Ударное нагружение и вязкость разрушения

30.06.2015

Ударная вязкость конструкционного материала является одним из важнейших параметров, характеризующих надежность изделий в эксплуатации. Волокнистые полимерные композиты, особенно с высокомодульными наполнителями, по ударной вязкости значительно уступают металлам. Соотношения, устанавливающие взаимосвязь энергии разрушения композита с прочностными и упругими характеристиками компонентов, содержанием их в материале, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными (рис. 2.24). Наибольший интерес для практики представляет нагружение композита ударом поперек волокон, в этом случае может быть использована следующая зависимость:
Ударное нагружение и вязкость разрушения

Из уравнения (2.55) следует, что ударная вязкость композиционного материала пропорциональна квадрату прочности волокон и обратно пропорциональна их модулю упругости, причем в расчет вводится показатель реализованной в композите прочности волокна. С помощью коэффициента реализации учитывают влияние матрицы, текстуру волокон и ряд других факторов. Соотношение компонентов в высокомодульных композитах незначительно влияет на ударную вязкость. С повышением степени наполнения боро- и карбоволокнитов этот показатель линейно возрастает. При содержании волокна от 45 до 65% он увеличивается на. 15—20%. Если пористость композита не превышает 5%, ударная вязкость его не меняется, при увеличении же пористости до 10—12% сопротивление материала ударным нагрузкам уменьшается на 25—30% (рис. 2.25) вследствие понижения коэффициента реализации прочности волокон kσп.
Ударное нагружение и вязкость разрушения

Ударное нагружение и вязкость разрушения

Учитывая высокий модуль упругости углеродных и борных волокон, трудно ожидать, что их прочность в ближайшее время достигнет уровня, обеспечивающего значительное увеличение ударной вязкости. Поэтому одним из способов повышения этой характеристики высокомодульных композитов является введение в их состав низкомодульных и высокопрочных волокон, в первую очередь стеклянных и органических. В некоторых случаях для повышения ударной вязкости материала может быть применено внешнее армирование, например фольгирование или металлизация пластика электролитическим способом. При толщине покрытия, составляющей 5—10% от толщины карбоволокнита, его ударную вязкость можно увеличить в 4—6 раз как при комнатной, так и при повышенных температурах.
Уравнение (2.55) позволяет, описать зависимость ударной вязкости композитов от температуры. Без учета вклада матрицы, составляющего не более 3%, ударная вязкость композита при повышенной температуре равна:
Ударное нагружение и вязкость разрушения

Температурные зависимости для ударной вязкости, разрушающего напряжения и модуля упругости при изгибе композитов аналогичны. Параметр (σ'Т)2/(2Ет) может быть использован для приближенной оценки ударной вязкости композиций по температурным зависимостям прочности и модуля упругости при изгибе. Отклонение экспериментальных данных от расчетных объясняется сложным характером разрушения волокнистых материалов при ударе, когда наряду с изломом происходит их разрушение под действием сдвига и в результате выдергивания волокон.
Таким образом, ударная вязкость композитов в значительной степени определяется свойствами волокон, причем с увеличением их модуля упругости она понижается. Однако в трансверсальном направлении ударная вязкость во многом зависит от свойств матрицы, а также от содержания пор, волокна и технологии изготовления материала.
Вязкость разрушения. Разрушение волокнистых композитов, как и других твердых тел, рассматривается как некоторый процесс накопления повреждений и роста трещин, развивающихся в материале с момента приложения нагрузки и приводящих к его разрушению. Сложности выявления и описания повреждений композиционных материалов связаны с их гетерогенностью, в результате которой при нагружении в компонентах композита и по границе раздела появляются дефекты, механизмы возникновения которых различны.
Согласно кинетической концепции, элементарными актами процесса разрушения являются термофлуктуационные разрывы межатомных связей в волокнах и полимерной матрице, а также разрушения адгезионных контактов на границе раздела, приводящие к зарождению и росту микротрещин.
При нагружении композита в направлении армирования или под углом к направлению ориентации волокон в матрице и на границе раздела возникают нормальные и тангенциальные напряжения, достигающие максимальных значений на поверхности контакта или на определенном расстоянии между волокнами. Значение этих напряжений обусловлено геометрическими параметрами волокон и расположением их по сечению композита. Эти напряжения, складываясь с остаточными термическими напряжениями, в несколько раз превышают средние напряжения, действующие в матрице. Такое неравномерное нагружение, особенно в условиях длительного статического или динамического нагружения, способствует зарождению микротрещин и их прорастанию в матрице и на поверхности раздела при нагружении композита до величины, значительно меньшей его разрушающего напряжения при растяжении.
Другой причиной появления микротрещин является разрушение отдельных волокон, которое происходит на ранних стадиях деформирования и является следствием дисперсии их прочностных и упругих свойств.
В процессе разрушения композита, армированного волокнами с существенным разбросом прочностных и упругих свойств, можно выделить два этапа. На первом этапе разрушаются отдельные волокна, происходит статистическое накопление повреждений и плавное понижение жесткости материала. На втором происходит полное разрушение материала, инициированное предыдущими разрушениями отдельных волокон. Характер развития процесса разрушения определяется, во-первых, соотношением упругих и упруговязких свойств компонентов и их объемными долями и, во-вторых, статистическим разбросом упруго-прочностных свойств волокон и неравномерностью их укладки по сечению.
После разрыва волокна его концы расходятся на величину и у концов волокон в матрице и по границе раздела возникают нормальные и касательные напряжения, облегчающие прорастание трещин.
Если деформации матрицы на участке, прилегающем к месту разрыва волокон, превысят предельную величину, то разрушение волокон вызовет появление трещин в плоскостях, нормальных к направлению армирования, и вероятность образования трещин можно будет оценить из условии:
Ударное нагружение и вязкость разрушения

Условие, определяющее направление распространения трещин после разрыва волокна, можно записать в виде:
Ударное нагружение и вязкость разрушения

Для каждого композита существует такой размер волокна, при котором напряжение расслаивания становится больше разрушающего напряжения для волокна, и при меньших значениях диаметра волокон они будут рваться, а не вытягиваться из матрицы. Это значит, что трещина будет распространяться нормально волокнам независимо от наличия поверхности раздела.
Применение концепций линейной механики разрушения позволяет определить еще один критерий развития трещин. Согласно, условие разрушения композита представляется в виде:
Ударное нагружение и вязкость разрушения

При разрыве одного волокна a=da, но если в композите имеются лучки контактирующих волокон, то трещина, образующаяся при разрушении одного волокна, перерезает все волокна пучка и длина трещины становится равной a=nda.
Критерий Q, характеризующий эффективность поглощения деформации в зоне устья трещин, равен:
Ударное нагружение и вязкость разрушения

Это значит, что если напряжения в композите не превышают σхкр, то разрушение отдельных волокон не будет вызывать катастрофического разрушения материала.
Таким образом, можно сделать вывод, что с повышением прочности сцепления по поверхности раздела волокно — матрица, увеличением объемного содержания волокон и неравномерности их распределения по сечению и с уменьшением предельного удлинения матрицы в композите создаются условия, способствующие распространению трещин, инициируемых разрушением отдельных волокон.
Для оценки трещиностойкости композитов используют параметры материала, определяемые исходя из линейной механики разрушения:
Ударное нагружение и вязкость разрушения

Чем больше вязкость разрушения материала, тем больше критический размер трещины или другого дефекта, приводящего к разрушению композита. Вязкость разрушения композитов зависит от множества факторов: прочности и диаметра волокон, прочности, предельного удлинения и вязкости разрушения матрицы, прочности связи по границе раздела волокно — матрица, структуры армирования композитов. В табл. 2.16 приведены данные, позволяющие сопоставить вязкость разрушения однонаправленных полимерных композитов с некоторыми свойствами композитов и их компонентов.
Ударное нагружение и вязкость разрушения

Величина KIc пропорциональна прочности композитов и волокон. Как показано в работе, для большинства композитов отношение KIc/σx приблизительно постоянно и равно 0,08 мм1/2. При прочих равных условиях использование волокон большего диаметра, таких, как борные, ведет к повышению вязкости разрушения. Использование связующих с более высокими вязкостью разрушения и относительным удлинением при разрыве способствует повышению KIc композиционного материала. Введение в матрицу композита нитевидных кристаллов существенно повышает ее вязкость разрушения, что приводит к торможению роста трещин. С увеличением прочности межслойного сдвига меняется характер распространения трещин в композите. Так, карбоволокниты на основе необработанных волокон разрушаются при распространении трещин как в плоскости перпендикулярной ориентации волокон, так и в плоскости армирования путем расслаивания. Карбоволокниты на основе активированных углеродных волокон разрушаются только в плоскости, перпендикулярной направлению армирования, при этом многократно меняется направление развития трещины и вязкость разрушения увеличивается на 5—15%.
С увеличением толщины композиционных материалов их вязкость разрушения увеличивается (в отличие от металлов), а следовательно, возрастает устойчивость к распространению трещин.
С повышением температуры вязкость разрушения композитов, как правило, понижается.