Разорванное волокно
Cтраница 3
Предельные состояния стеклопластика по разрушению как композитного армированного материала следует рассматривать при продольном растяжении в свете статистических представлений о последовательном разрыве стекловолокон на участки минимальной длины, зависящем от сочетания характеристик прочности волокон и сдвиговой прочности матрицы, а также возможных процессов релаксации напряжений у концов разорванных волокон и роста трещин в матрице. Для образования магистральной трещины макроразрушения необходимо в зоне напрягаемого объема протяженностью порядка двух минимальных длин разорванных волокон сосредоточение числа разрывов и сопутствующих микротрещин, достаточных для быстрого развития макроразрушения при максимальном значении достигнутой нагрузки. [31]
Розен [73] применил отмеченные статистические результаты к композиционным материалам. При этом в качестве длины звена цепи принималось расстояние, на котором напряжение по обе стороны от разорванного волокна выравнивается почти полностью. Эта длина тесно связана с длиной 1С передачи на волокно нагрузки и аналогичным образом зависит от прочности волокон и свойств поверхности раздела. Предполагалось, что, хотя в звене, содержащем разорванное волокно, последнее не дает вклада в прочность звена, в других местах несущая способность волокна остается неизменной. Статистическая информация о распределении дефектов была получена из измерений прочности испытанных моноволокон в зависимости от их длины; таким образом, рассчитывались свойства звеньев ( пучков), а затем и свойства всего композита. [33]
Последняя строка в (4.92) означает, что при достаточно большом времени любой взятый наугад элемент с вероятностью, равной единице, будет разорван. Для этого, однако, необходимо, чтобы остающиеся структурные элементы подгружались по мере выхода из работы разорванных волокон. [34]
Пусть матрица в окрестности разрывов волокон и поперечных трещин деформируется упруго. Плотность рассеянных повреждений в этом случае полностью задана с помощью меры xj j i % равной отношению числа разорванных волокон к общему числу структурных элементов. [35]
Именно этим объясняется тот факт, что при испытании бумаги на разрыв с увеличением степени помола бумажной массы возрастает количество разорванных волокон в бумаге, изготовленной из этой массы. Дело в том, что в результате процесса размола растительных волокон силы связи между ними в готовой бумаге увеличиваются, а прочность самих волокон, определяемая по нулевой разрывной длине, снижается. [36]
Зарождение усталостных трещин в композитах отличается от зарождения усталостных трещин в металлах только тем, что, кроме свободных поверхностей, играющих роль мест зарождения трещин, новым источником усталостных трещин в композитах служат разорванные волокна. Эта проблема, естественно, является более острой для случая хрупких волокон, наличия хрупких покрытий на волокнах или хрупких продуктов реакций на поверхностях раздела. Важно, что зарождение трещин происходит во внутренних точках и не без труда поддается наблюдениям или контролю методами неразрушающих испытаний. Будут ли усталостные трещины зарождаться на самом деле у разорванных волокон или нет, зависит от величины соответствующего коэффициента интенсивности напряжений, который пропорционален диаметру волокна ( длине начальной трещины) и амплитуде напряжений. Последующий рост трещин определяется упругими свойствами, пределом текучести и характеристиками механического упрочнения компонентов, а также прочностью границы раздела волокна и матрицы и ее микроструктурой. [37]
В настоящей главе рассматриваются микромеханические аспекты процесса разрушения и обсуждается их влияние на такие макроскопические свойства, как прочность, пластичность, вязкость разрушения. Удобно разделить возможные процессы разрушения на два типа в зависимости от того, определяется ли разрушение достижением условия неустойчивости материала типа условия предельных деформаций или напряжений или разрушение развивается под воздействием некоторых дискретных инициаторов разрушения, например разорванных волокон или надрезов, от которых может начаться рост вызывающей разрушение трещины. [38]
Если композит состоит из п волокон, то в идеальном случае прямолинейных волокон с одинаковым модулем и одинаковой площадью поперечного сечения усилия распределяются между этими волокнами равномерно. Распределение усилий между разорванным волокном и соседним, еще не разорванным, осуществляется в результате сдвиговой деформации матрицы, и на некотором расстоянии / о от места обрыва наличие обрыва практически не будет сказываться на распределении усилий, величина усилия в оборванном волокне будет почти та же, что и в соседних необорванных волокнах. Длина Z0 называется неэффективной длиной, длина 2Z0 принимается за длину пучка, к которому применяется изложенная в § 20.4 теория. Для оценки неэффективной длины применяются различные схемы, которые мы и рассмотрим. [39]
 |
Схема процессов микроразрушения, протекающих в вершине растущей трещины хрупкого волокнистого композиционного материала. [40] |
При отслаивании затрачивается энергия, поскольку волокна должны перемещаться относительно матрицы. Волокна, отделенные от матрицы и подвергнутые действию растягивающих напряжений до разрушения при дальнейшем распространении трещины, могут разрываться в матрице далеко от плоскости трещины. Чтобы образец разделился на две части, концы разорванных волокон должны быть извлечены из матрицы. [41]
Это поведение бумаги формально аналогично разрушению на молекулярном уровне монолитных полимерных материалов, в частности самих волокон. Соотношение между количеством нарушенных контактов и количеством разорванных волокон должно в этом случае определяться удельной прочностью связей между волокнами и удельной прочностью самих волокон. Действительно, анализ показывает [15], что число разорванных волокон при разрушении сухой бумаги достигает 75 % от общего их числа. [42]
В настоящем изложении следует, однако, отметить, что не все формы дефектов с необходимостью вызывают уменьшение прочности композита. Если критическая длина трещины соответствует нескольким расстояниям между волокнами, группа в несколько разорванных волокон будет неспособна вызвать разрушение при значительно сниженном уровне напряжений. Как будет видно ниже, можно рассчитать теоретические коэффициенты концентрации напряжений, связанные с конкретным расположением разорванных волокон, и можно предположить, что данная концентрация напряжений будет в известной степени снижать прочность композита. Но это произойдет лишь в случае, если не существует возможности локального течения, расслаивания или для других форм релаксации напряжений вблизи дефекта. [43]
Розен [73] применил отмеченные статистические результаты к композиционным материалам. При этом в качестве длины звена цепи принималось расстояние, на котором напряжение по обе стороны от разорванного волокна выравнивается почти полностью. Эта длина тесно связана с длиной 1С передачи на волокно нагрузки и аналогичным образом зависит от прочности волокон и свойств поверхности раздела. Предполагалось, что, хотя в звене, содержащем разорванное волокно, последнее не дает вклада в прочность звена, в других местах несущая способность волокна остается неизменной. Статистическая информация о распределении дефектов была получена из измерений прочности испытанных моноволокон в зависимости от их длины; таким образом, рассчитывались свойства звеньев ( пучков), а затем и свойства всего композита. [45]
Страницы: 1 2 3 4