5. Особенности усталостного разрушения композитов.

Боллер в 1964 году опубликовал результаты исследований на циклическое растяжение пластмасс, армированных стекловолокном.

Особенности:

• Для КМ (как и для металлов) база принимается за 10⁷ циклов;

• Характер разрушения зависит от типа армирующего элемента (волокна, зерна и т.д.), от типа компонентов (металлы, неметаллы);

• Сопровождается различными микроразрушениями: отрыв по границе фаз, развитие трещин в матрице (в отличие от металлов для КМ нельзя выделить один параметр, характеризующий рост трещины);

• Изменение модулей упругости под действием усталостных нагрузок (уменьшение жесткости из-за накопленных повреждений);

• Разогрев полимерной матрицы:

1) Если, то разрушение происходит по механическому виду (например, за счет внутреннего расслоения);

2) Если, то разрушение происходит по тепловому виду (вследствие малой теплопроводности компонентов и невысокой теплостойкости матрицы, происходит очень быстро),

где – температура разогрева;

–температура структурных превращений;

• Отсутствие «истинного» предела выносливости у большинства КМ;

• Влияние окружающей среды;

• Силовой режим нагружения;

• Масштабный эффект;

• Мерой повреждения для металлов является длина трещины, для КМ их несколько: разрывы волокон, разрушение матрицы, расслоение, совместное разрушение матрицы и волокна, отрыв на поверхностях раздела, посторонние включения и т.д.

Сравнение усталостного поведения металла и КМ графически представлено на рисунке 13:

Рис. 13. – Сравнение усталостного поведения металла и КМ.

–величина повреждения;

–число циклов, время.

Участок 1 – начальный дефект;

Участок 2 – зона обнаружения повреждений;

Участок 3 – предельное повреждение;

Участок 4 – разрушение;

Участок 5 – возникновение трещины;

Участок 6 – распространение повреждений.

5. Усталость слоистых, волокнистых, зернистых композитов. Слоистые км

Рассмотрим экспериментальные диаграммы повреждений слоистых пластин из полиэфирной смолы, армированной матом из рубленного волокна в зависимости от меры поврежденности (Рис.14):

_;

= 3,286 · 10^-18;

=12,75 (чем выше, тем более хрупкий).

Рис. 14. – Диаграмма повреждений слоистых пластин из полиэфирной смолы, армированной матом из рубленного волокна.

Участок 1 – разрушение продольного волокна;

Участок 2 – разрушение поперечного волокна;

Участок 3 – отслоение;

Участок 4 – образование трещины в смоле.

А) Б)

Рис. 15. – Схематичное изображение слоистых пластин:

А) Армированных матом из рубленного волокна;

Б) Армированных тканью.

Для слоистых КМ, армированных тканью:

= 2,692 · 10^-18;

=6,4.

Для сравнения у Металлов:

~ 10^-12 ÷ 10^-10;

=2 ÷ 4.

Схематично процесс расслоения слоистого КМ, армированного тканью, представлен на рисунке 16:

Рис. 16. – Процесс расслоения слоистого КМ, армированного тканью.

Участок 1 – расслоение у поперечных волокон;

Участок 2 – расслоение вдоль поверхности раздела;

Участок 3 – расслоение среди продольных волокон.

Волокнистые км

Основное влияние на рост усталостной трещины оказывает:

• Тип волокна.

• Объемная доля.

• Направление нагрузки относительно направления армирования.

• Материал матрицы.

Наиболее высокой, абсолютной и удельной усталостной прочностью к переменным нагрузкам обладают углепластики, для них при базе 10⁷ отношение = 70% и выше.

Отношение усталостной прочности к пределу прочности при статическом нагружении зависит от типа упрочняющего волокна. При этом для различных объемных долей получается практически одна кривая (Рис.17):

Рис. 17. – Изгибная усталость (стеклопластик).

Кривая 1 – стеклоткань с атласным переплетением, = 60%, 51%, 55%, 41%.

Кривая 2 – стеклоткань из ровницы, = 50%.

Данные для усталостной прочности пластмасс, армированных различныит типами волокон, приведены в таблице 2:

Таблица 2.