Диссертация (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок), страница 7

% W) наблюдалось при 860 ℃, что на260 ℃ выше соответствующего значения температуры для образцов, получен­ных спеканием. Меньшая стойкость к окислению спеченных образцов объяс­няется характерным для них более легким доступом кислорода к металлу.В работе [60] показано, что одним из преимуществ волокнистых и слои­41(а). Когерентная(б ). НекогерентнаяРис. 1.8.Границы «матрица-включение» волокнистых и слоистых композитов,получаемых методом направленной кристаллизациистых композитов, получаемых методом направленной кристаллизации, явля­ется наличие в них когерентной или полукогерентной границы матрица-вклю­чение с сильной относительной связью, что является необходимым условиемдля плавного перехода напряжений от матрицы к включению (Рис.

1.8).При направленной кристаллизации, в процессе которой расплав эвтек­тического состава отверждается путем отвода тепла в одном направлении,могут быть получены различные двухфазные морфологии с параллельно уло­женными слоями либо волокнами, уложенными в матрице. Тип морфологиизависит от параметров процесса: градиента температуры у фронтальной по­верхности отверждения, скорости отверждения и др. (Рис. 1.9, а) [60].Образование двух фаз и со слоистой морфологией при направлен­ном отверждении эвтектики схематично показано на Рис. 1.9, б . Фронт кри­сталлизации (отверждения) перпендикулярен направлению роста (обозначе­но стрелкой).При реализации однонаправленного теплового потока, например, при из­влечении сплава из вертикальной печи, образуется поверхность «жидкость­42(а).

Слоистая ориентированная(б ). Схема образования двухструктура эвтектики Al−Al4 Ca,фаз и со слоистойполученной методомморфологией при направленномнаправленной кристаллизацииотверждении эвтектикиРис. 1.9.твердое тело», перпендикулярная направлению отвода тепла, которая дви­жется через всю длину отливки. Образующиеся на поверхности и движущие­ся за фронтом кристаллизации две фазы и обуславливают создание сло­истой структуры, ориентированной вдоль направления отвода тепла. Такиеслои в большинстве случаев содержат дефекты.Установлено, что системы, содержащие более 30 об.

% выделившейся фа­зы, дают слоистую структуру, а при содержании этой фазы 30 об. % обра­зуется волокнистая структура. Указывается [31], что толщина пластинча­тых фаз в эвтектических сплавах, полученных кристаллизацией со скоростя­ми, соответствующими охлаждению отливок в металлической форме (20 ÷200 град/с), колеблется в пределах 0,1 ÷ 1 мм. При такой малой толщинекристаллы практически не содержат дефектов строения, и по этой причинезначение прочности достигает половины теоретического значения.Анализ литературных данных о физико-механических свойствах компо­зитов на основе металл-керамических систем с различными типами структу­ры показал, что многослойная (включающая не менее 4 слоев) анизотропнаяструктура с характерными толщинами слоев, не превышающими 100 мкм,43обеспечивает материалу бо́льшую трещиностойкость, пластичность, конструк­ционную прочность и стойкость к температурным перепадам.Обзор технологических решений получения металл-керамических СКМпозволил аргументировать выбор метода шликерного пленочного литья, от­личающегося высокой степенью универсальности в части создания изделийразличных размеров и сложных геометрических форм, хорошей воспроизво­димостью результатов, контролируемостью структурных параметров, относи­тельной простоте технической реализации и высокой производительностью.1.4.

Анализ напряженно-деформированного состояния СКМРешение задачи проектирования и получения СКМ специального назна­чения требует не только экспериментального, но и теоретического исследова­ния на основе предварительного моделирования. При этом проводится анализнапряженно-деформированного состояния СКМ с привлечением механики де­формированных твердых тел, изучаются зависимости возникающих напря­жений от геометрических и физико-механических характеристик отдельныхслоев слоистой системы.Классические модели теории упругости, а также методы механики ком­позитов не позволяют реалистично описывать эффективные механические ифизические свойства композиционных материалов при характерном размереобластей структурирования порядка нескольких мкм и меньше, когда плот­ность внутренних границ в исследуемом материале весьма высока.

Примене­ние градиентных теорий к подобным задачам представляется наиболее пер­спективным, поскольку градиентные («моментные») взаимодействия обеспе­чивают бо́льшую гладкость сопряжения на границах контакта фаз. Градиент­ная постановка является наиболее естественной для подобных задач, посколь­ку описывает локализованные около границ раздела фаз (компонент компози­та) поля напряжений, характеризуемые масштабным параметром, имеющимсмысл протяженности указанных локальных взаимодействий.

Градиентные44эффекты становятся существенными при уточнении полей напряжений в со­ставных слоистых системах, что важно для оценки прочности и объясненияэкспериментально обнаруженных особенностей различного рода разрушенийСКМ.Модели градиентной теории упругости исследуются более 40 лет в рабо­тах российских и зарубежных авторов [61–71]. Существующие градиентныетеории подразделяются на две группы.В первую группу входят теории Тупина, Аэро-Кувшинского и Джере­милло.

Они характеризуются тем, что построены на основе классическойкинематической модели — каждой точке среды эти теории приписывают тристепени свободы — компоненты вектора перемещений. Соответственно, в этихтеориях существует три уравнения равновесия. Теория Тупина является наи­более общей теорией первой группы и содержит теории Аэро-Кувшинского иДжеремилло как свои частные случаи.Вторая группа (теории Миндлина, Коссера, Айфантиса и сред с сохра­няющимися дислокациями (ТССД)) характеризуется тем, что данные теориипостроены на основе неклассической кинематической модели.

Каждой точкесреды эти теории приписывают дополнительные степени свободы: в теорииКоссера — три компоненты псевдовектора свободных поворотов, в теории Ай­фантиса — шесть компонент свободных деформаций, а в теории Миндлинаи в теории ТССД — три компоненты псевдовектора свободных поворотов ишесть компонент тензора свободных деформаций. Соответственно, уравне­ний равновесия в данных теориях тоже больше: в теории Коссера — шесть,в теории Айфантиса — девять, а в теориях Миндлина и ТССД — двенадцать.Теория Миндлина является наиболее общей теорией второй группы и содер­жит теории Коссера, Айфантиса и ТССД как свои частные случаи.В дальнейшем в работе будет использован однопараметрический вари­ант градиентной теории упругости — прикладная модель межфазного слоя[70], построенная как простейший вариант градиентной теории на основе мо­45дели Тупина.

Введение гипотезы о пропорциональности когезионных модулейприводит к зависимостям градиентных параметров модели лишь от одногомасштабного параметра. Структура решения в модели сред с масштабнымэффектом содержит как решение, соответствующее уравнению классическойтеории упругости, так и решение для модели когезионного поля. Краеваязадача в общем случае остается связанной. Необходимо подчеркнуть, что ко­гезионные взаимодействия определяются новым физическим параметром мо­дели [72, 73]. Показано, что данный параметр связан с параметрами механикиразрушения и может быть найден в результате решения задачи идентифика­ции по данным экспериментальных исследований для эффективных механи­ческих характеристик СКМ.Классические модели теории упругости и методы механики композитовне позволяют реалистично описывать эффективные механические и физиче­ские свойства микро- и наноструктурированных материалов, для которыххарактерна высокая удельная площадь поверхности внутренних межфазныхграниц.По этой причине в рамках данной работы для уточненного анализа тер­момеханического состояния слоистых структур были выбраны уже отмечен­ные ранее неклассические модели механики композитных материалов — гра­диентные модели.

Достоинством градиентных подходов, активно развивае­мых в последние годы, является их универсальность, на их использованиипостроена апробированная техника оценки эффективных свойств, они поз­воляют расширить применимость классических результатов на включения сочень большой площадью удельной поверхности, что и имеет место для на­ноструктурированных тонкослойных композитов и покрытий.Градиентные модели описывают локализованные около границ разде­ла фаз (компонент композита) поля температур и напряжений, характери­зуемые масштабными параметрами, имеющими смысл протяженности этихлокальных взаимодействий.

Градиентные теории, с одной стороны, обеспечи­46вают бо́льшую гладкость сопряжения на границах контакта фаз, а с другойстороны, градиентные эффекты могут быть существенными при уточненииполей температур и напряжений в составных слоистых системах, что важ­но для оценки прочности таких систем, для объяснения экспериментальнообнаруженных особенностей их разрушения.Основной особенностью градиентных теорий является определение на­пряжений с учетом повышенных порядков производных от перемещений. Та­ким образом, градиентные модели позволяют учитывать локальные эффектыв распределении напряжений и деформаций в области границ сред. Гради­ентные модели при решении практических задач оказываются эффективны­ми для учета масштабных эффектов в материалах с характерным размеромструктуры, сопоставимым с протяженностью локальных градиентных полей.Примерами таких сред, являются композиты с микро-/нановключениями,тонкослойные композитные покрытия, ультратонкие пластины и т.