композитных материалов. 1980, т. 16, 3
.pdf8.Wu E. M., Scheublein J. K. Laminate strength — a direct characterization procedure. — In: Composite Materials: Testing and Design (Third Conf.). ASTM STP 546, Amer. Soc. for Testing and Mater., 1974, p. 188—206.
9.Лагздинь А. Ж ■ О разложении скалярной функции на единичной сфере S'1-1 компонентами тензоров. — Механика полимеров, 1974, № 1, с. 30—36.
10.Рикарде Р. Б., Чате А. К. Начальная поверхность однонапрапленно армирован
ного композита при плоском напряженном состоянии. — Механика полимеров, 1976,
№4, с. 633—639.
11.Рикарде Р. Б., Брауне Я. А. Аппроксимация поверхностей прочности при пло
ском напряженном состоянии. —• Механика полимеров, 1974, № 3, с. 406—414.
12. Крегер А. Ф. Алгоритм отыскания минимума функции многих переменных мето дом спуска. — Алгоритмы и программы, 1974, № 2, с. 9— 11.
13. Зилауц А. Ф. Алгоритм графического построения аксонометрической проекции трехмерной поверхности. Госфонд алгоритмов и программ. Инв. № П 003946.
Институт механики полимеров |
Поступило в редакцию 01.11.79 |
АН Латвийской ССР, Рига |
|
УДК 539.612:678.067
С. В. Перминов, В. С. Куксенко, В. Е. Корсуков
КИНЕТИКА РАЗРУШЕНИЯ АДГЕЗИОННЫХ СЛОЕВ В КОМПОЗИТНЫХ СИСТЕМАХ
Вопросы адгезионной прочности композитных систем являются од ними из наиболее сложных и мало изученных в проблеме прочности композитов. Это обусловлено тем, что многие физические методы иссле дования твердых тел — «объемные» по своему принципу. Адгезионная прочность, как правило, обусловлена химическим и физическим строе нием тонких слоев атомного масштаба. В связи с этим особое значение приобретают феноменологические исследования разрушения адгезион ных слоев, позволяющие получить информацию о кинетических парамет рах, характеризующих энергию связей в этих слоях и их структурную гетерогенность.
В настоящей работе представлены результаты исследований адгезионной прочности простых контактных пар: подложка—тонкая пленка, где подложками служили плат тинки из ситалла или керамики 22ХС, на которые напылялись в вакууме (давление оста точных газов — 10~5 бар) на установке УВН-М тонкие металлические пленки алюминии и хрома при режимах, обеспечивающих высокую прочность адгезионного контакта
Учитывая большой разброс экс периментальных данных при испыта ниях адгезионных слоев на долговеч ность, для каждой фиксированной
температуры исследовали не менее 30—40 образцов. Схема испытаний адгезионных контактов на отрыв и сдвиг представлена на рис. 1.
Необходимую площадь отрыва в виде отдельных круглых островков получали с помощью фотолитогра фии, обеспечивающей высокую вос-
Рис. 2.
Рис. 1. Схема испытаний: 1 — подложка; 2 — пленка хрома или алюминия; 3 пленка меди; 4 — припой; 5 — вспомогательный цилиндр.
Рис. 2. Силовые зависимости долговечности для адгезионных соединений при разик
температурах: а — хром—керамика при |
Т = —20 |
(А ), 20 ( • ) , 60° С |
(О ); |
б — |
а.П' |
миний—керамика при Г=14 ( # ) , 60° С |
(О ); в — |
алюминий'—ситалл |
при |
7 = 1 8 |
(® |
55° С (О ); г — алюминий—керамика при испытаниях на сдвиг и Т - —17 (А). 20 |
(ф' |
||||
55° С (О ). |
|
|
|
|
проИзвоДимость образцов по площади. Исследования проввдёны в камере тепла и холода с точностью поддержания температуры ± 5 ° С.
На рис. 2 показаны температурно-временные зависимости долговеч ности ряда адгезионных соединений. Несмотря на большой разброс экс периментальных точек, для каждой контактной пары можно получить семейство прямых, пересекающихся при экстраполяции в одной области при 1g тад= —12± 2, если предположить линейную зависимость lgTan(oBii) и обработку опытных данных вести по методу наименьших квадратов. Полученные экспериментальные данные позволяют считать, что разру шение адгезионных контактов может быть описано с помощью урав нения [1]
Тад—То ад ехр |
U0ад уОвп |
( 1) |
|
kJ |
|
где то ад — постоянная, равная 10~12—10-13 с; 1)$ад — энергия активации разрушения; у — коэффициент перенапряжений исследуемой адгезион ной пары; сгш, — нагрузка на единицу площади адгезионного слоя; k — постоянная Больцмана; Т ■— абсолютная температура. При перестроении зависимостей 1етад(с7вн) в координатах lgтад(1/Т') для любой исследо ванной адгезионной пары имеет место «эффект смещения полюса». По этому, согласно [1], при таком усложнении зависимостей расчет кинети ческих параметров уравнения (1) следует производить не по наклону прямых, а для каждой экспериментальной точки отдельно по формуле
£^ад (овн) = 2,3RT (lg Тад lg То ад) > |
(2) |
где то ад принимают равным 10-13 с. На рис. 3 представлены рассчитанные по формуле (2) зависимости энергетического барьера разрушения от приложенной нагрузки опнИз рисунка следует, что зависимость энер гии активации от величины нагрузки линейная, поэтому величины (У0ад определяем экстраполяцией построенных прямых к опн = 0, а по наклону этих прямых находим коэффициенты у. Вычисленные значения кинетиче ских параметров представлены в табл. 1.
Из таблицы следует: а) величина энергии активации имеет значение трех-четырех десятков ккал/моль, что говорит об образовании химиче ских связей в адгезионном слое; б) энергия активации разрушения адге зионного слоя меньше энергии активации разрушения компонентов, об разующих адгезионный контакт; в) коэффициенты перенапряжений ад-
|
|
|
|
|
Табл. 1 |
|
Кинетические параметры разрушения, |
Энергия активации |
|||
|
вычисленные по уравнению |
(1) |
|
разрушения, |
|
Контакт н его компоненты" |
|
|
|
|
определенная |
ПД' |
ккалV.■мм2 |
|
|
по зависимости |
|
|
|
|
Уо(Гпл). U0, |
||
|
ккал/моль |
моль • кге |
|
|
ккал/моль |
Хром—керамика |
38 |
7,3 |
ю- |
12 |
45 |
Алюминий—керамика |
31 |
6,0 |
ю- |
' 2 |
35 |
Алюминий—ситалл |
32 |
7,0 |
ю- |
11 |
35 |
Алюминий—керамика |
30 |
5,6 |
ю- |
13 |
35 |
(испытания на сдвиг) |
|
6,8 |
10-" |
|
|
Медь—хром |
33 |
40 |
|||
Медь—алюминий |
32 |
9,0 |
ю- |
12 |
32 |
Хром |
120 |
— |
10-'3 |
120 |
|
Алюминий |
52 |
5,8 |
ю- |
' 3 |
50 |
Керамика |
— |
— |
— |
75 |
|
Ситалл |
— |
— |
— |
|
60 |
Медь |
81 |
1,9 |
10-'3 |
80 |
Рис. 3. Зависимости энергетического барьера разрушения от внешней нагрузки для адге зионных контактов. Обозначения те же, что на рис. 2.
гезионного слоя больше соответствующих коэффициентов перенапряже ний для монолитных образцов.
Можно предположить, что разное значение энергии активации при разрушении адгезионного слоя и энергии активации при разрушении компонентов, образующих адгезионный контакт, является следствием их физико-химической несовместимости. С этой целью были проведены тем пературно-временные испытания адгезионных контактов металл—ме талл (хром—медь, алюминий—медь), которые показали подобную зави симость адгезионной долговечности от величины приложенной нагрузки и температуры испытания, как и адгезионные контакты металл—ситалл. металл—керамика. Рассчитанные кинетические параметры для таких контактов также представлены в табл. 1, из которой видно, что и для адгезионных контактов металл—металл наблюдается разное значение между энергией активации разрушения адгезионного слоя и энергией активации разрушения компонентов, образующих адгезионный контакт. Эти результаты показывают, что при формировании адгезионного кон такта в процессе напыления как между пленкой и подложкой, так и между двумя пленками происходит образование промежуточного слоя, энергетический барьер разрушения которого отличается от энергетиче ского барьера разрушения исходных компонентов. Например, ряд авто ров объясняет высокую адгезию к стеклу различных легко окисляю щихся металлов образованием на границе раздела промежуточного слоя окисла, в то же время другие для объяснения своих результатов пред лагают концепцию образования промежуточных сплавов или интерме таллических соединений [2, 3].
Исходя из изложенного для определения количественного и качест венного состава адгезионного слоя после разрушения была проведена профилирующая по глубине Оже-спектроскопия. Измерения проводи лись на электронно-ионном спектрометре фирмы «Лейбольд Гереус» Образцы помещались в вакуумную камеру (давление во время работа
электронной |
пушки •— |
10- 1 0 бар). Съемки |
Оже-спектров производи.'!!: |
при энергии |
первичного |
электронного луча |
Ер = 2 кВ, силе тока /,, = |
= (0,01—0,03) мА, амплитуде модуляции 1—5 В. Для выявления хими ческого состава приповерхностных областей на различную глубину о б
разцы подвергались травлению пучком ионов |
аргона (Ер= 4 кВ, 1Р = |
|
=1 мкА, |
давление аргона в камере 10- 7 |
бар, скорость травления |
50 А/мин, |
сканирование велось на площади 5x5 мм2). Данные энергии |
Исследуемый |
Время |
Элемент |
Измерен |
Энергия |
Интенсив |
Истинная |
Состав, |
Н О Н Н О Й |
интенсив |
||||||
элемент |
очистки, |
отнесениь |
ная энер табличная, |
ность, мм |
ность, |
% |
|
|
мин |
|
гия, эВ |
эВ |
|
отн. ед. |
|
Медь |
5 |
Си |
906 |
920 |
50 |
238 |
100,0 |
Хром |
5 |
Сг |
508 |
529 |
62 |
198 |
100,0 |
Керамика |
5 |
А1 |
1392 |
1396 |
12 |
48 |
33,0 |
|
О |
448 |
503 |
49 |
98 |
67,0 |
|
|
0 |
Сг |
508 |
529 |
16 |
52 |
33,0 |
|
С |
260 |
271 |
12 |
60 |
37,0 |
|
Медь—хром |
|
О |
448 |
503 |
24 |
48 |
30,0 |
|
Сг |
508 |
529 |
50 |
152 |
77,5 |
|
|
|
||||||
|
2 |
С |
260 |
271 |
2 |
10 |
5,1 |
|
|
О |
448 |
503 |
17 |
34 |
17,4 |
|
0 |
А1 |
1382 |
1396 |
13 |
52 |
27,0 |
|
О |
448 |
503 |
32 |
64 |
34,0 |
|
Керамика— |
|
С |
260 |
271 |
15 |
75 |
39,0 |
алюминий |
|
А1 |
1382 |
1396 |
2 |
8 |
7,3 |
|
2 |
С |
260 |
271 |
6 |
30 |
27,0 |
|
|
О |
448 |
503 |
36 |
72 |
66,0 |
Оже-пиков, проявившихся в спектрах при исследовании образцов, пред ставлены в табл. 2. Здесь же показаны их отнесения [4], интенсивность и рассчитанные на этом основании значения атомной концентрации каждого элемента. Атомная интенсивность Са рассчитывалась по соот
ношению
Н&
СЛ = 1
Sxi ’
где Н а — интенсивность Оже-пмка элемента A ; H i ■— интенсивность Оже-пика элемента t; Sx — эффективное сечение возбужденного Ожеперехода, соответствующего этому пику при данном Ер\ £ — функция, учитывающая величину электронного тока, чувствительность и ампли туду модуляции при регистрации спектра.
Из таблицы следует, что любой из рассмотренных адгезионных кон тактов содержит в плоскости контактирования окисный слой металла, а также замороженные примесные элементы (углерод), что, очевидно, и явилось одной из причин снижения энергии активации разрушения адге зионного слоя по отношению к энергиям активации разрушения его компонентов.
Кроме того, наличие напыленного алюминия на керамике после раз рушения показывает, что при разрушении адгезионного контакта алю миний—керамика процесс разрушения происходит не только по адгези онным связям, но и по алюминию, обладающему более высоким энер гетическим барьером разрушения по отношению к энергетическому барьеру, определенному из опыта. В связи с этим возникла необходи мость проверки величины энергии активации, определенной по уравне нию (2 ), данными эксперимента.
Если предположить, что, как и для твердых тел, между энергией активации разрушения адгезионных связей и температурой их «плавле ния» наблюдается линейная зависимость [5] и 0ад(Тпл), то для получен ных значений энергии активации температура, при которой бы происхо дило резкое уменьшение силы связи между компонентами, составляла бы для контакта хром—керамика 420° С, а для остальных контактов
Хрома |
— |
500—530° С) |
свя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
зан |
с |
резким |
|
увеличением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
процессов окисления на гра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
нице |
|
раздела |
пленка—под |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ложка. Второй |
скачок |
(для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
алюминия |
570—600° С, |
для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
хрома 600—640° С) обуслов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
лен спеканием, т.' е. образо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ванием |
островковой |
струк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
туры при потере связи эле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ментов пленки с подложкой. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Температуры |
«скачков» со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
противления пленки при на |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
греве |
можно |
рассматривать |
Рис. 4. Графики зависимости электросопротивле |
||||||||||||||
как |
«критические», |
которые |
ния однослойных (--------- ) и |
многослойных |
|||||||||||||
характеризуют |
теплоту |
об |
(-------—) тонких пленок, напыленных на керами |
||||||||||||||
ческие подложки, при температурном нагреве их в |
|||||||||||||||||
разования окисла металла и |
вакууме: 1 — А1 ( — 100 |
А); 2 — |
А1 |
( — 80 |
А ); |
||||||||||||
теплоту |
«спекания» |
пленки |
3 — А1 |
( ~ 6 0 |
А); 4 — А1 ( —60 А), Си |
( ~ 4 0 |
А); |
||||||||||
соответственно. |
Корреляци |
5 —• А1 |
( ~ 5 0 |
А); Си |
( ~ 4 0 А); 6 — Сг |
( ~ 9 0 |
А); |
||||||||||
онная |
|
зависимость |
между |
7 — Сг ( ~ 70 А); |
8 — |
Сг ( ~ 5 0 |
А); |
9 — Сг |
|||||||||
|
( ~ 6 0 |
А), Си |
(—80 |
А); |
10 — Сг |
( ~ 6 0 |
А), |
Си |
|||||||||
температурой |
|
плавления |
|
|
( ~ 6 0 |
А). |
|
|
|
|
|||||||
(энергией |
связи [5]) |
и энер |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гией активации разрушения и0(Тил) показывает, что первая критическая температура соответствует энергии активации разрушения, равной для алюминия 35 ккал/моль, для хрома 45 ккал/моль (см. табл. 1), т. е. прак тически совпадает с энергиями активации разрушения, определенными по уравнению (1). Величины энергии активации, соответствующие вто рой критической температуре (для алюминия 50 ккал/моль, для хрома 55 ккал/моль), намного больше энергий активации, вычисленных по уравнению ( 1 ).
Температурные зависимости сопротивления многослойных ультратонких пленок также показывают скачкообразный характер. Для пленок алюминий—медь (см. рис. 4) скачкообразное увеличение сопротивления при температуре 350—370° С легко объяснить резким усилением диффу зионных процессов, ведущих к образованию на границе раздела проме жуточной фазы (интерметаллического соединения [3]). Дальнейшее диф фузионное перемешивание ведет, очевидно, к вытеснению кислорода по границам зерен, и, наконец, при температурах 600° С происходит образо вание островковой структуры полученной системы. Подобная зависи мость сопротивления пленок, но при более высоких температурах, наблюдается и для двухслойной композиции хром—медь (см. рис. 4).
Первые «критические» температуры таких пленок и были опробо ваны для вычисления по зависимости Но^пл) энергии активации разру шения адгезионных соединений (см. табл. 1). Как видно из таблицы, и для адгезионного контакта двух металлов наблюдается хорошее соот ветствие между энергиями активации разрушения, определенными по «критическим» температурам диффузионного перемешивания и на ос нове уравнения (2 ).
Таким образом, результаты температурных исследований ультратоиких пленок и Оже-спектрометрические исследования подтверждают концепцию образования в адгезионном слое некоторой «объемной» про межуточной фазы (слоя окисла, интерметаллического соединения), характеризующейся своими новыми прочностными свойствами. При этом процесс разрушения таких переходных слоев, очевидно, может происхо дить и за счет реактивных диффузионных процессов, сохраняя свой термофлуктуационный характер. Однако для полного понимания меха низма разрушения адгезионных слоев требуется дальнейшее развитие
подобных исследований. При этом, как показано в последних работах [6 , 7], необходимо учитывать и возможность каталитического воздействия одного материала на другой.
Высокие значения коэффициентов перенапряжений, полученные при исследовании адгезионных контактов, еще раз подтвердили значитель ную неравновесность состояния адгезионных слоев по отношению к мас сивным образцам.
Выводы. 1. При изготовлении композитов из материалов, имеющих соизмеримую прочность, необходимо учитывать возможность образова ния в плоскости контакта «объемного» переходного слоя, обладающего новыми прочностными характеристиками, отличными от прочностных характеристик исходных компонентов.
2.Кинетический процесс разрушения таких слоев аналогичен про цессу разрушения твердых тел и описывается уравнением, аналогичным уравнению Журкова.
3.Линейная зависимость ^ т ад(1/7’) адгезионных слоев позволяет использовать данную методику исследования для прогнозирования дли тельной прочности нагруженных адгезионных соединений. При этом не обходимо учитывать конкретный характер распределения напряжений в адгезионном контакте.
4.Исследование кинетической природы прочности адгезионных кон тактов на модельных объектах позволяет детализировать процесс разру шения композитных материалов и выявить дополнительные пути повы шения механической прочности композитов.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1.Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочносп: твердых тел. М., 1974. 560 с.
2.Технология тонких пленок. Т. 2. Справочник. М., 1977. 764 с.
3.Палатник А. С., Сорокин В. К■ Материаловедение в микроэлектронике. .М 1978. 277 с.
4. Palmberg Р. W. Handbook of Auger Electron Spectroscopy. 2nd. ed. 1976. 141 p
5.Петров А. И., Бетехтин В. И. Временные закономерности разрушения и ползу чести металлов при растяжении в условиях гидростатического давления. — Физпьг металлов и металловедение, 1972, т. 34, вып. 1, с. 39—47.
6.Мартин Дж., Доэрти Р. Стабильность микроструктуры металлических систем М„ 1978. 280 с.
7.Регель В. Р., Лексовский А. М., Поздняков О. Ф. Изучение кинетики разруше
ния композитных материалов. — Механика |
композитных материалов, 1979, № 2 |
с. 217—221. |
|
Ленинградский электротехнический институт |
Поступило в редакцию 18.061: |
им. В. И. Ульянова (Ленина) |
|
МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1980, № 3, с. 451—455
УДК 539.43:678.067
И. П. Барейшис, С. А. Даргужис
УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КОНСТРУКЦИЯХ ПЛАНЕРА
Широкое применение композитные материалы нашли в конструкциях планеров [1]. Лонжероны и оболочка крыльев, элементы корпуса и дру гие детали изготавливаются полностью из. композитных материалов. Це лый ряд деталей во время полета подвергается переменным нагрузкам. Поэтому необходимо изучить сопротивляемость циклическому деформи рованию материалов, используемых в конструкциях планеров.
Целью дайной работы является исследование усталостной прочности стеклоплас тика, армированного стеклоровингом РВМН-10, его связующего — эпоксидной смолы ЭД-20, углепластика горячего отверждения, армированного лентой ЛУ-2; эпоксидной смолы ЭД-20 с наполнителями в виде 20% ZnO и стеклянных микросфер величиной 3—4 мкм.
Испытания проводили на машине [2], работающей на консольный изгиб в режиме заданной амплитуды деформирования и позволяющей регистрировать изменения напря жений. Использовали образцы в виде пластинок прямоугольного сечения 100x40X 8 мм, которые закрепляли так, чтобы при нагружении в одних слоях возникали пульсирующие напряжения растяжения, а в других — пульсирующие напряжения сжатия. Это позво ляет определить чувствительность материалов к напряжениям сжатия или растяжения. Частота нагружения 10 Гц.
После закрепления образца на испытательной машине ее запускали со скоростью деформирования 3 цикл/мин, что соответствовало скорости нагружения при статических испытаниях 10 мм/мин; квазистатическнй модуль упругости Ев определяли по формуле
4PL3K Е0= ----------- .,
}ВН3
где К —• коэффициент, учитывающий дополнительный прогиб из-за анизотропии мате
риала [3]. Затем скорость деформирования увеличивали до заданной частоты и по изме ренной величине усилия (точка А на рнс. 1) рассчитывали начальный динамический мо дуль упругости £ д“, а по данным изменения усилия (кривая 2 рис. 1) определяли жест кость после разного числа циклов деформирования. Следовательно, после однократного испытания образца получаем информацию о квазнстатнческой, начальной динамической и динамической жесткостях после желаемого числа циклов, что позволяет более точно судить о процессах, протекающих в материале при его циклическом деформировании. Температуру разогрева определяли с помощью термопар ХК, плотно прижатых снаружи в опасном сечении образца. Повреждаемость оценивали по методике [4].
На рис. 1 показана кинетика изменений силы и температуры разо грева при переменном консольном деформировании, общая для иссле дуемых материалов. Из приведенных кривых следует, что процесс уста лостного разрушения для данных материалов условно можно разделить на два этапа. Первый этап —■инкубационный период усталостного раз рушения, характеризуемый умеренным понижением жесткости и повы шением температуры разогрева, является более длительным и определя ется скоростью накопления повреждений в материале. Резкое изменение жесткости свидетельствует об исчерпании реальной долговечности и о