Упрочнение волокнами

Волокно, находящееся в матрице, должно иметь более высокие значения модуля упругости, чем у матрицы (Е" > £**), что является одним из условий получения композиции с высокими механическими свойствами.

Теория композиционных материалов предполагает равномерное распре­деление волокон по объему матрицы, их одинаковую направленность и от­сутствие проскальзывания на поверхности раздела матрица — волокно вплоть до разрушения композиции. Нагрузка, таким образом, распределяется между волокнами и матрицей, а деформации композиций %*, матрицы ^^м и волокна %^ш будут одинаковы (^^к = £^м = £")■ Прочность композиции о* в

таком случае изменяется в зависимости от объемного содержания упроч­няющих волокон V (рис. 10.2).

Малое содержание объемной доли волокна в матрице (V < V^) снижает прочность композиции. Волокна, быстро нагружаясь до предельных напря­жений, разрушаются и нагрузку воспринимает только матрица, которая и

80-90

Рис. 10.2. Изменение прочности волокнистого материала в зависимости от содержания уп-рочнителя

определяет прочность компози­ции. Разупрочняющее действие волокон отмечается вплоть до Уф когда вначале происходит разрушение матрицы и дробле­ние волокон. При увеличении объемного содержания доли волокон (V* > К,ф) нагрузку воспринимают волокна, проч­ность которых определяет прочность всей композиции. Разрушение волокон под дейст­вием приложенной нагрузки приводит к быстрому разруше­нию матрицы.

Прочность композиции складывается из суммарной прочности волокон и матрицы:

о^ = о:Г + о,^м(1-Г). (10.1)

Аналогичным образом изменяется и модуль упругости композиции:

E^K=E^,V^t + E"(l-V). (10.2)

Прочность композиции растет до значений объемной доли волокна V «0,8 - 0,9, поскольку при больших значениях V* сложно заполнить про­странство между волокнами материалом матрицы, ухудшается сцепление волокна с матрицей и между ними возможно проскальзывание. Кроме того, в этом случае волокна близко расположены друг к другу, что не затрудняет распространение трещин от волокна к волокну.

Критический объем упрочняющих волокон в матрице определяют из уравнения

Ненагруженное состояние

/.>/«р -4

Нагруженное v состояние

кр

(10.3)

ст -<т_т

где о" — среднее напряжение

течения матрицы в момент разрушения волокон.

Из уравнения (10.3) сле­дует, что увеличение разницы в прочностных характеристи­ках волокон и матрицы умень­шает критическую объемную долю У_щ. Критическая объем­ная доля волокна в матрице может изменяться от 1 до 50%.

При упрочнении компо­зиции дискретными однона­правленными волокнами мат­рица передает нагрузку волок­нам путем пластической де­формации, пропорциональной приложенному напряжению. Волокно, имея более высокий модуль упругости, чем матри­ца (£" > £"), ограничивает сво­бодное удлинение матрицы, что приводит к искажению поля деформации. В зоне, при-

Рис. 10.3. Схема совместной деформации дис­кретного волокна и матрицы (а), эпюры распре­деления растягивающих напряжений а в волокне и напряжений сдвига на поверхности раздела матрица—волокно (б):

I — искаженное поле феформации; 2 — армирующее волокно; 3 — матрица

ей к волокну, удлинение матрицы равно упругому удлинению волокна

3).

Я увеличении нагрузки максимальные значения напряжений сдвига огра­ничиваются пределом текучести матрицы т". Такого значения тангенциальное

напряжение достигает на расстоянии — от конца волокна. Полное использова­ние упрочняющего действия волокна наблюдается в том случае, если напряжения в волокне не достигнут предела прочности а'_ь. Критическое значение длины во­локна определяют из уравнения равновесия элементов волокна и матрицы:

l/(4nd²a'_b) = l/(2izdl^), откуда

d 2< '

где d — диаметр армирующего волокна.

Критическая длина волокна /,,, пропорциональна напряжению разруше­ния волокна а'_ь.

Деформация композиционных материалов под нагрузкой, приложенной вдоль упрочняющих волокон, проходит в несколько стадий (рис. 10.4).

На I стадии матрица и волокно деформируются упруго. Механические характеристики а'_ь и £" определяются по формулам (10.1) и (10.2). На II ста­дии матрица переходит в упругопластичное состояние, а волокна деформи­руются упруго. Модуль упругости в том случае определяется по формуле:

^d°" А.

где------------ скорость деформацион-

ае

ного упрочнения матрицы.

На III стадии прочность компо­зиции резко снижается в связи с разрушением хрупких волокон и матрицы.

Рис. 10.4. Диаграмма растяжения воло­кон (/), матрицы (2) и композиции с од­нонаправленными волокнами (3)

Волокнистые композиции — ярко выраженный анизотропный материал, механические свойства которого самым существенным об­разом зависят от угла ориентации

—г-30

—i—60

волокон относительно дейст­вующей нагрузки (рис. 10.5). Устраняется этот недостаток только выбором материала для детали с пространственным ар­мированием волокнами, сетками или конструированием детали из композиционного материала та­ким образом, чтобы нагрузки действовали вдоль упрочняюще­го волокна.

90 «

Рис. 10.5. Зависимость прочности однона­правленной композиции от угла ориентации волокон относительно действующей нагрузки: 1 — матрица; 2 — волокна

Свойства границы раздела матрица — волокно, прежде все­го адгезионное взаимодействие матрицы и волокна, определяют уровень свойств композиции и их стабильность в процессе экс-

плуатации. Граница, обеспечивающая передачу нагрузки от матрицы на во­локно, должна отличаться стабильностью свойств. Адгезионная связь долж­на сохраняться при воздействии напряжений, вызванных различиями в тем­пературных коэффициентах линейного расширения матрицы и волокна.

На границе происходят диффузионные процессы, химические реакции, растворение и образование новых фаз, чаще интерметаллидов. С одной сто­роны, их образование увеличивает сцепление между матрицей и волокном, а с другой — понижает прочность волокна. Интерметаллиды — хрупкие фазы, способные разрушаться даже при незначительных деформациях. Обеспечить

же прочное сцепление матри-

цы и упрочняющего волокна без взаимодействия сложно. На практике для улучшения сцепления на волокна наносят покрытия, а матрицу легируют. Большое количество по­верхностей раздела (матрица — волокно) в волокнистых ком­позиционных материалах оп­ределяет их поведение при разрушении. Трещина, обра­зовавшаяся в матрице, при своем распространении через сечение многократно задержи­вается на границе матрица —

1 JI Зона вытягивания разрушения