Прочность - поверхность - раздел
Cтраница 4
Как неотожженный образец ( рис. 15 6), так и образец после 100-часового отжига разрушаются по поверхности раздела. Однако разрушение поверхности раздела в этих случаях вызвано, вероятно, различными причинами. До термической обработки прочность связи проволоки с матрицей недостаточна, чтобы противостоять данной поперечной нагрузке, но отжиг увеличивает ее. Однако после отжига большой продолжительности прочность поверхности раздела снижается из-за пористости диффузионного происхождения. Пористость может облегчать отделение волокна от матрицы вблизи поверхности раздела. Хотя зона диффузионной пористости находится снаружи исходной поверхности раздела, этот тип повреждения также связан с поверхностью раздела. Несмотря на отрицательное влияние пористости, предварительный отжиг должен в целом увеличивать прочность поверхности раздела, поскольку прочность композита при отжиге возрастает. [46]
Методом сидячей капли при различных температурах и временах опыта авторы исследовали интервал углов смачивания для определения прочности связи в системе Ni - АЬОз. На рис. 13 Приведены результаты этой работы. Для объяснения полученных данных авторы рассмотрели действующие при испытаниях силы и изгибающие моменты. Были сделаны следующие предположения: 1) поверхность капли сферическая; 2) предел прочности поверхности раздела U одинаков по всей площади соприкосновения; 3) поверхность раздела плоская в ходе испытания; 4) поверхность раздела до разрушения находится в состоянии упругой деформации. [47]
Слоистые композиты, как показано, обладают тем преимуществом, что в них слабые плоскости могут быть ориентированы желательным образом. Эти композиты можно использовать как материал, задерживающий или распределяющий трещину. В обоих случаях поверхность раздела может быть почти так же прочна, как матрица, что не отражается на наблюдаемых закономерностях поведения композита; однако заметное снижение прочности поверхности раздела может привести к ухудшению других свойств. [48]
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. [49]
 |
Результаты усталостных испытаний при симметричной форме циклов с частотой 100 цикл / мин на моделях с отдельной прядью. 1 - расслаивание. 2 - разрушение. 3 - выпадающие точки. [50] |
В работе [8] представлены результаты испытаний образцов из смолы, содержащих отдельные пряди из 204 моноволокон, расположенных поперек шейки образцов из смолы, которые имели форму, пригодную для усталостных испытаний. Не было предложено каких-либо оценок прочности поверхности раздела. Для получения такой оценки было бы необходимо рассчитать среднюю деформацию по сечению пряди и затем сделать допущение о характере расположения волокон в этой пряди. [51]
В отсутствие матрицы эта характеристика представляет собой прочность пучка волокон; она принимает те же значения и при наличии матрицы, если прочность - поверхности раздела при сдвиге равна нулю. Влияние роста прочности поверхности раздела зависит от свойств упрочнителя. В этих случаях передача нагрузки на неразрушенные участки должна происходить по механизму, предусматривающему передачу нагрузки через поверхность раздела в матрицу. Когда поверхность раздела становится прочнее матрицы, сдвиг матрицы происходит легче, чем разрушение поверхности раздела, и дальнейшее увеличение прочности поверхности раздела уже не влияет на тип разрушения. Обзор указанных теорий имеется в гл. [52]
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. [53]
Николас [35] распространил свой анализ прочности поверхности раздела металл - окись алюминия на большое число металлов. На рис. 9 показаны определенные методом сдвига зависимости прочности связи от величины краевого угла для Fe, A1, Аи и Ag; расчетные кривые соответствуют опытным данным. Адгезия кобальта и урана к А1аО3 отсутствует. Очевидно, это обусловлено разрушением поверхности раздела вследствие объемных изменений при мартенситном превращении указанных металлов. В системе железо - окись алюминия поверхность раздела остается неповрежденной при фазовом превращении у - HI, так как оно происходит путем образования зародышей и их диффузионного роста при медленном охлаждении. Как следует из табл. 2, по-видимому, нет корреляции между прочностью поверхности раздела и работой адгезии № ад, подсчитанной по уравнению ( 13) на основании данных для систем жидкий металл - твердый окисел. [54]
Как неотожженный образец ( рис. 15 6), так и образец после 100-часового отжига разрушаются по поверхности раздела. Однако разрушение поверхности раздела в этих случаях вызвано, вероятно, различными причинами. До термической обработки прочность связи проволоки с матрицей недостаточна, чтобы противостоять данной поперечной нагрузке, но отжиг увеличивает ее. Однако после отжига большой продолжительности прочность поверхности раздела снижается из-за пористости диффузионного происхождения. Пористость может облегчать отделение волокна от матрицы вблизи поверхности раздела. Хотя зона диффузионной пористости находится снаружи исходной поверхности раздела, этот тип повреждения также связан с поверхностью раздела. Несмотря на отрицательное влияние пористости, предварительный отжиг должен в целом увеличивать прочность поверхности раздела, поскольку прочность композита при отжиге возрастает. [56]
Если волокна неоднородны по прочности из-за наличия слабых точек ( дефектов) или разрывов, трещина будет распространяться так, чтобы связать слабые точки. Вследствие этого трещина либо пройдет лишний участок пути в матрице ( прочная поверхность раздела), либо будет распространяться по поверхности раздела. Как показано выше, максимальная длина вытягиваемой части волокна определяется критической длиной. На рис. 1 схематически показаны некоторые из этих типов разрушения. На рис. 1, а показан характер разрушения композита с малой деформацией разрушения матрицы; согласно работе Джонса и Олстера [14], такое разрушение наблюдается в композитах алюминий - нержавеющая сталь. В этом случае предполагается, что прочность поверхности раздела высока, поскольку трещины соединяются путем сдвига матрицы. В случае рис. 1, в деформация разрушения волокна мала, но из-за малой прочности поверхности раздела трещина в матрице отклоняется слабо, поскольку волокна легко вытягиваются из матрицы. Такое поведение может быть присуще композиту алюминий - бор со слабой связью. [57]
Страницы: 1 2 3 4