Особенности разрушения композиционных материалов
Особенности разрушения композиционных материалов
Способность сопротивляться развитию трещин является одной из важнейших характеристик конструкционных материалов. В любом материале микротрещины и микродефекты существуют всегда, и вопрос в том, насколько эти трещины устойчивы и не подвержены росту.
Для КМ, состоящих из высокопрочных армирующих элементов и вязкой матрицы, характерно перераспределение напряжений при разрушении отдельных элементов материала. Это приводит к повышению такой характеристики, как вязкость – способность сопротивляться распространению трещин.
Одна из особенностей анизотропных материалов, в том числе КМ, - это то, что развитие трещины зависит от взаимной ориентации трещины и осей анизотропии. В анизотропном материале можно выделить направления, вдоль которых трещина легко растет, и направления с высокой трещиностойкостью. Как правило, трещина легко развивается вдоль границ сопряжения матрицы и волокна, т.е. КМ разрушается расслоением. В направлении поперек волокна трещиностойкость материала обычно очень высока.
Лекция "5.2 Управление охраной труда" также может быть Вам полезна.
Расслоение КМ может быть вызвано рядом причин: удары, температурные напряжения и т.д. В ряде случаев наблюдается разрушение, которое называется поверхностным расслоением, когда некоторый объем материала выпучивается. Обычно такие дефекты проявляются при сжимающих напряжениях.
Когда речь идет о разрушении вдоль границы раздела фаз, применяются методы механики разрушения, разработанные применительно к обычным материалам; однако и здесь речь должна идти лишь об оценочных расчетах.
В целом для КМ характерно наличие многих механизмов разрушения: вдоль границ раздела (расслоение); разрыв волокон; разрушение матрицы; сочетания перечисленных механизмов. При разрыве волокон степень разрушения характеризуется отношением числа разорванных волокон к их общему числу. При расслоении таким параметром служит отношение суммарной длины разрушений вдоль границ к общей длине этих границ.
Внешний вид разрушения также зависит от отношения направления нагрузки и волокон; так, в однонаправленном композите при растяжении образуется т.н. «щетка», при изгибе – расслоение, при растяжении поперек волокон – рост трещины, обычно по границе волокно-матрица.
Для КМ обычно свойства матрицы, геометрия укладки волокон имеют довольно широкий разброс, и потому характерен большой разброс прочности. В этом случае использование средних значений прочности материала для оценки прочности конструкции приводит к большим погрешностям. В связи с этим при расчете конструкций из КМ часто используются так называемые вероятностные методы. Как правило, для заданного уровня нагрузки получается не одна цифра, показывающая вероятность безотказной работы (ВБР) конструкции, а поле ВБР, характеризующее степень риска в разных точках конструкции.
Для композитов возможно повышение их трещиностойкости за счет новых границ раздела между матрицей и армирующими элементами. Когда трещина распространяется поперек волокон, возможны два основных механизма повышения вязкости. В первом случае волокна рвутся, и энергия идет на разрушение достаточно прочных армирующих волокон. Во втором случае рост трещины сопровождается вытягиванием волокон из матрицы, что тоже требует затрат энергии, а внешне выражается как повышение трещиностойкости. Иногда для реализации второго механизма идут на понижении уровня адгезии на границах между матрицей и включениями, однако при этом повышение трещиностойкости приводит к уменьшению прочности.
