Волокон границ

(

:>

Рнс. 10.6. Схематическое изображение трещины в матрице (а), распространяющейся в компози­ции перпендикулярно волокнам (б): 1 — матрица; 2 — волокна; 3 — трещина в матрице, 4 — волокна, вытянутые из матрицы

волокно. Распространение трещины сопровождается разрушением границы раздела и вытягиванием волокон из матрицы (рис. 10.6). Сопротивление распространению трещин при вытягивании волокон из матрицы возника­ет в виде сил трения между волокном и матрицей, а при разрушении гра­ниц — в разрыве связей между ними. Энергетические затраты на вытяги­вание волокон, разрыв связей между волокнами и матрицей существенно повышают сопротивление разрушению волокнистых композиционных материалов по сравнению с однородными.

В композиции, состоящей из хрупкой матрицы и хрупкого волокна, вяз­кость разрушения обеспечивается при реализации механизма разрушения путем вытягивания волокон, причем волокна должны быть выбраны соответ­ствующей длины /* ~ / и диаметра d = d_t (см. рис. 10.4). В композицион­ных материалах с хрупкой матрицей и эластичными волокнами вязкость раз­рушения повышают за счет увеличения диаметра непрерывных волокон, их прочности и объемного содержания. В таких материалах существен не толь­ко процесс вытягивания волокон, но и процесс разрушения самих волокон. При высокой прочности границы раздела волокно разрушается по достиже­нии предельной деформации, определяемой раскрытием трещины. Сопро­тивление разрушению может быть повышено снижением прочности связи между волокнами и матрицей. В этом случае прочность композиции на сдвиг и растяжение в направлении, перпендикулярном волокнам, снижается. Вяз­кость разрушения такой композиции повышается при упрочнении дисперс­ными волокнами (/ < /,ф), вытягивающимися из матрицы.

Вязкость разрушения композиции с пластичной матрицей и хрупким упрочняющим волокном повышается с увеличением диаметра волокон и их объемного содержания, а также с повышением пластичности и прочности матрицы.

Дж. Гордон и Дж. Кук изучали влияние прочности связи волокна с мат­рицей на характер распространения трещин в композиционном материале. Они показали, что впереди острия трещины наряду с растягивающими на­пряжениями (a_z) действуют поперечные напряжения (с_х). При определенном соотношении между ними под действием напряжения а_х возможно расслое­ние или разрушение границы волокна с матрицей. Трещина в этом случае распространяется не через волокно, а отводится в направлении, перпендику­лярном оси волокна (рис. 10.7). Таким образом, рост трещины тормозится в главном направлении и одна большая трещина, способная разрушить мате­риал, в композиции преобразуется во множество мелких ответвленных тре­щин. Структурные особенности композиционных материалов и связанный с этим прерывистый характер распространения трещины определяют их суще­ственное отличие в характере усталостного разрушения от наблюдаемого в металлах и сплавах. В композиционных материалах критическая длинна де-

матрица

матрица волокно

фекта (трещины) в связи с периодическими останов­ками ее на расслоениях по границе волокна с матри­цей, особенностями разру­шения матрицы, дроблени­ем волокон больше, чем в металлах и сплавах.

При одинаковых усло­виях испытаний время и число циклов до разруше­ния у композиционных ма­териалов больше, чем у металлов и сплавов.

Рис. 10.7. Схема расслоения границы матрица— волокно в композиционном материале: 1 — граница раздела; 2 — трещина