18. Композиції зміцнені частинками.

Композиции упрочненные частицами

По своей важности матрица в композиционных материалах упрочнен­ных частиц, играет промежуточную роль между двумя другими классами композиций. В дисперсно-упрочненных композициях она является основ­ным компонентом, несущим нагрузку. В композициях, армированных во­локнами, роль матрицы сводится к передаче нагрузки волокнам. При упрочнении частицами нагрузка распределяется между матрицей и части­цами. В отношении своей микроструктуры композиционные материалы, упрочненные частицами, также занимают промежуточное положение: объемная доля частиц превышает 25%, а поперечник частиц и средний свободный путь в матрице превосходит I мкм.

Дисперсные частицы начинают оказывать упрочняющее действие на композиции тогда, когда ограничивают деформацию матрицы посредством механического стеснения. Величина этого подкрепления есть функция отношения расстояния между частицами к их диаметру, а также отношения упругих характеристик матрицы и частиц. Обычно модуль упругости композиций, упрочненных частицами, имеет меньшую величи­ну, чем это следует по " правилу смесей":

Ес=EmVm+EpVp (5)

Где Ec, Em, Ep - модуль упругости суммарный, матрицы и наполнителя соответственно,

Vm, Vp-обьемы матрицы и наполнителя.

Но в условиях жесткого стеснения этот предел можно превзойти. Поскольку модули упругости упрочненных частицами композиций должны удовлетворять соотношению, предусматривающему равенство напряжений в компонентах:

Ec=Em*Ep/(EmVp+EpVm) (6)

Тогда всякое положительное отклонение от уравнения (6) должно озна­чать стеснение матрицы.

Поведение упрочненных частицами композиций за пределами упру­гой области исследовалось лишь в отдельных случаях. Такое поведение можно подразделить на две категории в зависимости от того, претер­певают или не претерпевают сами частицы пластическую деформацию перед разрушением. Жесткие поверхности твердых тел перед разруше­нием матрицей ограничивают деформацию более мягкой матрицы под действием нагрузки. При этом возникает поле гидростатических напря­жений, подобно полю напряжений в упругой области, но только при более высоких уровнях напряжений. С ростом нагрузки напряжение гид­ростатического поля возрастает. Но когда гидростатическая составляющая напряжения превысит приблизительно в 3-3,5 раза предел теку­чести нестесненной матрицы, обычно наступает разрушение. Еслили напряжение в частицах, в 3-3,5 раза превышающее напряжение течения нестесненной матрицы, недостаточно для их деформации, то разрушение, начало которому кладет растрескивание частиц, распространяется через матрицу. Подобное поведение типично для цементированных карбидных материалов и карметов, в которых нагрузка не способна деформировать твердые дисперсные частицы карбида. Под действием нагрузки внутрен­нее скалывающее напряжение τi равно произведению числа дислока­ционных петель, скопившихся у частицы, на приложенное внешнее напряжение, т.е. τi=n*σ (7)

Число петель в скоплении связано с промежутком между частица­ми соотношением

n=σ*Dp/Ymb (8)

Обьеденив соотношения (7) и (8) ,найдем τi=σ2* Dp/Ymb (9)

Если внутреннее скалывающее напряжение, действующее на частицы, равно пределу их прочности, то частицы начнут разрдшаться с зарождением трещины, которая вызывает течение композиции; следова­тельно, при течении

τi=σ*fp=Yp/c= σ2* Dp/Ymb (10)

где c - постоянная, характеризующая прочность материала и удовлетворяющая соотношению:

σcy=(Ym*Yp*d/cDp)1/2 (11)

где σcy - напряжение текучести композиции.

как следует из формулы (11 ) если под действием нагрузки в частицах не возникает течения, то предел текучести композиции дол­жен быть пропорционален величине, обратной корню квадратному из расстояния между частицами (Dp)1/2. Если расстояние между частицами становится меньше 0,5 мкм, то прочность убыва­ет вследствие образования трещин на ослабленных границах раздела частица -частица.