-
Особенности разрушения композитов.
Одной из основных задач механики разрушения композиционных материалов является прогнозирование трещиностойкости, циклической и статической прочности композиционных материалов на основе известных свойств компонентов и проектируемой структуры материала.
В силу наличия структуры в композитах существуют макро и микро подходы.
В рамках макро подхода предполагается, что размер дефекта намного больше характерного размера элемента структуры, размер дефекта соотносится только с габаритами тела.
На микро уровне предполагается, что композит изначально имеет дефектную структуру, эти дефекты являются источниками возникновения макротрещин. Неоднородность структуры и свойств приводит к накоплению рассеянных повреждений, вследствие этого к ухудшению макроскопических механических свойств.
Изначально композиционные материалы имеют дефектные структуры. Эта дефектная структура является причиной ухудшения прочностных характеристик, и дефекты структуры являются инициаторами возникновения макротрещин.
Наличие структуры предполагает наличие большого количества границ между компонентами. Это значительно улучшает прочностные свойства композиционных материалов в сравнении с однородными, за счет возможности торможения дефектов типа трещин на границе раздела фаз. За счет наличия структуры в композиционных материалах происходит локализация области концентрации напряжений.
В однородных материалах при движении трещина не меняет своего типа, и в линейном механическом разрушении все критерии получены из этого предположения. В композитах трещина часто меняет тип.
На Рис. 9 схематично показаны этапы разрушения композиционных материалов (предложены Болотиным В.В.).
Рис. 9. – Этапы разрушения композиционных материалов.
Где
1 – начальное состояние;
2 – хрупкое разрушение;
3 – накопление микроповреждений;
4 – разрушение вследствие потери целостности;
5 – образование макротрещины;
6 – рост макротрещины;
7 – финальное разрушение в результате роста макротрещины;
8 – хрупкое разрушение как результат накопления повреждений.
Реальные материалы разрушаются, как правило, по нескольким механизмам сразу.
В силу изначальной дефектности структуры композиционного материала, в нем присутствует множество точек концентрации напряжений. Подобного типа задачи решаются с использованием только микромеханики с учетом реальной структуры материала. Данный тип задач используют при моделировании процессов разрушения.
В
случаях, когда рассматривается дефект,
размеры которого много больше характерных
размеров структуры, то для оценки
концентрации напряжений могут быть
использованы методы анизотропной
механики. С использованием этих методов,
в частности с использованием аналитического
решение Колосова, решена задача о
концентрации напряжений в эллиптическом
отверстии (рис. 10) со следующими
геометрическими характеристиками: m,
n
– угловые точки эллипса,
- радиус кривизны, а – большая ось
эллипса.
В результате решения получаем максимальные напряжения в угловой точке m:
.
(4.10)
В угловой точке n:
,
(4.11)
где
– эффективные упругие параметры
однородной анизотропной среды.
Рис. 10. – Пластина с эллиптическим отверстием.
Из анализа видно, что на концентрацию напряжений влияет не только геометрия отверстия, но и упругие характеристики материала.
Рассмотрим концентрацию напряжений в конкретных материалах (Рис. 11).
Рис. 11. – График зависимости концентрации напряжений от радиуса кривизны для различных материалов.
Где
1 – полиэфирная смола, армированная стеклотканью с атласным плетением;
2 – полиэфирная смола, армированная стеклотканью из ровницы;
3 – однородный изотропный материал;
4 – полиэфирная смола, армированная стеклотканью из ровницы (нагрузка приложена вдоль оси Х).