Прочность - поверхность - раздел
Cтраница 3
Напряженное состояние поверхности раздела может оказаться наиболее жестким при таких условиях внешнего нагружения, которые сводят к минимуму пластическую деформацию, снижающую концентрацию напряжений. Наиболее жесткими условиями испытания прочности поверхности раздела могут быть и растяжение образцов с надрезом, и знакопеременное нагружение при усталостных испытаниях, и условия, возникающие в окрестности концов разрушенных волокон. Распределение напряжений у поверхности раздела для некоторых случаев, упомянутых выше, подробно рассмотрено в гл. [31]
Независимо от уже имевшихся количественных оценок некоторые исследователи указывали, что свойства композитных материалов должны зависеть от того, насколько поверхности раздела отличаются по свойствам от матрицы и волокна. В числе характеристик, определяемых прочностью поверхности раздела при растяжении, авторы называют поперечную прочность, прочность на сжатие и сопротивление распространению трещины в процессе расслаивания при испытании на растяжение. К характеристикам, которые определяются в основном сдвиговой прочностью, относятся критическая длина волокна ( длина передачи нагрузки), характер разрушения при вытягивании волокон и деформация матрицы в изломе. Теория Купера и Келли будет рассмотрена ниже. [32]
При анализе прочности композитов в условиях внеосного на-гружеиия влияние поверхности раздела может быть учтено несколькими способами. Например, можно предположить, что прочность поверхности раздела достаточно велика для передачи вне-осных нагрузок между волокнами и матрицей вплоть до момента разрушения композита. Такое предположение означает, что по-ве рхность раздела прочна и не разрушается. [33]
Даже для образцов одинаковой геометрии остаточные напряжения и напряжения, введенные механической деформацией, будут меняться при переходе от одной композитной системы к другой в силу различия их механических и термических характеристик. Представляется, что известные способы экспериментального определения позволяют оценивать прочность поверхности раздела лишь чисто качественно. [34]
Рассматривая значение поверхностей раздела как фактора, определяющего механические свойства волокнистых композитов, необходимо иметь в виду два возможных подхода. Анализ проблемы может быть сведен либо к исследованию влияния состояния и прочности поверхности раздела на свойства композита в целом, либо, напротив, к исследованию влияния свойств композита в целом на поведение поверхности раздела. Ни один из этих подходов не является исчерпывающим; они взаимосвязаны, так как поведение поверхности раздела влияет на характеристики композита, а последние, в свою очередь, влияют на поведение поверхности раздела. Поскольку в большинстве глав этой книги, в основном, принят первый подход, здесь целесообразно рассмотреть поведение поверхности раздела, главным образом, с другой точки зрения. [35]
Рассмотрим сначала случай твердой хрупкой частицы в относительно вязкой матрице. На поведение композита непосредственно влияют размер частиц, их объемная доля и прочность поверхности раздела. Частица действует как концентратор напряжений. Ее размер и расстояние до соседней частицы определяют взаимодействие между полями напряжений частиц. При разрушении такого композита трещина в непрерывной фазе ( матрице) будет многократно наталкиваться на частицы. Если прочность поверхности раздела между частицей и матрицей мала, то трещина будет вести себя, как при взаимодействии с порой, поскольку такая частица не способна передавать растягивающие напряжения, а радиус кривизны у нее меньше, чем у фронта трещины. В результате возможен рост вязкости разрушения. Это подтверждается данными для армированных пластиков, у которых прочность связи по поверхности раздела можно в известной степени регулировать с помощью специальной обработки поверхности упрочнителя. В работах Браутмана и Саху [4], а также Уамбаха и др. [49] было установлено, что вязкость разрушения композитов с матрицей из эпоксидной смолы, полиэфира или полифениленоксида, армированных стеклянными сферами, растет по мере снижения прочности связи по поверхности раздела. Помимо затупления вершины трещины предложены и другие механизмы, объясняющие повышение вязкости разрушения. Браутман и Саху, например, связывают его с увеличением трещинообразования и деформации в подповерхностных слоях. [36]
Степень совершенства композита как механического континуума имеет определяющее значение в отношении эксплуатационных характеристик, а также максимального использования упрочняющего эффекта более жесткой и прочной составляющей композита. Это означает, что атомная структура компонентов, разделенных поверхностью раздела, обусловливает ее когерентность и что прочность поверхности раздела не меняется от точки к точке. [37]
В цитированной ранее работе Николаса и др. [36], посвященной исследованию адгезии металлов к поликристаллической окиси алюминия, были испытаны образцы с различными значениями краевого угла из чистой меди и меди технической чистоты с высокой электропроводностью. Прочность поверхности раздела на растяжение, определенная из соотношения между прочностью связи и величиной краевого угла, составила 7 60 и 8 65 кГ / мм2 соответственно для чистой и технически чистой меди. Зти результаты показывают, что высокая прочность связи зависит не от смачивания и краевого угла, а от степени чистоты металла. [38]
Эти сжимающие остаточные напряжения компенсируют растягивающие радиальные напряжения, возникающие на поверхности раздела при последующем сжатии образца. Поэтому прочность поверхности раздела растет с ростом температур термической обработки. Однако, если интервал температур при охлаждении слишком велик, у концов волокна развиваются дополнительные термические напряжения сдвига. Они приводят к преждевременному разрушению образца у конца волокна, так что прочность связи уменьшается, если температура термической обработки превышает оптимальную. [39]
Для некоторых целей, например для оценки прочности связи, может быть полезно изучение поведения простых моделей волокно - матрица. Существует много такого рода исследований, относящихся к статическому нагружению, но очень небольшое количество для циклического нагружения. Для изучения прочности поверхности раздела на растяжение имеется альтернатива: либо нагружать волокно вдоль его оси на сжатие, вследствие чего, очевидно, возникнет равномерное растяжение по поверхности раздела; либо подвергать волокна поперечному растяжению, в результате чего возникнет неоднородное распределение напряжений около поверхности раздела. [40]
Недавно Николас [35] применил ( см. обсуждение системы Ni - A12O3) метод расчета предела прочности поверхности раздела на растяжение U из кривых зависимости прочности связи от краевого угла. Экспериментальные результаты соответствуют предложенной модели; при краевом угле 109 происходит переход от разрушения разрывом к разрушению сдвигом. Этот анализ показывает, что высокий предел прочности поверхности раздела на растяжение не зависит от смачивания. [41]
В этой модели 0 - сложное понятие, хара ктеризующее среднюю прочность поверхности раздела при растяжении, когда поперечное нагружение приводит к отделению волокна от матрицы; таким образом, величина л может зависеть от объемной доли волокон и их расположения, поскольку эти характеристики влияют на концентрацию напряжений. Модель Купера и Келли является важным шагом в исследовании общей взаимосвязи между прочностью поверхности раздела и поперечной прочностью, однако некоторые ее положения нуждаются в дальнейшем уточнении. [42]
Во многих ранних теоретических работах принималось, что прочность поверхности раздела достаточна для передачи нагрузки от растягивающих захватов на образец и ее равномерного распределения между волокнами. Кроме того, прочность поверхности раздела должна быть достаточной для перераспределения нагрузки между волокнами при разрушении одного из них. Эти теории - будем называть их теориями прочных поверхностей раздела - применимы, если прочность поверхности раздела превышает некоторую минимальную величину, необходимую для выполнения. Однако по мере того, как рос интерес к реальным системам, в которых на поверхности раздела протекает реакция, и внимание исследователей переключалось от слабых матриц модельных систем к характерным для практически ценных композитов прочным матрицам, стало очевидно, что прочность поверхности раздела не всегда достаточно высока, чтобы удовлетворять требованиям теорий прочных поверхностей раздела. Были развиты модели для случая, когда разрушение начинается у поверхности раздела; их назвали теориями слабых поверхностей раздела. Некоторые из них охватывают все возможные ситуации от прочной до слабой поверхности раздела; эти теории также будут рассмотрены. [43]
Как правило, прочность при поперечном растяжении уменьшается с увеличением продолжительности предварительного отжига при 811 К, а деформация разрушения обнаруживает тенденцию к некоторому росту. Прочность первого образца в табл. 2 ( неотожженного) низка, поскольку матрица не переведена в состояние твердого раствора. Во всех образцах имеет место разрушение смешанного типа. Значит, прочность поверхности раздела и сопротивление волокна расщеплению меняются в широких пределах, что, возможно, отчасти обусловлено постепенным разрушением окисной пленки между волокнами и матрицей. [44]
Страницы: 1 2 3 4