Прочность композитных материалов
Прочность композитных материаловСкачать файл - Прочность композитных материалов
Трещиностойкость вязкость разрушения материала, измеряемая величинами или есть важная величина, характеризующая способность материала сопротивляться распространению ранее существовавшей в нем трещины. Однако в любом металлическом изделии достаточно больших размеров имеется много подобных трещин. С другой стороны, прочность на разрыв бездефектного образца есть не менее важная характеристика: Это справедливо и при использовании методов линейной и нелинейной механики разрушения. Разумеется, конструктору желательно иметь в распоряжении материал с высокой прочностью и большой сопротивляемостью разрушению. К сожалению, на сегодняшний день это невозможно. Вязкость разрушения в первую очередь зависит от пластических свойств материала, однако пластичность, т. Для композитов же ситуация иная: В хрупкой матрице трещина распространяется беспрепятственно; в качестве первого приближения сопротивлением матрицы пренебрежем. Но волокна арматуры разрываются лишь на некотором расстоянии I от кончика трещины и мешают относительным перемещениям ее краев рис. Для увеличения сопротивления волокон используются различные методы. Мне думается, что наиболее корректным и в то же время простым будет предположение о том, что силы трения на единицу площади поверхности препятствуют вытягиванию волокон из материала. Пусть есть сила, приложенная на краю волокна, заключенного в матрицу рис. Эта сила уравновешивается сдвиговыми усилиями, действующими на отрезке длиной Уравнение равновесия есть Тогда удлинение элемента волокна длиной I будет в направлении оси Если а есть среднее напряжение композита, то где есть объемная плотность содержания волокон в материале. Обращаясь к предыдущему соотношению, можно видеть, что связь между напряжением в зоне вокруг кончика трещины и относительным перемещением ее границ будет Положим теперь где расстояние до кончика трещины , и вычислим интеграл Райса — Черепанова. Получим Предполагается, что движение трещины начинается при достижении величиной значения прочности на разрыв волокон. Положив получим Из Однако это не говорит о наличии простого произведения, линейного по каждому из факторов. С другой стороны, сила сцепления равная сопротивлению матрицы сдвигу, не должна быть слишком велика. Эта теория применима лишь к ортогонально армированным материалам, содержащим трещины, распространяющиеся вдоль направлений армирования. В противном случае ситуация существенно осложняется. Разрушение вследствие геометрических изменений Глава 2. Выводы главы 2 Глава 3. Концентрация напряжений Глава 4. Нелинейная наследственность Глава 5. Эта сила уравновешивается сдвиговыми усилиями, действующими на отрезке длиной Уравнение равновесия есть. Тогда удлинение элемента волокна длиной I будет в направлении оси Если а есть среднее напряжение композита, то где есть объемная плотность содержания волокон в материале.
Энциклопедия по машиностроению XXL
Критерии кратковременной и длительной прочности композитных материалов. Энциклопедия по машиностроению XXL Оборудование, материаловедение, механика и Статьи Чертежи Таблицы О сайте Реклама. Прочность композитных материалов Проблемы прочности композитных материалов разрабатывались многими авторами и получили в литературе всестороннее освещение. Упомянем лишь основные работы \[35, 49, 79, 88, 98, , , , , , , , , , , , \], в которых достаточно полно представлен круг основополагающих идей и подходов к установлению критериев прочности композитных материалов. Это направление в механике композитных материалов, представленное работами \[50, , , , , , , , , , , , , , , и др. Истинные напряжения восстанавливаются после определения средних по объему представительного элемента характеристик напряженно -деформированного состояния при помощи уравнений используемой структурной модели композитного материала. Таким путем удается вычислить разрушающие интенсивности внешних нагрузок всех элементов композита и наименьшую из них естественно принять в качестве нагрузки его начального разрушения. Этот подход позволяет выявить эффективность работы связующего и армирующих элементов , указать рациональные по прочности параметры армирования и открывает пути к управлению прочностными свойствами композитных материалов. В то же время необходимо отметить оценочный характер получаемых при этом результатов, поскольку их установление базируется на анализе локальных характеристик напряженно -деформированного состояния компонентов композита, определяемых лишь приближенно. Точность определения этих характеристик из средних по представительному объему величин ограничена, с одной стороны, точностью уравнений используемой структурной модели армированного слоя , само установление которых неизбежно связано с пренебрежением рядом локальных эффектов , и с другой — наличием неучитываемых технологических дефектов — неполной адгезии, отклонений в регулярности сети волокон и т. Эти материалы называются материалами условно. По существу они представляют собой конструкцию, образованную двумя семействами высокопрочных волокон, которые ортогональны друг другу. Положение этих волокон друг относительно друга зафиксировано путем погружения их в значительно менее прочную и жесткую среду, так называемую матрицу рис. Эти отличия не только количественные, но и качественные. Так, критерии прочности , разработанные для однородных анизотропных материалов , не в состоянии учитывать напряжения в конкретных слоях композитного материала , концентрацию напряжений , напряжения межслойного сдвига, начальные напряжения в компонентах и т. Кроме того, при одноосном нагружении растяжении или сжатии армированный пластик относительно средних напряжений находится в линейном одноосном напряженном состоянии. Фактически даже при таком простом нагружении компоненты армированного пластика находятся в плоском или объемном напряженном состоянии , и для оценки их прочности, определяющей прочность армированного пластика в целом, необходимо использовать соответствующие критерии, учитывающие фактическое напряженное состояние. Следовательно, весьма перспективным путем решения задачи прочности, учитывающим действительную работу армированного пластика , является прогнозирование прочности композитного материала по фактическим напряженным состояниям или фактическим деформациям его компонентов и контактного слоя. Математический аппарат , позволяющий решить такую задачу, в дальней шем будем называть структурной теорией прочности композитных материалов. В связи с прогрессом вычислительной техники в последнее время быстро развиваются численные методы моделирования, которые позволяют представить среду в виде системы дискретных элементов и рассматривать разрушение как многошаговое повреждение структуры модели. Ранние работы по композитным материалам были направлены на выявление принципов, определяющих их эксплуатационные характеристики. Для этой цели, были удобны простые модельные системы. При выборе модельных систем руководствовались в основном совместимостью упрочните-ля и матрицы модельные системы состояли из матриц нанример,. Хотя в этих работах и признавалась важная роль поверхностей раздела , модельные системы позволяли сравнительно легко получать тип поверхности, обеспечивающий необходимую передачу нагрузки от одного компонента композита к другому. В системах, представляющих большой практический интерес, матрицами служат обычные конструкционные материалы, такие, как алюминий, титан,, железо, никель они обладают большими реакционной способностью и прочностью, чем матрицы модельных систем. Повышенная реакционная способность затрудняет управление состоянием поверхности раздела, а для передачи больших нагрузок требуется более высокая прочность этой поверхности. Таким образом, состояние поверхности раздела становилось все более важным фактором по мере того, как интересы исследователей перемещались от модельных систем к перспективным инженерным материалам. Купер и Келли \[13\], например, делят характеристики композитного материала на те, которые определяются в основном прочностью поверхности раздела при растяжении о , и те, которые определяются сдвиговой прочностью Тг. В числе характеристик, определяемых прочностью поверхности раздела при растяжении, авторы называют поперечную прочность, прочность на сжатие и сопротивление распространению трещины в процессе расслаивания при испытании на растяжение. К характеристикам, которые определяются в основном сдвиговой прочностью , относятся критическая длина волокна длина передачи нагрузки , характер разрушения при вытягивании волокон и деформация матрицы в изломе. Теория Купера и Келли будет рассмотрена ниже. Для конструкционных композитных материалов наиболее важными являются следующие свойства модуль упругости , пределы текучести и прочности, характеристики микродеформации, ползучести и усталости. Поверхность раздела наиболее полно определяют структура, стабильность и прочность связи. Для оценки прочности связи и эффективности передачи нагрузки полезно простое правило смеси при этом необходимо, однако, учитывать все допущения и ограничения такого подхода. Следствием статистической природы хрупкой прочности является существенное влияние степени соединения или дисперсии хрупких составляющих на прочность композитного сплава. Простой пример подтверждает эту точку зрения. Рассмотрим, как показано на рис. Прочности кубиков изменяются от 1 до 10 фунт с приращением по 1 фунт слева направо. Если кубики прочно соединены друг с другом, то есть разрушение развивается свободно от кубика к кубику рис. Однако если кубики разделены друг от друга очень тонкими сопротивляющимися трещине полосками рис. Микроскопические трещины представляют собой дефекты т. Показано, что подобная идеализация вместе с континуальным анализом анизотропных тел \[38, 39, 43\] дает достоверные значения при прогнозировании сопротивления деформации композиционных материалов. Такой успех обусловлен тем, что деформация есть осредненная характеристика и может определяться средним значением по объему. Высокие удельные характеристики жесткости и прочности и особенности технологии переработки, позволяющие создавать материалы с заданной ориентацией свойств, выдвинули композиты на первый план среди современных конструкционных материалов. Естественно, в связи с развитием и внедрением новых конструкционных материалов возникла необходимость научиться оценивать их прочностные свойства при различных видах нагружения. Не менее важно знать, как технологические поверхностные дефекты , нарушения адгезионной связи между слоями и конструкционные болтовые, заклепочные, клеевые соединения , закладные детали из других материалов несовершенства изменяют механизм разрушения композитов. В то же время многочисленные попытки анализа и интерпретации имеющихся экспериментальных данных пока еще не привели к исчерпывающему пониманию явления разрушения в композитах. В связи с этим возникает вопрос о выборе схемы нагружения , удобной для анализа и расчета. С этой целью были проведены испытания на прочность сцепления при импульсных нагрузках слоев биметаллических материалов. Повышение прочности материалов в деталях машин ограничивается чувствительностью материалов к концентрации напряжений и повышением склонности к хрупким разрушениям. Поэтому большие перспективы имеют волокнистые металлические так называемые композитные материалы. Они представляют собой композиции из высокопрочных волокон в мягкой основе матрице. Основную нагрузку воспринимают волокна, а матрица обеспечивает равномерное распределение нагрузки между волокнами. Уманского, направленные на разработку теории прочности мягких композитных материалов волокнистой структуры , а также пленок для звукозаписи, широко применяемых в современной звукозаписывающей аппаратуре. Если учесть при этом, что у материала однородного диска величина прочности в центральной части ниже, то при тех же запасах прочности композитный диск может допускать заметно большую нагрузку. Композитный диск имеет также меньшую величину тангенциальных напряжений на ободе, что, естественно, приводит к меньшему снижению их в результате ползучести. Поэтому в диске, выполненном из разнородных сталей, перераспределение напряжений в процессе ползучести ничтожно, в то время как у однородного диска оно значительно. Если усы имеют длину, достаточную для прочного сцепления с матрицей по боковой поверхности усов, то удается в значительной мере использовать их прочность. Первый, так называемый феноменологический, основан на рассмотрении композитного материала с точки зрения прочности как макрооднородного и анизотропного. Это направление развито в работах \[25, 55, 74, 92, 93, , , , , , , , , \]. Однако в указанных работах рассматривался комнозитный материал при простейших типах напряженного состояния чистое растян ение или сжатие, либо чистый сдвиг случай сложного напряженного состояния не анализировался. Кроме того, приведенные соотношения не могут быть использованы применительно к изделиям, армированным песколт -кими семействами волокон. Влияние технологии изготовления конструкции из КМ может проявляться также в возникновении остаточных напряжений \[2, 5\]. Не все эти факторы в силу разных причин в достаточной мере учитываются в теоретических механических моделях КМ. Наиболее развитой моделью КМ является континуальная теория первого порядка теория эффективных модулей , в которой неоднородная структура заменяется квазиоднородной средой с приведенными характеристиками, определяемыми через параметры реальной структуры. Такой подход позволяет решить широкие классы важных задач механики КМ для слабоградиентных по сравнению с характерными размерами структуры динамических процессов длинные волны , низкочастотные колебания и др. Присущие КМ с регулярной структурой особенности колебаний и распространения волн могут быть описаны только в рамках структурной кусочно-однородной модели. Такой подход развивается в настоящей работе. Наряду с геометрической дисперсией , обусловленной неоднородностью структуры КМ, анализируется также диссипативная дисперсия, обусловленная вязкоупругими свойствами компонент. На феноменологическом уровне учитывается также влияние несовершенств адгезионного межфазного соединения и остаточных технологических напряжений на характеристики распространения волн в слоистых КМ. Прочность па сжатие, а также на растяжение поперек усов мало отличается от прочности матерпала матрицы. Примером может служить древесина, расположение видимых невооруженным глазом волокон создает относительно высокую прочность в направлении оси ствола и малую прочность в поперечном направлении. В этом отношении можно сказать, что природа распорядилась прочностью целлюлозы, из которой, в основном, состоит древесина, наилучншм образом. По этому принципу в технике создают так называемые композитные материалы, примером которых могут служить стеклопластики. Тонкая стеклянная нить имеет высокую прочность, укладывая слои такой нити, пропитывая их смолой и полимеризируя, получают монолитные пластины. Чередуя направления укладки слоев , можно менять степень и характер анизотропии с тем, чтобы использовать прочность волокна наивыгоднейпшм образом. В последние годы были получены и промышленно освоены высокопрочные волокна , значительно превосходящие по своим свойствам стеклянное волокно и, что особенно важно, имеющие значительно более высокий модуль упругости. Наибольшее распространение получили волокна бора и углерода, которыми армируют пластики и металлы. Если модуль упругости и предел текучести меняются в узких пределах и расчет по средним значениям достаточно достоверен, то прочность хрупких материалов и их структурных составляющих должна рассматриваться как случайная величина и отвлечься от ее статистического характера принципиально невозможно. Именно статистическая теория позволяет объяснить и оценить количественно так называемый масштабный эффект прочность большого изделия всегда оказывается меньше, чем прочность малой его модели после пропорционального перерасчета, конечно. Изложение современных статистических теорий прочности заняло бы слишком много места, однако некоторые сведения нам представлялось необходимым сообщить. Эти сведения особенно существенны для понимания природы прочности современных композитных материалов, состоящих из полимерной или металлической матрицы , армированной угольным, борным илп иным высокопрочным волокном. Разброс свойств армирующих волокон довольно велик и для нопимания того, в какой мере эти свойства могут быть реализованы в композите, необходимо некоторое представление о статистической природе его прочности. Именно поэтому изложение элементов статистической теории будет дано ниже, в гл. Применение воло кон бора, покрытых карбидом кремния борсик и нитридом бора для упрочнения алюминиевых сплавов , заметно снизило скорость реакции между волокном и матрицей гл. Благодаря этому были созданы композиты, прочность которых в условиях повышенных температур сохранялась много дольше. Таким образом, дополнительная стоимость защиты волокон компенсируется улучшением свойств композитов. Ниже представлен обзор последних результатов аналитических и зксперйментальных исследований волокнистых композитов и композитов, полученных направленной кристаллизацией. Особое внимание уделено строению поверхности раздела , прочности связи , эффективности передачи нагрузки, ста- бильностн поверхности раздела и влиянию способа нагрун ения. Поскольку этот подход принят и в настоящей главе, представляется целесообразным привести необходимые соотношения и перечислить основные предположения. Особое внимание будет уделено модулю упругости , закономерностям микродефор мации, макротекучести, пределу прочности и ползучести. Высокая прочность идеальных по структуре бездефектных монокристаллов позволяет использовать весьма высокопрочные так называемые усы в композитных материалах. Устранение одной из категорий дефектов достигается за счет получения чистого без примесей металла путем применения вакуумной дистилляции , зонной плавки и разложения летучих соединений металлов. Устранение других дефектов, таких, как дислокации и их источники, не связанных с наличием примесей, достигается воздействием на металл высоких давлений , измеряемых тысячами и десятками тысяч атмосфер. По-видимому, устранение дефектов позволит получить металлы, прочность которых подойдет вплотную к теоретической. В первом случае композитные материалы рассматриваются как квазиодно-родные гомогенные , обладающие в случае объемного дисперсного армирования изотропией деформационных и прочностных свойств, а в случае армирования волокнами , плоскими сетками или тканями — определенного типа анизотропией. Обычно применяют модели ортотропного или трансверсально-изотропного тела. При таком подходе речь идет о механических характеристиках , осред-ненных в достаточно больших объемах, содержащих много однотипных армирующих элементов. Другой, несравненно более сложный, но и более информативный путь состоит в раздельном рассмотрении механических свойств каждой фазы с последующим теоретическим прогнозированием свойств всего композита в целом. При этом приходится рассматривать фактически еще одну дополнительную фазу зоны сопряжения основных фаз, например, матрицы с армирующими волокнами. Механизм повреждений, развивающихся на границах фаз, обычно весьма сложен и определяется помимо свойств основных компонентов гетерогенной системы еще рядом дополнительных факторов, таких как адгезия фаз, технологические и температурные местные напряжения , обычно возникающие вблизи границ, наличие дефектов и др. Границы фаз как зоны концентраций напряжений играют особенно важную роль в развитии много- и малоцикловых усталостных повреждений композитов. Допустим, что материал составлен из матрицы, армированной перекрестными взаимно перпендикулярными волокнами. Отнесем систему армирующих волокон к осям XYZ так, что сопротивление растяжению или сжатию элемента материала с гранями, параллельными координатным плоскостям , будет в направлении одной из осей, например ОХ, наибольшим вследствие наибольшей плотности расположения волокон , в направлении оси 0Y — ниже вследствие меньшей плотности , а по оси 0Z, где может совсем не быть арматуры, — наименьшим. Анизотропия такого типа называется ортогональной, а соответствующие композитные материалы, которые встречаются наиболее часто, — ортотропными. Оси XYZ называются главными осями анизотропии, которые в общем случае конечно не совпадают с главными осями напряжений. Нитевидные монокристаллы располагаются вдоль силовых линий и воспринимают на себя нагрузку. Сцепление по большой площади боковых поверхностей длинных нитевидных кристаллов с матричным веществом обеспечивает работу композитного материала как единого целого. Прочность композитного материала может приближаться к прочности нитевидных кристаллов. Работы в направленш создания таких композитных материалов ведутся.
Композиционные материалы, композитные конструкции. Опыт и возможности CompMechLab
Схема вязания шапочки для девочки
Анимированные цифры для презентаций