43. Поведінка і види руйнування композицій.

Механизм разрушения композиций. Характер разрушения той или иной системы определяется развитием дефектов, возникающих в струк­туре под действием напряжений. Процесс развития дефектов, вызывающих разрушение структур, как правило, происходит в две стадии: возник­новение и медленный или прерывистый рост трещин и пор до их критиче­ского размера, а затем быстрый рост и слияние трещин критического размера, приводящее к полному разрушению. Следовательно, эффект упрочнения наполнителями сводится к замедлению образования в мате­риале трещин критического размера. Разрушение композиций, упрочненных наполнителями, происходит либо вследствие разрушения отдельных компонентов композиции, либо вследствие расслаивания по поверхностям раздела между арматурой и матрицей. Поскольку трещины, как правило, зарождаются в дефектах структуры, роль дефектов в процессе разруше­ния материала чрезвычайно велика, и при изготовлении композиционно­го материала особенно важно обеспечить его минимальную дефектность путем прочного сцепления арматуры с матрицей. Не менее важно при разработке прочных композиций обеспечить эффективное механическое взаимодействие между наполнителем (упрочнителем) и связующим (мат­рицей ).

Правильное представление о механизме разрушения композиции в целом, а также представление о разрушении каждого из составляющих, ее компонентов, является неотъемлемой частью теоретических основ создания композиционных материалов.

Механика разрушения композиций основана на представлении Гриффитса о распространении трещин и рассматривает реакцию дефект­ного материала на приложение силы, приводящее к распространению трещин. Скорость распространения трещин зависит от нормального напряжения и от таких свойств материала, как вязкость и трещиноватость. Трещина распространяется с большей скоростью, если усилие, вызывающее ее развитие, равно или большей вязкости разрушения материала.

Существуют несколько путей развития трещин, вызывающих разруше­ние материала: раскрытие трещины, поперечный и продольный сдвиги (рис.5 ).

Рис.5. Виды разрушения: I - раскрытие; 2 - поперечный и 3 - продольный сдвиги трещины.

Оптимальное поведение композиций при различных видах деформа­ции зависит от "структурного единства" ее компонентов. Под струк­турным единством понимается хорошее сцепление наполнителя и матрицы с соседними элементами, обеспечивающее равномерную пере­дачу усилий от компонентов к компоненту и деформацию их как единого структурного целого. Такие композиции являются идеальными и используются в качестве моделей для изучения процессов разрушения. Возможно несколько вариантов модельных композиций с характерным для каждой из них поведением при разрушении.

Например, прочность композиций, армированных волокнами, во всех случаях можно описать на основе теории средней прочности волокон, а также исходя из статистического анализа прочности пучка волокон. На основании этих двух теорий характеризуется поведение модельных композиций при растяжении.

Анализ множества деформационных кривых, полученных эксперимен­тально для различных композиций, показывает, что деформапия компози­ционных материалов происходит в четыре стадии:

1. упругая деформация волокон и матрицы;

2. упругая деформация волокон и пластическая деформация матрицы;

3. пластическая деформация волокон и матрицы;

4. разрывы волокон и разрушение композиций в результате накопления разрывов.

Предел прочности при растяжении, соответствующий конкретному композиционному материалу можно вычислить с помощью уравнения:

δ_c = δ_fV_f + δ_m(1-V_f)

Для композиций с паралельно расположенными армирующими волокна­ми под действием сжимающего, сдвигающего или изгибающего усилий наблюдаются следующие виды разрушений: общее и местное (локальное) упругое вспучивание, распространение трещин паралельно волокнам и расслоение.

В композициях с паралельным расположением волокон трещины могут образоваться по следующим причинам: наличие продолговатых включений газа ( пузырьков ) между волокнами, которые образовались в процессе изготовления композиции в результате плохой пропитки волокон матрич­ным материалом; неудовлетворительное смачивание и плохая адгезия матрицы к волокну, что приводит к их разделению при низких напряже­ниях; начальные разрывы волокон, создающие большие касательные напря­жения у концов разорванных или сломанных волокон, что приводит к отделению волокон от матрицы; ухудшение адгезии между волокнами и матрицей под воздействием внешней среды (например, влаги ). Пре­дотвратить возникновение перечисленных дефектов оченв трудно, йк правило, они присутствуют в композициях, и это необходимо учитывать при анализе напряжений, возникающих в материале под действием нагру­зок.

Критическое напряжение композиций при действии сжимающей наг­рузки определяется по формуле: