Классификация композиционных материалов

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение....................................................................................................................................
1.	Классификация композиционных материалов..............................................................
	1.1.	Цели и задачи создания композиционных материалов (КМ)..........................
	1.2.	Классификация композиционных материалов по виду
		материала матрицы, ориентации и типу арматуры, назначению....................
	1.3.	Требования, предъявляемые к армирующим волокнам и
		материалу матриц.................................................................................................
2.	Теоретические основы конструирования композиционных материалов...................
	2.1.	Модули нормальной упругости в направлении оси волокон
		и в перпендикулярном направлении..................................................................
	2.2.	Коэффициент Пуассона и модуль сдвига для однонаправленно
		армированных композиционных материалов....................................................
	2.3.	Прочность КМ, армированных непрерывными и дискретными
		волокнами..............................................................................................................
		2.3.1.	Композиционные материалы, армированные непрерывным
			волокном.................................................................................................
		2.3.2.	Композиционные материалы, армированные дискретными
			волокнами...............................................................................................
	2.4.	Статистическая прочность композиционных материалов...............................
	2.5.	Формирование и развитие трещин в КМ...........................................................
	2.6.	Прочность КМ на сжатие....................................................................................
3.	Методы контроля свойств композиционных материалов............................................
	3.1.	Методы определения механических свойств армированных КМ...................
		3.1.1.	Растяжение.............................................................................................
		3.1.2.	Сжатие....................................................................................................
		3.1.3.	Сдвиг.......................................................................................................
		3.1.4.	Изгиб.......................................................................................................
	3.2.	Испытания кольцевых образцов.........................................................................
		3.2.1.	Растяжение.............................................................................................
		3.2.2.	Сжатие....................................................................................................
	3.3.	Анализ структуры КМ и механизмов ее разрушения.......................................
		3.3.1.	Микроскопический анализ...................................................................
		3.3.2.	Фрактографический анализ..................................................................
4.	Межфазное взаимодействие в композиционных материалах......................................
	4.1.	Термодинамическая и кинетическая совместимость компонентов................
	4.2.	Виды межфазного взаимодействия....................................................................
	4.3.	Влияние поверхности раздела на прочность и характер разрушения.............
	4.4.	Типы связи между компонентами......................................................................
	4.5.	Процессы диффузии между компонентами КМ...............................................
		4.5.1.	Уравнения Дика.....................................................................................
		4.5.2.	Диффузия через плоскую поверхность...............................................
		4.5.3.	Диффузия в среде со сферической симметрией.................................
		4.5.4.	Диффузия в среде с цилиндрической симметрией............................
	4.6.	Смачивание и растекание....................................................................................
		4.6.1.	Поверхностное натяжение....................................................................
		4.6.2.	Поверхностная энергия твердых тел...................................................
		4.6.3.	Свободная поверхностная энергия на границе
			твердое тело-жидкость..........................................................................
		4.6.4.	Смачивание в системах «твердые металлы-
			жидкие металлы»...................................................................................
		4.6.5.	Смачивание в системах «твердые соединения-
			жидкие металлы»...................................................................................
5.	Методы получения и свойства армирующих материалов............................................
	5.1.	Металлические волокна.......................................................................................
		5.1.1.	Стальная проволока..............................................................................
		5.1.2.	Вольфрамовая и молибденовая проволока.........................................
		5.1.3.	Проволока из бериллия.........................................................................
		5.1.4.	Титановая проволока............................................................................
		5.1.5.	Биметаллическая проволока.................................................................
	5.2.	Стеклянные волокна (СВ)...................................................................................
	5.3.	Волокна бора, карбида кремния и борсика........................................................
		5.3.1.	Борные волокна.....................................................................................
		5.3.2.	Волокна из карбида кремния, борсика................................................
	5.4.	Углеродные волокна............................................................................................
		5.4.1.	Исходные материалы и химические превращения при
формировании углеродного волокна...................................................
		5.4.2.	Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила.........................
		5.4.3.	Углеродные волокна на основе пека...................................................
		5.4.4.	Углеродные волокна на основе гидратцеллюлозы............................
		5.4.5.	Свойства углеродных волокон
			5.4.5.1. Механические свойства........................................................
			5.4.5.2. Физические свойства............................................................
			5.4.5.3. Химические свойства...........................................................
	5.5.	Нитевидные кристаллы........................................................................................
	5.6.	Керамические волокна.........................................................................................
		5.6.1.	Монокристаллические керамические волокна...................................
		5.6.2.	Поликристаллические керамические волокна....................................
6.	Металлические матрицы композиционных материалов..............................................
	6.1.	Матрицы на основе алюминия............................................................................
		6.1.1	Технический алюминий.......................................................................
		6.1.2.	Деформируемые алюминиевые сплавы..............................................
		6.1.3.	Литейные алюминиевые сплавы.........................................................
	6.2.	Матрицы на основе магния.................................................................................
	6.3.	Матрицы на основе титана..................................................................................
	6.4.	Матрицы на основе меди.....................................................................................
	6.5.	Матрицы на основе никеля..................................................................................
7.	Технология и свойства металломатричных композиционных материалов................
	7.1.	Требования, предъявляемые к процессам получения КМ...............................
	7.2.	Композиционные материалы на основе алюминия..........................................
		7.2.1.	Алюминий-сталь...................................................................................
		7.2.2.	Al-B и алюминий-борсик......................................................................
		7.2.3.	Al-SiC......................................................................................................
		7.2.4.	Al-C.........................................................................................................
		7.2.5.	Al-SiO2....................................................................................................
		7.2.6.	Al-W........................................................................................................
		7.2.7.	Al-Be.......................................................................................................
		7.2.8.	Алюминий-НК Al2O3, алюминий-НК SiC...........................................
		7.2.9.	Применение...........................................................................................
	7.3.	Композиционные материалы на основе магния................................................
		7.3.1	Mg-Be......................................................................................................
		7.3.2.	Mg-SiC....................................................................................................
		7.3.3.	Mg-Ti.......................................................................................................
	7.4.	Композиционные материалы на основе титана................................................
		7.4.1.	Ti-Be........................................................................................................
		7.4.2.	Ti-SiC......................................................................................................
		7.4.3.	Титан-борсик.........................................................................................
		7.4.4.	Ti-Al2O3..................................................................................................
		7.4.5.	Применение...........................................................................................
	7.5.	Композиционные материалы на основе меди...................................................
		7.5.1.	Cu-W.......................................................................................................
		7.5.2.	Cu-C........................................................................................................
		7.5.3.	Применение...........................................................................................
	7.6.	Композиционные материалы на основе никеля................................................
		7.6.1.	Ni-W........................................................................................................
		7.6.2.	Ni-Al2O3..................................................................................................
		7.6.3.	Ni-Si3N4..................................................................................................
		7.6.4.	Ni-SiC......................................................................................................
		7.6.5.	Ni-C.........................................................................................................
		7.6.6.	Применение...........................................................................................
8.	Эвтектические композиционные материалы................................................................
	8.1.	Общая характеристика.........................................................................................
	8.2.	Ориентационные и структурные характеристики.............................................
	8.3.	Методы и условия получения эвтектических КМ.............................................
		8.3.1.	Методы направленной кристаллизации..............................................
		8.3.2.	Условия образования направлений эвтектической структуры.........
		8.3.3.	Условия образования волокнистой и пластинчатой структуры.......
	8.4.	Эвтектические композиционные материалы на основе алюминия.................
	8.5.	Эвтектические композиционные материалы на основе титана и ниобия.......
9.	Технология и свойства композиционных материалов на
полимерной матрице (ПКМ)...........................................................................................
	9.1.	Полимеры..............................................................................................................
	9.2.	Наполнители ПКМ...............................................................................................
		9.2.1.	Порошкообразные наполнители..........................................................
		9.2.2.	Волокнистые наполнители...................................................................
	9.3.	Получение полимерных композиционных материалов и изделий из них......
	9.4.	Углепластики........................................................................................................
		9.4.1.	Выбор полимерной матрицы...............................................................
		9.4.2.	Выбор углеродных волокон и наполнителей.....................................
		9.4.3.	Методы формования углепластиков...................................................
		9.4.4.	Свойства углепластиков.......................................................................
10.	Углерод-углеродные композиционные материалы......................................................
	10.1.	Кристаллические формы углерода.....................................................................
	10.2.	Объемные структуры на основе углеродных волокон.....................................
	10.3.	Матрицы УУКМ...................................................................................................
		10.3.1.	Пиролитический углерод......................................................................
		10.3.2.	Стеклоуглерод.......................................................................................
		10.3.3.	Углерод на основе пеков......................................................................
	10.4.	Технология получения УУКМ............................................................................
		10.4.1.	Газофазный способ................................................................................
		10.4.2.	Жидкофазный способ...........................................................................
		10.4.3.	Комбинированный способ....................................................................
	10.5.	Свойства углерод-углеродных композиционных материалов.........................
	10.6.	Применение..........................................................................................................
11.	Применение композиционных материалов...................................................................
	11.1.	Применение КМ в автомобилестроении............................................................
	11.2.	Применение КМ в гражданской авиации..........................................................
	11.3.	Применение КМ в военных самолетах...............................................................
	11.4.	Применение КМ в космических летательных аппаратах.................................
	11.5.	Композиционные материалы в судостроении...................................................
	11.6.	Применение КМ для изготовления спортивных изделий................................
	11.7.	Другие области применения КМ........................................................................
Заключение................................................................................................................................
Библиографический список.....................................................................................................

Введение

 

Естественные волокнистые материалы известны с далеких времен. Достаточно внимательно посмотреть на растительные и животные вещества, имеющиеся на земле, чтобы увидеть, что армированные композиционные материалы уже давно используются самой природой. Кость, волосы, ногти на пальцах являются примерами этих материалов. Кость представляет собой композиционный материал на основе минерального апатита и белка коллагена. Дерево представляет собой композиционный материал на основе целлюлозы и лигнина. использования их для работы при повышенных температурах, низким сопротивлением эрозии при воздействии газовых потоков, недостаточно длительной стойкостью в контакте с водой и во влажной атмосфере и т.д. Поэтому особое внимание конструкторов и материаловедов в последние годы было обращено на разработку КМ с металлическими матрицами, лишенных указанных ранее недостатков. Эта задача оказалась значительно более сложной по двум основным причинам. Первая из них связана с более сильным по сравнению с полимерами реакционным взаимодействием металлов с материалом волокон, вторая обусловлена значительно большим различием физико-механических свойств компонентов, входящих в КМ.

Температура изготовления КМ с металлическими матрицами обычно выше, чем с матрицами из органических смол. Поэтому проблема химической и термомеханической совместимости компонентов в этих КМ значительно более серьезная как в научном, так и в технологическом плане. Наиболее простые пути ее решения следующие: 1) использование вариантов технологии с низкими температурами компактирования КМ, преимущественно в твердом состоянии; 2) применение термодинамически и химически стойких барьерных слоев между компонентами в тех случаях, когда не удается использовать компоненты, которые взаимно термодинамически стабильны или находятся в равновесии; 3) выбор компонентов по возможности с меньшей разницей коэффициентов термического расширения; 4) использование для матриц сплавов с пластичностью, достаточно высокой для релаксации напряжений при компактировании, последующих переделах и эксплуатации.

При выборе процесса получения КМ и оптимизации его технологических параметров необходимо одновременно учитывать необходимость обеспечения следующих условий: полное уплотнение КМ с равномерным распределением волокон в матрице, образование прочной связи между компонентами, ограничение развития химического взаимодействия между ними из-за опасности образования хрупких промежуточных фаз недопустимой толщины, предупреждение дробления волокон, производительность, простоту и технологичность конструкции, возможность последующего соединения ее элементов и т. д.

КМ с металлическими матрицами имеют ряд неоспоримых преимуществ, которые делают их весьма перспективными для использования в конструкциях, работающих в экстремальных эксплуатационных условиях: высокие удельные прочность, жесткость, вязкость разрушения, малую чувствительность к изменениям температуры и тепловым уларам, высокую стойкость против коррозии и эрозии, малую чувствительность к поверхностным дефектам, высокие демпфирующие свойства, электро- и теплопроводность, технологичность при конструировании, обработке и соединении, хорошую воспроизводимость свойств.

В настоящее время для снижения анизотропии механических свойств КМ с однонаправленным и ортогональным армированием в качестве матрицы используют конструкционные сплавы повышенной прочности. Иногда применяют полиматричные КМ, в которых для повышения прочности под углом к основным направлениям армирования используют поочередно слои матрицы из сплавов с различными механическими свойствами.

По сравнению с двумя другими видами КМ с металлическими матрицами (слоистыми и упрочненными дисперсными частицами) КМ, армированные волокнами, позволяют получать механические и специальные физические свойства более высокого уровня.

По принципу упрочнения к классу КМ, упрочненных волокнами, относятся также естественные КМ, получаемые методом направленной кристаллизации сплавов эвтектического состава и ориентированного роста в твердом состоянии, например эвтектоидных колоний в сталях. Кроме того, к числу волокнистых КМ можно отнести и материалы, армированные нитевидными кристаллами.

К этому классу КМ относятся материалы, в которых упрочняющим элементом являются наночастицы и нановолокна, разработанные в последние годы.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цели и задачи создания композиционных материалов (КМ)

В широком смысле понятие композиционный материал (КМ) (его синонимами являются композит, композиция) – включает в себя любой материал с гетерогенной… Такое определение позволяет отнести к числу КМ подавляющее большинство… Первым создателем КМ была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости животных, скелеты…

Классификация композиционных материалов по виду материала

Матрицы, ориентации и типу арматуры, назначению

Армированные КМ можно классифицировать по следующим признакам. По материалу матрицы (материаловедческий принцип) все КМ можно разбить на три группы:… Полимерные КМ обычно называют по материалу армирующих волокон. ПКМ,… В отношении металлических и керамических КМ пока нет четко установленных правил присвоения названий. Чаще других…

Требования, предъявляемые к армирующим волокнам и материалу матриц.

Волокна используются в качестве арматуры КМ. Они должны обладать небольшой плотностью, высокой прочностью во всем интервале рабочих температур,… Высокопрочная металлическая проволока из стали, вольфрама, молибдена и других… Роль матрицы в армированных КМ заключается в придании изделию необходимой формы и создании монолитного материала.…

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для разработки теории поведения армированных материалов при различных видах нагружения применяются макро- и микромеханический подходы. При… Микромеханический подход предусматривает рассмотрение… Закон Гука устанавливает связь между напряжениями σ, действующими на тело, и относительными упругими деформациями…

Модули нормальной упругости в направлении оси волокна

И в перпендикулярном направлении

  Рассмотрим, как рассчитать модули упругости армированных КМ по известным… Основные допущения, применяемые в расчете, сводятся к тому, что и волокна и матрица – изотропные упругие материалы,…

Коэффициент Пуассона и модуль сдвига для однонаправленно

Армированных композиционных материалов

При растяжении происходит уменьшение диаметра образца (или – ширины, толщины). При деформации стержня относительная продольная деформация . Причем .… Следовательно по определению коэффициент Пуассона композиции (2 13)

Прочность КМ, армированных непрерывными и дискретными

Волокнами

Композиционные материалы, армированные непрерывным волокном

Развитие методов расчета прочности изделий и конструкций из КМ основывается на использовании следующих трех принципов: 1) расчетная модель и… Сложность строения КМ и существенные отличия в их поведении при деформировании… В связи с этим в настоящее время расчеты на прочность изделий из КМ с учетом их оптимизации при проектировании…

Правило смесей

Так как свойства КМ определяются свойствами составляющих его матрицы и арматуры, то необходимо установить зависимость свойств КМ от концентрации…  

Оптимальная объемная доля волокон

В соответствии с уравнением (2.19) прочность КМ должна возрастать пропорционально объемной концентрации волокон Vв. Но это уравнение способно… С одной стороны, существуют чисто геометрические ограничения, связанные с… ,

Удельная прочность композиции

Удельная прочность композиции σуд – это отношение предела прочности материала σв к удельной массе g: σуд = σв/g. Измеряют… Удельную массу КМ gк можно рассчитать по формуле:

Влияние ориентации волокон на прочность КМ

В технике обычно использую анизотропные КМ с определенной симметрией свойств. При изучении их физико-механических характеристик реальный, как… Рассмотрим прочность однонаправленного КМ при воздействии растягивающих…  

Композиционные материалы, армированные дискретными

Волокнами

 

Критическая длина волокон

В КМ, армированном параллельно уложенными короткими волокнами длиной l и нагруженном вдоль волокон, нагрузка передается волокнам касательными… При l > lкр волокна разрушаются от растягивающих напряжений, при этом чем… Критической длиной волокна lкр называют минимальную длину волокон, при которой они разрушаются в КМ. Значение lкр…

Правило смесей

Прочность в направлении армирования для КМ, упроченных параллельными отрезками волокон, можно оценить по правилу смесей с учетом концевого эффекта.…  

Распределение напряжений по длине волокон

Разработано несколько моделей, позволяющих установить распределение напряжений. Приводят эти модели к качественно одинаковым результатам. Мы…  

Статистическая модель разрушения композиционных материалов

Если композиция состоит из прочных, пластичных волокон и пластичной матрицы, то разброс прочностных характеристик компонентов мал и прочность такого… Если же композиция состоит из хрупких волокон с большим разбросом прочности и… При нагружении КМ хрупкая матрица - хрупкое волокно разрыв, появившийся в одном сечении, не приводит к разрушению всех…

Статистическая прочность композиционных материалов

Неэффективно нагруженные участки волокон имеются и при растяжении КМ с непрерывной арматурой. Обычно такие волокна обладают существенным разбросом… Условимся называть неэффективной длиной волокна l* такое расстояние от его… ,

Прочность пучка волокон

Волокно длиной l мысленно разделим на равные отрезки, длина которых равна диаметру dв волокна. Число таких отрезков Всегда имеющиеся в волокне дефекты (они могут появиться при получении или при нагружении волокон) статистически…

Анализ применимости статистической теории для оценки прочности КМ

(2.45) Уравнение (2.45) позволяет установить влияние свойств компонентов на прочность КМ. С увеличением l*/dв прочность КМ…

Формирование и развитие трещин в КМ

Рассмотрим поведение трещины в однородном (некомпозиционном) материале. Кристаллические тела имеют высокую прочность в двух случаях: совершенные,… Пластичность при упрочнении определяется подвижностью дислокаций. В малодефектном и бездефектном твердом теле…

Прочность КМ на сжатие

  Рис. 2.20. Двумерная модель сжатия однонаправленного КМ при симметричном (а) и асимметричном (б) выпучивании волокон …

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Методы определения механических свойств армированных КМ

Определение механических свойств КМ имеет ряд особенностей по сравнению с аналогичным процессом для обычных изотропных материалов. Эти особенности… Анизотропные материалы нуждаются в определении большего числа упругих и… Специфическая структура армированных КМ требует учитывать особенности их поведения при различных видах нагружения.…

Растяжение

Особенность испытаний армированных материалов на растяжение заключается в том, что у них более резко, чем у обычных выражены концевые эффекты,… Рис. 3.1. Образцы-полоски для испытаний боропластиков на растяжение – с накладками из стеклотекстолита (а) и…

Сжатие

Прочность и жесткость анизотропных армированных материалов при сжатии определяют по тем же формулам, что и при растяжении. Однако простота и аналогия с растяжением здесь только кажущиеся, так как механизмы разрушения КМ при сжатии и растяжении отличаются друг от друга.

Одна из основных причин разрушения армированных материалов под действием сжимающих нагрузок – это потеря устойчивости волокнами. Она может произойти из-за слабого сопротивления КМ сдвиговым напряжением, либо из-за выпучивания слоев арматуры, расположенных вблизи боковых поверхностей образца. В последнем случае на диаграммах Р-Dl наблюдаются характерные переломы и использование таких диаграмм для определения показателей жесткости и прочности может привести к ошибочным результатам. Значительно исказить результаты может неточная установка образцов, неправильный выбор их размеров и формы, приводящие к неоднородному напряженному состоянию в рабочей части образца.

Подход к определению прочности и упругих констант при сжатии должен быть дифференцированным. Определяя модули упругости, используют длинные образцы, имеющие достаточно однородное поле напряжений в рабочей части. Для определения прочности можно применять более короткие образцы (рис. 3.4), хотя и в этом случае размеры их могут влиять на показатели прочности. У образцов в форме куба со стороной 12 мм прочность при сжатии оказывается в 1,5 раза ниже, чем у образцов в виде тонких пластин 78x18x2, и почти в 2 раза ниже, чем у образцов - лопаток таких же размеров. Объясняется это тем, что в коротких образцах деформации по длине рабочей части неравномерны, поперечная деформация образцов стеснена трением в опорных поверхностях. В длинных же образцах ограничение деформации в опорах значительно меньше влияет на поведение материала в рабочей зоне.

 

Рис. З.4. Прочность при сжатии (σ_в^сж)_к образцов разной формы (заштрихован разброс экспериментальных данных)

При испытаниях на сжатие применяют параллелепипеды, двусторонние лопатки и образцы с круглым поперечным сечением. Рекомендации по выбору размеров образцов есть только для полимерных КМ.

Образцы-параллелепипеды следует применять, измеряя в условиях сравнительно небольших нагрузок упругие постоянные материалов, нагружаемых вдоль главных осей. Ширину b выбирают в диапазоне 13...30мм, длину l рассчитывают так, чтобы гибкость образца находилась в интервале 11...15 {J_min – минимальный момент инерции; F – площадь поперечного сечения образца). Чтобы предотвратить смятие концов образца, на них наклеивают накладки, материал которых выбирают так же, как и при испытаниях на растяжение.

Образцы-параллелепипеды используют и для определения характеристик при сжатии образцов с ориентацией волокон под углом 45° к сжимающей нагрузке. В этом случае, чтобы устранить влияние концевых эффектов, нужно выдержать соотношение l/b ³ 3.

Двусторонние лопатки типа изображенных на рис. 3.2. имеют четко выраженную рабочую часть. Их используют, измеряя жесткость и прочность КМ с различной ориентацией арматуры. При испытаниях тонких образцов для предотвращения их выпучивания применяют специальные приспособления, поддерживающие широкие поверхности образца призматическими выступами или мягкими наполнителями, не стесняя деформации в другом поперечном направлении. Чтобы исключить смятие торцов, на концы образца иногда наклеивают тонкие металлические накладки или наконечники.

Наконечники из металла или других материалов используют и при испытаниях образцов с круглым поперечным сечением, которые обеспечивают меньший разброс значений прочности и жесткости. Такие образцы применяют обычно, испытывая армированные металлы и легко обрабатываемые полимерные КМ (например, углепластики).

При испытании на сжатие очень важно обеспечить параллельность торцов. Тангенс угла между осью образца и направлением приложения нагрузки не должен превышать 0,001. Как правило, у полимерных и металлических КМ твердость волокон значительно больше твердости матрицы, из-за чего удается получить гладкие опорные поверхности образца – концы волокон выступают над поверхностью матрицы. Чтобы обеспечить полный контакт между торцами образца и пуансоном испытательной установки, рекомендуется изготовлять пуансоны из мягкой стали. Применение наконечников на образцах также способствует улучшению условий испытаний.

Прочность некоторых КМ при сжатии ниже, чем при растяжении, так как при сжатии тонкие волокна не успевают полностью реализовать свою высокую прочность из-за потери устойчивости. Но, если диаметр волокон большой (100 мкм и более) и они имеют высокую жесткость, а следовательно, и хорошую устойчивость, прочность КМ при сжатии может оказаться выше, чем при растяжении, как это и имеет место у боропластиков.

 

Сдвиг

КМ на полимерной и металлической основах обычно состоят из сравнительно малопрочной, низкомодульной матрицы и высокопрочных, высокомодульных волокон. Для такого типа материалов характерно слабое сопротивление сдвиговым напряжением. В первую очередь это относится к армированным пластикам.

Рис 3.5. Схема сдвига в КМ с ориентированной структурой; а – в плоскости укладки арматуры (τ_ху = τ_ух); б- межслойного (τ_хz = τ_zх)

В КМ с ориентированной структурой различают два вида сдвиговых деформаций (рис. 3.5): сдвиг в плоскости укладки арматуры, происходящей под действием касательных напряжений τ_ху и τ_ух (рис. 3.5, а), и межслойный сдвиг, обусловленный действием касательных напряжений τ_хz и τ_zх (рис. 3.5, б). Основное влияние на модули сдвига и сдвиговую прочность оказывает матрица.

 

Рис. 3.6. Образец (а) и стандартный шарнирный четырехзвенник (б) для испытания армированных материалов на сдвиг: 1 – образец; 2 – захват; 3 – ось шарнира; 4 – подвижное звено

При испытаниях на сдвиг в плоскости укладки арматуры определяют модуль сдвига G_xy и сдвиговую прочность τ_ху. Один из наиболее распространенных методов определения их – метод перекашивания пластин в шарнирном четырехзвеннике (рис. 3.6) Крестообразную пластину - образец (рис. 3.6, а) закрепляют шпильками с 4-х сторон в шарнирном четырехзвеннике (рис. 3.6, б), который растягивается силой Р вдоль одной из диагоналей пластины. Модуль сдвига G_ху определяют по формуле:

,

где:

Р – растягивающая нагрузка;

а – размер стороны рабочей части пластины (сторона а = 100 мм);

h – толщина рабочей пластины;

e₁ и e₂ – относительные деформации пластины вдоль диагоналей растяжения и сжатия соответственно.

Сдвиговую прочность τ_ху в плоскости листа рассчитывают из соотношения:

.

У рассмотренных конструкций образца и четырехзвенника есть существенный недостаток – в углах рабочей части возникает концентрация напряжений, а у мест крепления возможно выпучивание образцов. При испытаниях сильно анизотропных материалов это приводит к погрешностям. Для таких материалов лучше изготовить образцы в виде пластин с пропилами, а испытания проводить на несколько модернизированных четырехзвенниках.

 

Изгиб

Изгибными испытаниями изотропных материалов обычно определяют модуль упругости Е_и и предел прочности σ_и при изгибе. При этом используют известные из курса сопротивления материалов зависимости между экспериментально замеряемыми нагрузками Р и соответствующими им прогибами ω образцов - балок. Например, при трехточечном изгибе стержня (рис. 3.7, а) модуль Е_и и прочность σ_и определяют по формуле:

; (3.1)

, (3.2)

где:

Р – текущая нагрузка, соответствующая прогибу ω_mах в середине пролета балки;

l – расстояние между опорами;

b – ширина образца;

h – его высота;

J – момент инерции поперечного сечения стержня.

Кроме нормальных, в изгибаемой банке действуют и касательные напряжения, влияние которых на прочность и жесткость изотропных материалов пренебрежимо мало.

Уравнения (3.1) и (3.2) не учитывают возможность межслойных сдвигов, поскольку для изотропного материала само понятие слоев не имеет смысла – он равнопрочен во всех направлениях. Наблюдаемая на практике некоторая анизотропия свойств у реальных гомогенных материалов, связанная с влиянием пластической деформации, неравномерной кристаллизацией и т.п., обычно выражена значительно слабее, чем у армированных материалов, и ею при использовании указанных зависимостей можно пренебречь. Композиционный армированный материал представляет собой по сути дела составную к6нструкцию, одним из слабых мест которой является низкая сдвиговая жесткость и прочность в некоторых направлениях. Поэтому применение к ним обычных формул теории изгиба, не учитывающих структурных особенностей, может привести к грубым ошибкам.

Разрушение изотропных материалов при изгибе как правило происходит под действием нормальных напряжений. Армированные анизотропные композиции при трехточечном изгибе в зависимости от размеров образца могут разрушаться как от нормальных, так и от касательных напряжений. В последнем случае формула (3.2) для определения прочности не применима, поскольку фактически определяется уже не прочность при изгибе, а прочность τ_сдв при межслойном сдвиге, равная

(3.3)

Таким образом, при изгибных испытаниях в зависимости от характера разрушения образца можно определить прочность или по касательным, или по нормальным напряжениям. На практике в образце всегда действуют оба вида напряжений и для анизотропных материалов, определяя свойства при изгибе, следует учитывать их взаимное влияние.

Рис. 3.7. Схемы нагружения образцов при испытании на изгиб: а – трехточечная; б – чистый изгиб; в, г – четырехточечные; д – пятиточечная; е – с защемленными концами

Рассмотрим существующие методы испытаний КМ на изгиб.

 

Трехточечный изгиб

(З.4) где: α – коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения балки (для прямоугольного сечения α » 1,2);

Чистый изгиб

При чистом изгибе нет сдвиговых деформаций, напряженное состояние по всей длине образца однородно и разрушение из-за касательных напряжений… Модули находят из следующих соотношений: ,

Четырехточечный изгиб

Часто четырехточечный изгиб называют чистым изгибом. Действительно, на участке между точками приложения сил по первому способу и между опорами по… Опасность разрушения от касательных напряжений на участке а будет предотвращена, если выполняется условие:

Испытания кольцевых образцов

Одним из самых распространенных методов получения труб, оболочек, колец и других изделий из полимерных КМ – намотка. Этот метод начинает применяться и при изготовлении металлических КМ. Испытания плоских образцов достаточно надежной информации о свойствах таких КМ не дают, поскольку технология изготовления намоточных изделий отличается от технологии получения плоских материалов. Учесть такие специфические особенности процесса намотки, как степень натяжения волокон, их искривление, наличие уплотняющего межслойного давления и внутренних напряжений, можно, испытывая кольцевые образцы. На них определяют все необходимые характеристики материалов – прочность и жесткость при растяжении, сжатии, сдвиге, изгибе и др.

Иногда кольцевые образцы называют NOL-образцами (NOL – сокращенное название Военно-морской лаборатории артиллерии США – Naval Ordnance Laboratory, в которой впервые были предложены эти образцы).

 

 

Растяжение

(3.11) где: b – ширина кольца;

Сжатие

Сжатие кольцевых образцов осуществляется такими же способами, как и растяжение, – с помощью полудисков, резинового кольца или жидкости (рис. 3.10, а-в).

Рис 3.10. Схемы нагружения кольцевых образцов наружным давлением с помощью жестких полудисков (а), резинового кольца (б), жидкости или рычагов (в), стальной полосы (г)

Кроме того, используют сжатие с помощью упругой стальной ленты (рис. 3.10, г), которую обматывают вокруг кольца. В месте пересечения в ленте делают прорезь, которая позволяет замкнуть поверхность разрушения. Обычно в это место помещают прокладку, предупреждающую изгиб кольца. Прочность в этом случае рассчитывается по формуле:

,

где:

Р_р – разрушающее усилие, приложенное к концам ленты.

Отличительная особенность разрушения кольцевых образцов при сжатии в отличие от лопаток и полосок – возможность разрушения образцов по различным механизмам в зависимости от отношения h/Д. При очень малых h/Д образец разрушается под влиянием сжимающих напряжений (из-за потери устойчивости). В очень толстых образцах, кроме окружных сжимающих напряжений, существенное влияние на механические свойства оказывают радиальные и сдвиговые напряжения. Поэтому правильный выбор размеров образца имеет важное значение в определении характеристик КМ при сжатии. Для КМ рекомендуется использовать образцы с отношением h/Д » 0,05.

Кроме описанных схем нагружения, для определения комплекса механических свойств КМ, полученных намоткой, используют еще такие методы: 2-, 3- и 4- точечное нагружение целых колец, испытание на срез, изгиб, растяжение и кручение разрезанных колец, нагру-жение внутренним и внешним давлением труб и т.д.

 

Анализ структуры КМ и механизмов ее разрушения

Микроскопический анализ

Металлографический анализ армированных КМ позволяет определить размер пор, трещин, волокон и промежутков между ними, объемную долю структурных… Аналогично изложенному принцип Кавальери используется для сравнения объемов… Разрешающая способность метода не может превышать 0,2 мкм, что определяется длиной волны белого света, включающего…

Фрактографический анализ

При хрупком внутризеренном (транскристаллитном) разрушении происходит излом, при котором трещины распространяются обычно вдоль плоскости с малыми… Внутрикристаллитный скол придает блеск излому, который кажется гладким при… По основным деталям рельефа (взаимное расположение, направление ступенек ручьистого узора) можно выявить очаги главной…

МЕЖФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛАХ

Термодинамическая и кинетическая совместимость компонентов

Для количественного анализа любых процессов физико-химического взаимодействия между разнородными веществами принято использовать термодинамический и… Термодинамический анализ взаимодействия развивается в двух направлениях. Первое из них базируется на подходах классической термодинамики Гиббса и связано с расчетами конечных равновесных…

Виды межфазного взаимодействия

 

Классификация КМ по видам межфазного взаимодействия

Первый класс	Второй класс	Третий класс
Алюминий - нержавеющая сталь *; Ag-Al2O3; Al-B *; Al-B/BN; Al-SiC *; Cu-Al2O3; Cu-W; Mg-B	Направленные эвтектики; Nb-W; Ni-C; Ni-W (выше 1233 К)	Al-C (выше 973 К); Al-SiO2; Ti-Al2O3; Ti-B; Ti-SiC
П р и м е ч а н и е. Звездочкой обозначена система псевдопервого класса; B/BN означает бор, покрытый нитридом бора.

 

Существуют, например, КМ псевдопервого класса. Это – системы, состоящие из кинетически совместимых компонентов, в которых принципиально возможно образование новых химических соединений на поверхности раздела. Однако оптимальная технология позволяет избежать их появления в ходе технологического цикла, а эксплуатация осуществляется при достаточно низких температурах, исключающих возможность прохождения химической реакции. Например, КМ Al-В, полученный пропиткой борных волокон расплавленным алюминием, относится к третьему классу, так как при изготовлении композиции на границе раздела волокно - матрица образуется слой борида алюминия. Однако этот же КМ, полученный по оптимальной технологии диффузионной сварки, следует отнести к КМ псевдопервого класса (табл. 4.1), поскольку реакция образования борида не успевает пройти.

 

Влияние поверхности раздела на прочность и характер разрушения

Прочность поверхности раздела может быть как выше, так и ниже прочности матрицы. Часть свойств КМ определяется прочностью границы раздела на отрыв (поперечная прочность, прочность на сжатие, вязкость, разрушения), часть – прочностью границы раздела на сдвиг (продольная прочность при растяжении КМ, армированных короткими волокнами; критическая длина волокон и т. п.).

Для КМ третьего класса (см. табл. 4.1) различают три участка на графике зависимости прочности КМ от толщины реакционной зоны х₃. На первом участке выраженной зависимости σ_в от х₃, не наблюдается. Здесь толщина реакционной зоны мала (в среднем 0,5-4 мкм), концентрация напряжений в ней меньше, чем концентрация напряжений, обусловленная дефектами самого волокна. Критическое значение толщины реакционной зоны х¢_кр, соответствующее первому участку рассчитывается по формуле:

, (4.5)

где:

В – коэффициент, зависящий от распределения напряжений вблизи вершины трещины;

r¢ – радиус кривизны в вершине трещины. При х₃ < х¢_кр трещины в реакционной зоне не влияют на прочность волокна.

На втором участке прочность КМ с увеличением толщины реакционной, зоны снижается. Здесь х₃ > х¢_кр и концентрация напряжения в зоне выше концентрации напряжений от собственных дефектов волокон. Средние размеры реакционной зоны для различных КМ, соответствующей второму участку, составляют 0,5-10 мкм. Существует вторая критическая толщина зоны х²_кр, которая оценивается по формуле

 

(4.6)

где:

Е_пр, σ_пр – модуль упругости и предел прочности продуктов реакции.

В пределах х¢_кр £ х₃ £ х^п_кр прочность КМ снижается с увеличением х₃. Предельная деформация e_f до разрушения волокон в КМ связана с х₃ зависимостью

. (4.7)

Третий участок начинается при значениях х₃ > х²_кр. Здесь прочность волокон равна прочности продуктов реакции и не зависит от толщины реакционной зоны.

Более точные уравнения зависимости критической толщины зоны взаимодействия х_кр от параметров волокна и продукта взаимодействия при отсутствии остаточных напряжений получены путем применения статистической теории прочности и линейной механики разрушения.

В первом случае это:

, (4.8)

где:

d_f – диаметр волокна;

E_f – модуль упругости волокна;

E_L – модуль упругости продукта взаимодействия;

– среднее значение прочности волокна;

– среднее значение прочности продукта взаимодействия;

b_L – вейбулловский коэффициент распределения прочности продукта взаимодействия, связанный с коэффициентом вариации прочности материала m = b^-0,92.

Во втором случае расчетное уравнение выглядит следующим образом:

, (4.9)

где:

с – половина длины трещины в слое продукта взаимодействия;

– коэффициент неоднородности.

Эти уравнения позволяют также оценить влияние толщины покрытий на армирующих волокнах на их прочность.

Экспериментальные данные о влиянии толщины покрытий различного состава на борных волокнах, полученные расчетом по уравнениям (4.8) и (4.9) приведены в таблице 4.2. Удовлетворительное согласие их с экспериментом для покрытий из карбида бора и особенно для покрытия диборида титана указывает на правильность представлений, принятых при выводе этих формул.

 

Критическая толщина различных покрытий для волокон бора

  Материал покрытия `σL, МПа (для df = 0,1 мм) Ef, МПа EL, МПа Коэффи- циент bL …   Выше (раздел 2.3.1.) было показано, что отличительной особенностью КМ с однонаправленными волокнами является резкая…

Типы связей между компонентами

Связь при смачивании и растворении (рис. 4.2, б) реализуется благодаря силам поверхностного натяжения. Обычно смачивание сопровождается небольшим… Реакционная связь (рис. 4.2, в) возникает при протекании химической реакции на…

Процессы диффузии между компонентами КМ

Анализ межфазного взаимодействия в КМ, компоненты которого образуют между собой твердые растворы или соединения, связан с решением двух типов задач. Первый тип – расчет распределения концентраций компонентов в диффузионной зоне по известному коэффициенту диффузии при заданных граничных и начальных условиях – решается обычно на основе уравнений диффузии Фика, описывающих закономерности переноса вещества. Целью задач второго типа является определение коэффициентов диффузии или констант (коэффициентов) скорости роста диффузионных зон по известному распределению концентраций в этих слоях.

 

Уравнения Фика

, где: jx – плотность потока вещества (в направлении х). Знак «минус» означает, что поток направлен из области с большей…

Диффузия через плоскую поверхность

Диффузия из бесконечно тонкого слоя в неограниченный образец

Неограниченный образец считается бесконечной средой (∞ < х < ∞). В точке х0 находится бесконечно тонкий слой диффундирующего… . В частном случае при х0 = 0

Диффузия в полуограниченный образец

и распределение концентраций при различных значениях t имеет вид, изображенный… При t > 0 концентрация в плоскости раздела (плоскость х = 0) постоянна и равна С0/2. Если на плоской поверхности (х…

Функция ошибок Гаусса, ее производные и интегралы

 

Диффузия в образце конечных размеров

Диффузия в пластину толщиной l_n с нулевой начальной концентрацией и постоянной концентрацией С₀ на концах (концы пластины совпадают с плоскостями х = 0 и х = l_n) описывается уравнением

.

При для практических расчетов ограничиваются одним членом ряда

.

Количество вещества, проникающего в пластину за время t через поверхность S, определяется из соотношения

.

Если вещество уходит из пластины, имевшей постоянную начальную концентрацию, через границы (х = 0, х = l_n), на которых поддерживается нулевая концентрация, то

.

 

Диффузия в среде со сферической симметрией

 

Диффузия в среде с цилиндрической симметрией

Уравнение (4.14) для радиального потока в цилиндре преобразуется в уравнение Бесселя нулевого порядка. Его решение выражается через соответствующие функции Бесселя, выбор которых зависит от граничных и начальных условий.

 

Диффузия в цилиндре с постоянной концентрацией на поверхности

, где: an – n-й корень уравнения I0 (anrц) = 0;

Диффузионное растворение цилиндрического включения в матрице

с граничными и начальными условиями U(х, 0) = U0; ; и условием баланса масс ,… При малых t аналитическая зависимость радиуса включения от времени t выражается уравнением , где a1 и b1 – функции…

Смачивание и растекание

Капля жидкости на поверхности твердого тела приобретает вид, изображенный на рис. 4.9, в зависимости от природы жидкости, твердого тела и среды.…  

Поверхностное натяжение

Для измерения поверхностного натяжения жидких тугоплавких металлов принципиально пригодны следующие методы. 1. Метод капиллярного поднятия, основанный на том, что в капилляре из… 2. Метод максимального давления в газовом пузырьке, по которому основой расчета поверхностного натяжения является…

Коэффициенты поверхностного натяжения расплавов чистых металлов при

Температуре плавления.

Поверхностная энергия твердых тел

Измерение поверхностного натяжения твердых тел представляет большие трудности. Реальная поверхность твердого тела обычно сильно отличается от… , где:

Свободная поверхностная энергия тел

, где: F – критическая сила;

Свободная поверхностная энергия на границе

Твердое тело - жидкость

В.И. Костиковым и др. предпринята попытка определить свободную межфазную энергию на границе жидкий кремний - пирографит для случая, когда капля… Рис. 4.15. Схема методы определения межфазной свободной поверхностной энергии на

Условия смачивания армко-железа расплавами металлов в водороде

(точка росы 223 К)

Смачивающий металл	Т, К	tвыд., с	Смачивающий металл	Т, К	tвыд., с
Алюминий Бериллий Висмут Галлий   Германий Золото Индий			Кобальт Марганец Медь Никель Олово Свинец Серебро Сурьма
П р и м е ч а н и е. Исследования с алюминием и бериллием проводились в вакууме.

 

Таблица 4.7

 

Условия смачивания никеля расплавами металлов в водороде

Смачивающий металл	Т, К	tвыд., с	Смачивающий металл	Т, К	tвыд., с
Висмут Галлий Германий Золото Индий Лантан Марганец			Медь Олово Свинец Серебро Сурьма Церий

 

Таблица 4.8

 

Условия смачивания никеля расплавами металлов в водороде

4.6.5. Смачивание в системах «тугоплавкие соединения - жидкие металлы» В системах тугоплавкое соединение - жидкий металл смачивание, как было показано в разделах 4.6.1 – 4.6.4, происходит…

Смачиваемость оксидов расплавленными металлами

Продолжение таблицы 4.9 Смачивающий металл Т, К Среда qс, град BeO Алюминий   … Продолжение таблицы 4.9 Смачивающий металл Т, К Среда …  

Смачиваемость карбидов расплавленными металлами

  Продолжение таблицы 4.10 Смачивающий металл Т, К …  

Смачиваемость боридов расплавленными металлами

Продолжение таблицы 4.11 Смачивающий металл Т, К Среда qс, град Железо Индий Кадмий Кобальт … Продолжение таблицы 4.11 Смачивающий металл Т, К …  

Смачиваемость нитридов расплавленными металлами

  Продолжение таблицы 4.12 Смачивающий металл Т, К …  

Смачивание графита расплавленными металлами

 

Смачивающий металл	Т, К	Среда	qс, град
CrB2
Алюминий   Железо   Кобальт Литий     Медь     Никель   Ниобий Ртуть Серебро Титан Цирконий		Вакуум » » » » Водород Вакуум   Аргон » » Вакуум Водород Вакуум » Водород Вакуум Воздух Вакуум »