Анализ наиболее характерных для наполненных композитов типов разрушения

26.08.2015

Большинство из обычных непосредственно определяемых характеристик конструкционных материалов — модули упругости, плотность, теплоемкость и т. д. — это величины, осредненные по объему тела, и поэтому любая их флуктуация в какой-то отдельной микроскопической области ”образца” практически не сказывается на его макроскопическом состоянии. В противоположность им прочность материала есть свойство экстремальное — ’’структурно-чувствительное”. Это означает, что даже незначительное изменение структуры или свойств материала в некоторой опасной, с точки зрения разрушения, микрообласти, не оказывающее никакого существенного влияния на другие физические характеристики тела, может вызвать глубокое и совершенно непропорциональное воздействие на его механическое состояние. Вследствие огромного многообразия конкретных условий и механизмов, вызывающих возникновение и развитие поврежденности в теле (и его разрушение на макроуровне), точное теоретическое предсказание того, насколько прочным будет та или иная конструкция, практически невозможно, даже если известны прочностные характеристики материала, полученные на стандартных образцах при стандартных испытаниях. Данное обстоятельство вынуждает разработчиков закладывать в расчеты определенный запас прочности, что ведет к утяжелению и удорожанию конструкции. Следовательно, прочность — это один из решающих факторов, определяющих возможность применения данного материала в конструкции, так как совершенно очевидно, что ломкий материал непригоден к эксплуатации, как бы ни привлекателен он был с других точек зрения.
Условимся понимать под прочностью способность материала сопротивляться разрушению под действием механических деформаций и напряжений, а под разрушением — исчерпание несущей способности конструкции из-за накопления в нем микроповреждений и возникновения макротрещии, приводящих к разделению тела на части. Механизмом разрушения будем соответственно называть совокупность явлений и процессов, возникающих при разрушении и рассматриваемых с точки зрения механики.
В механике разрушения существуют два подхода к оценке прочности структурно-неоднородных тел: феноменологический и структурный. При феноменологическом подходе композитный материал рассматривается как сплошная однородная среда, наделенная теми или иными эффективными прочностными характеристиками. Математическая модель такой среды строится па основе опытных данных без объяснения причин и внутренних связей, определяющих поведение материала. Подобный подход рассчитан прежде всего для того, чтобы облегчить интерполяцию результатов, корреляцию и поиск ошибок при обработке экспериментальных наблюдений. Феноменологические модели не представляют для нас особого интереса, так как они никак не учитывают процессов и явлений, происходящих в материале на микроуровне, и следовательно, не могут быть использованы для описания внутренних механизмов разрушения и экстраполяции уже известных знаний на еще не исследованные объекты (т. е. для проектирования новых материалов).
Модели структурного типа строятся обычно с двумя целями. Во-первых, для получения зависимостей эффективных характеристик разрушения композита от его структуры и свойств компонент, которые можно затем использовать для оптимизации свойств композитных систем, выбора технологических режимов их переработки и т. д. Во-вторых, феноменологические теории было бы полезно все же основывать на каких-то известных структурных соотношениях, а не брать с потолка.
Так как разрушение композита обусловлено локальными механическими процессами, то для обоснования критериев разрушения при структурном подходе необходимо, во-первых, охарактеризовать нерегулярность взаимного расположения частиц в матрице, а во-вторых, описать процессы возникновения локальных микроповреждений (трещин, разрывов, отслоений и т. д.) на основе физических механизмов разрушения каждой из изотропных фаз в отдельности.
Прочностное поведение наполненных зернистых композитов — основного объекта наших исследований — зависит от многих факторов: свойств компонент, фракционного состава и концентрации наполнителя, степени неоднородности рапределения частиц по объему материала, состояния адгезии на поверхностях раздела фаз, скорости деформирования и т. д. Поэтому очень важно при изучении таких сложных явлений, как разрушение в структурно-неоднородных средах, выбрать такую модель, которая, с одной стороны, учитывала бы с приемлемой точностью влияние всех основных структурных факторов, а с другой — была бы достаточно проста для расчетов. Структурно-механическая модель композита, описанная в предыдущих разделах, вполне удовлетворяет этим требованиям. С ее помощью можно в явном виде учесть как неоднородность структуры, так и заложить на уровне отдельного структурного элемента практически любой из интересующих нас законов его локального разрушения.
Как уже говорилось, при деформировании наполненного композитного материала нагрузка по его объему распределяется крайне неравномерно. Самые сильные перегрузки испытывают матричные прослойки между соседними включениями, причем возникающие там напряжения и деформации будут тем больше, чем меньше зазор между частицами. Превосходя в несколько раз средние по объему значения, они могут вызывать возникновение локальных микроповреждений в материале (в виде микротрещин в матрице и ее отслоений от включений) и при весьма малых макродеформациях, когда, казалось бы, материал связующего находится еще достаточно далеко от своего собственного предела прочности, установленного для чистого ненаполненного образца.
Ф. Ленг исследовал влияние дисперсного наполнителя на прочность композитов при помощи трех определяющих факторов: энергии разрушения, модуля упругости и характерного размера трещины. Указанные факторы оказались зависящими от пяти следующих параметров композита: размеров частиц дисперсной фазы; концентрации наполнителя; адгезии на поверхностях раздела фаз; отношения модулей упругости компонент; различия в коэффициентах термического расширения материалов фаз.
В принципе структурно-механическая модель позволяет в той или иной мере учесть влияние па прочность любого из данных параметров. Для этого достаточно установить, как зависит момент наступления предельного состояния в отдельном СЭ от уровня приложенной к нему нагрузки и интересующих нас упомянутых характеристик, а также знать, какого типа поврежденность в нем возникает в данном случае — отслоение, трещина или еще что-нибудь. Это намного проще, чем пытаться рассмотреть прочностное поведение композитной системы в целом во всем ее многообразии.
В данном исследовании нас интересовало влияние на прочность композита его микроструктуры и состояния адгезии на границах раздела фаз. При этом рассматривался случай, когда жесткость включений намного превышает модуль матрицы (т. е. самый неблагоприятный с точки зрения распределения локальных усилий вариант).
Известно, что если прочность скрепления непрерывной и дисперсной фаз достаточно велика, то первичные локальные разрушения происходят в толще матрицы в промежутках между включениями. Именно там, как показали расчеты, всегда имеются области с положительным гидростатическим давлением. Поскольку материал матрицы обычно плохо сопротивляется всестороннему растяжению, то в результате в ней возникают внутренние разрывы и пустоты. Так чаще всего разрушаются композиты, компоненты которых обладают хорошим химическим сродством, например системы типа ’’частицы сажи в каучуковой матрице”.
В то же время, если сродство слабое и наполнитель плохо скреплен со связующим, то в таких композитных материалах возникновение локальных разрушений происходит по-другому. Поскольку при раздвигании соседних близко расположенных частиц на их поверхностях возникают значительные отрывные усилия, то уже при относительно небольших внешних деформациях могут происходить отслоения матрицы от включений, что приводит к появлению так называемого эффекта Маллинза. Суть его заключается в снижении модуля упругости наполненных полимеров при циклическом нагружении. Как пример таких композитных материалов можно привести эластомеры, наполненные частицами мела, стекла, металлическими порошками и рядом других (обычно неорганических) материалов.
Существуют и композиты промежуточного типа, в которых адгезионная прочность примерно такого же порядка, что и прочность матрицы. Здесь процесс разрушения композитной системы будет иметь смешанный характер — материал будет рваться как по границам раздела фаз, так и внутри матрицы.
При постановке задачи будем считать, что включения являются недеформируемыми и соответственно неразрушаемыми элементами композитной системы, а свойства матрицы будут одинаковы в любой ее точке (в том числе и вблизи границ раздела фаз). Следовательно, механическое и прочностное поведение наполненного композита будет определяться механическими и прочностными свойствами связующего, условиями его скрепления с наполнителем, а также особенностями взаимного расположения включений (определяющими неоднородность напряженно-деформированного состояния на микроуровне).
Под локальными повреждениями будем понимать те нарушения сплошности материала, которые возникают в матрице или на поверхности включений и имеют величину не более характерного размера структурной неоднородности. При этом предполагается, что локальные повреждения проявляются хрупким образом, т. е. материал матрицы находится в упругом состоянии и не меняет своих механических свойств вплоть до момента разрушения.
Ряд теоретических и экспериментальных исследований свидетельствует, что возникшее в структуре композита локальное повреждение не приводит к мгновенной и полной потере несущей способности материала вследствие безграничного роста одной из трещин, инициированной этим повреждением (как это происходит в случае хрупких однородных материалов типа стекла).
Зародившаяся и разрастающаяся в структурно-неоднородном материале микротрещина должна довольно скоро наткнуться на какое-нибудь лежащее на ее пути включение. Поскольку прочность последнего намного превышает прочность матрицы, то для дальнейшего роста трещине необходима дополнительная энергия, расходуемая на ветвление и обход возникшего препятствия. При отсутствии таковой процесс прорастания дефекта временно приостановится и мгновенного макроразрушения не произойдет. Кроме того, вследствие большой неоднородности микронапряженного состояния в композите имеется достаточно много областей, находящихся под действием всестороннего сжатия (отрицательной гидростатики) даже в том случае, если материал в целом подвергается растяжению. Если растущий конец трещины попадает в такую область, то ее развитие естественно, прекращается. Следует также учитывать, что локальные повреждения, возникая в местах с повышенной концентрацией напряжений, вызывают частичную разгрузку этой области и относительное выравнивание НДС.
В итоге можно считать, что локальное повреждение, возникну в данном месте, как правило, здесь и локализуется, не затрагивая соседние участки. Спровоцировано оно может быть деформацией только того структурного элемента, к которому относится область возникновения дефекта (независимо от наличия или отсутствия по соседству других поврежденных участков).