Механика деформирования и разрушения
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
?.
Если максимальная ?y достигается в вершине трещины, то пик растягивающего напряжения ?x наблюдается на некотором расстоянии от вершины трещины. Этот пик примерно в 5 раз меньше максимального нормального напряжения ?y. Поэтому, если прочность сцепления материала на границе матрица- волокно в 5 и более раз меньше прочности волокон, то растягивающее напряжение ?x вызывает отслоение волокна от матрицы, затупление вершины трещины и прекращение ее распространения.
В результате, вместо одной большой сквозной трещины, которая бы разрушила бы материал полностью, в КМ образуются мелкие, так называемые ответвленные трещины, поэтому КМ сохраняет определенную несущую способность. Изобрела этот механизм сама природа. В биологических материалах, например в кости или древесине может быть множество внутренних поверхностей раздела. Эти поверхности не ослабляют материал в целом, а делают его вязким, т.е. упрочняют. Такой механизм торможения трещин обеспечивает и рекордную трещиностойкость искусственных композитов. Даже если такой композит как стеклопластик, состоящий из хрупких стеклянных волокон, погруженных в хрупкую эпоксидную матрицу, он обладает большой вязкостью за счет множественных торможений магистральной трещины на поверхностях раздела волокон и связующего.
Поэтому один из способов увеличения сопротивления распространения трещин- снижение прочности связей между волокнами и матрицей. Однако на это можно идти в разумных пределах, не нанося большого ущерба прочности КМ.
Если прочность сцепления матрицы и волокна будет большой, отслоения на границе раздела происходить не будет, трещина будет проходить через эту границу, рвать волокно и идти дальше по матрице.
Второй механизм повышения вязкости разрушения, тоже присущий только КМ- вытягивание волокон из матрицы в процессе раскрытия трещины. Если длина волокон не превышает критической, то такие волокна при распространении трещины не разрушаются, а сдвигаются относительно матрицы. За счет сил трения между волокном и матрицей совершается работа вытягивания, увеличиваются затраты энергии на продвижение трещины и вследствие этого повышается вязкость разрушения. Этот механизм срабатывает также и в случае длинных волокон l>lс, если их концы находятся на расстоянии менее lc/2 от поверхности разрушения. Такие концы волокон не разрываются при раскрытии трещины, а вытягиваются из матрицы.
- непрерывное длинное волокно (разрыв волокна), 2, 3- длинные волокна, концы которых меньше lc/2 (вытягивание волокон), 4- короткое волокно l ? lc (вытягивание волокна)
Если длина волокон значительно превышает критическое lc, то большинство волокон рвутся, а не вытягиваются и вклад работы вытягивания волокон в общую вязкость разрушения невелик. При коротких волокнах l< lc основной вклад в работу разрушения КМ вносит работа вытягивания. Поэтому работа разрушения КМ, армированных короткими волокнами больше, чем у КМ с непрерывными волокнами. Но у последней больше предел прочности, поэтому приходится идти на компромисс, выбирая между повышением прочности и вязкостью разрушения. Часто целесообразно создавать материал с заведомо меньшей прочностью, но зато с повышенным сопротивлением распространения трещины. В первую очередь это относится к ККМ (КМ с керамической матрицей). За счет армирования керамики короткими волокнами удается в десятки раз увеличить ее ударную вязкость, термостойкость, усталостную прочность. Но для этого должны быть обеспечены оптимальные значения длины армированных волокон, их диаметра и прочности связи на границе раздела. Вязкость разрушения можно увеличить, повышая объемную долю и прочность волокон, их диаметр и уменьшая прочность связи. Однако заметно уменьшать прочность связи нельзя, т.к. заметно снижается прочность КМ перпендикулярно оси волокон. Целесообразно армировать матрицу толстыми волокнами с диаметром 0,05-0,5 мм.
В большинстве случаев энергетические затраты на вытягивание волокон существенно больше работы разрушения связей на границе раздела. Это позволяет создавать КМ с высокой вязкостью разрушения даже в случае хрупкой матрицы и волокна. Если механизм вытягивания волокон действует, то затраты энергии на вытягивание значительно превосходят работу разрушения каждого компонента в отдельности. Если в таком КМ волокна разрушаются, а не вытягиваются, то вязкость КМ остается низкой.
В композициях хрупкая матрица- пластическое волокно наряду с вытягиванием волокон существенны процессы разрушения самих волокон при распространении трещины. Поскольку вязкость разрушения таких волокон высока, они до определенного предела тормозят распространение трещины, "замораживая" ее.
В композициях пластическая матрица - хрупкое волокно. Существенную роль в обеспечении вязкости играет пластичность самой матрицы, она уменьшает напряжения на фронте трещины, поглощая энергию во время пластичного течения, и предотвращает распространение хрупкого разрушения от одного волокна к другому. Сопротивление распространения трещин тем выше, чем меньше объемная доля волокон и чем больше их диаметр, а также чем больше пластичность и прочность матрицы.