книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1

но большие				значения напряже­						ÂÜ.40~*tpad
ний возникают					в	матрицах при
попытках			армировать их волок­
нами в виде кремнезема, бора
или карбида кремния.
	Исследование					зависимостей
напряжение — деформация								по­
казывает,			что поведение компо­
зитов может быть самым разно­
образным [172]. Они могут вести
себя как хрупкие материалы, как
пластичные материалы и как ма­
териалы,			обладающие сложной
текучестью.
	На рис. 2.68, а представле­
ны диаграммы для слоистого ма­
териала, состоящего из эпоксид­
ной смолы и стеклоткани, имею­
щей атласное переплетение [172].
При		растяжении				стеклоткани
примерно до 50					МПа в основ­
ных	направлениях						диаграммы
имеют прямолинейный характер,
затем		следует небольшой излом.
В дальнейшем					с	возрастанием
напряжения происходит пропор­
циональное				возрастание дефор­
маций.		Разрушение					материала
наступает примерно в окрестнос­
ти 2 % деформации.
	Из рисунка видно, что при
растяжении материала под углом
45°	к	основным				направлениям
поведение его носит нелинейный									Рис. 2.67. Возможные напряжения в матрице»
характер.
	На рис. 2.68, б представлены								возникающие из-за разности коэффициентов теп­
диаграммы деформирования								ма­	лового	расширения
териала со				сложной			компози­
цией, для			армирования которого использовались как стекловолокно, так и угле­
родное		волокно			{1 — 20 %			углеродного		волокна, 50 %	стекловолокна; 2 —
20 % углеродного волокна, 40 % стекловолокна; 3 — 20 %											углеродного волокна.

30 % стекловолокна). У этого материала разрушение углеродного волокна происхо­ дит не одновременно с разрушением стекловолокна, в результате чего приведенные диаграммы носят сложный характер.

На рис. 2.68, в показаны диаграммы деформирования алюминия, армированного в одном направлении борсиком, в различных направлениях по отношению к направ­ лению армирования.

На рис. 2.68, г приведены диаграммы деформирования композита Ni — NbC, застывшего в одном направлении (кривая 1) и твердого раствора NbC в никеле № с весовым содержанием 0,5 % (кривая 2). Наиболее часто используются компози­ ционные материалы, упрочненные частицами и волокнами.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что поведение композитов, упрочненных частицами, во многом отличается от композитов, упрочненных волок- *нами.

Прочность первых зависит от способности дисперсных частиц тормозить дви­ жение дислокаций в матрице, тогда как в последних матрица служит средой, кото­ рая передает нагрузку волокнам и распределяет ее между ними. Прочность армиро­ ванных волокнами металлов зависит прежде всего от прочности волокон, о+ силы сцепления между волокнами и матрицей по поверхности раздела, от сопротивления матрицы сдвигу, от уровня остаточных напряжений и других факторов. Сопоставле­ ние волокнистых композитов с композитами с дисперсными частицами приведено в

й (

	Композиты с дисперсными частицами
Параметр сопоставления	Микроскопическис чп стицы,	Мелкие частицы, d = 1—50 мкм	Волокнистые композиты
	dp = 0,01—0,1 мкм

о

Фаза

матричная

дисперсная

Армирование

В основном воспринимает	на­ В средней		степени воспринимает на­ Передает нагрузку волокну
грузку		грузку
Препятствует дислокацион­	У	вязких	композитов сдерживает		В основном воспринимает нагруз­
ным движениям		деформации матрицы		может сама,	ку; может препятствовать	ди­
	У	деформироваться		придает	слокационным движениям,	что
		хрупких композитов			в целом не значительно
		твердость

Dp, dP, Vp	DP, dp, Vp	/*,	t/df, Vf
В случае хрупких частиц oc явля-		Направление	волокна
ется функцией l/Dp или.
log (IfDp).
В случае вязких частиц ос является
функцией	пластических напряже­
ний

Прочность	Возрастает пропорционально	Возрастает пропорционально умень-	Возрастает пропорционально Vf
	Vp, 0,0005 < Vp < 0,2	шеиию Vm.	0,01 < V / < 0,9
		У хрупких композитов падает с
		уменьшением mfp.
		У вязких композитов не зависит от

o ü u v mo i '

Высокая температура	Зависит от степени препятст­
	вия дислокационным движ е­
	ниям частиц и степени об­
	разования комков частиц

Зависимость между	Обладают	текучестью, дефор­
напряжением и де­	мация при разрушении
формацией	0,1 ...15	%

Зависит от пластического поведения Зависит от степени прочного матрицы и пластичности частиц удержания волокна и пласти­

ческих .характеристик матрицы и границы

Обладает текучестью и пластично­		М огут	быть	материалы, облада­
стью,	деформация при разрушении	ющие текучестью, а			такж е ма­
0 ...3 0	%	териалы у		которых	разруш е­
		ние происходит в упругом со­
		стоянии. В основном зависит or
		характеристики волокна Vf и
		его	ориентации

Материал

Изотропный

Г раница	Является	важной, но слабо
	влияет	на прочность

Способ получения	Порошковая	металлургия
композитов	Окисление		способы
	Электрохимические
	Выпадение	частиц	и ,т . д.

Изотропный

Является важной

Порошковая металлургия Пропитка Литье и т. д.

Анизотропный

В случае прерывных волокон яв ­ ляется важной

Порошковая м еталлургия. Пропитка в вакууме Направленное отверждение Электрохимические способы Намотка волокна Формовка при высоком давлении

П р и м е ч а н и е . Здесь нспользоилш следующие условные обозначения: d свободное расстояние матрицы): Vp — объемное содержание чле^нц; V fp — длина волокна; —- диаметр волокна; Vj — объемное содержание волокно.

— диаметр частицы: Dpmfp — расстояние между частицами (среднее содорж ипо матрицы; / — длина волокна; /♦ — предельная

Рис. 2.68. Примеры диаграмм напряжение — деформация для различных композитов

габл. 2.67 [172]. Для изготовления композитов используют различные методы, неко­ торые из которых указаны в табл. 2.67.

Общие закономерности упрочнения материала частицами и волокнами рассмотре­ ны в работе [141], где в качестве характеристики упрочнения использовался коэф­ фициент упрочнения F*, равный отношению предела текучести упрочненного (час­ тицами или волокнами) металла к пределу текучести неармированного металла. Для металлов, упрочненных дисперсными частицами, F* зависит от многих параметров: от концентрации частиц Ур, их распределения, размера dp и расстояния между час­ тицами Хр и т. д. Чем меньше размеры частиц, тем эффективнее они тормозят движе­ ние дислокации и, следовательно, тем больше упрочняют материал. Это иллюстри­ руется левой частью диаграммы на рис. 2.69, где величина F* нанесена в зависимос­ ти от диаметра частиц dp. На этой диаграмме показаны размеры дисперсных частиц,

характерные для сталей, сверхпрочных сплавов, упрочненных дисперсными										ча­
стицами металлов и керметов и соответствующие им значения коэффициента									упро­
чнения	F*. Если размеры частиц вытянуть, т. е. придать им форму волокон, то коэф­
фициент F* можно существенно увеличить.
Как показывают теоретические и экспериментальные исследования,								коэффи­
циент упрочнения F* при упрочнении металлов волокнами зависит прежде									всего
от отношения длины волокна к его диаметру lid, от средней прочности волокон										Of и
объемного содержания волокон Vf. Это иллюстрируется правой частью							диаграммы
на рис. 2.69, которой показаны расчетные				зависимости	коэффициента	F* от		отноше­
ния lid. (при df —		10...250 мк) для различных композиций в предположении,								что
нагрузка приложена по направлению волокон.
На рисунке кривая 1 соответствует композиции					А1 — S102 (Vf,= 50 %,				с/ =
= 3100 МПа), кривая 2 — композиции Al — А120 3 (Vf = 3 5 %, о/						=	3200		МПа),
кривая	3 — композиции Ag — А1а0 3 (Vf = 24 %, ôf = 6600 МПа),					кривая				4 —
композиции Си — W (Vf =			50 %,<jf = 2500МПа), кривая 5 — композиции						А1 —
нержавеющая сталь		(V) =	20 %, о/ =	1500 МПа).					упроч­
К особенностям механического поведения композиционных материалов,
ненных волокнами, следует отнести более высокие характеристики						прочности				при

растяжении, чем при сжатии [13]. Из рис. 2.70 следует, что чистая полиэфирная мат­ рица имеет прочность на сжатие больше, чем на растяжение. Однако по мере увели-

чения содержания стекла прочность на растяжение повышается и становится выше прочности на сжатие, так как упрочняющее действие волокон более эффективно при растяжении. При использовании в качестве наполнителя рубленых стекляных воло­ кон получаются промежуточные свойства между полиэфиром и композицией, упроч­

ненной	стеклотканью.
Н а рис. 2.70 приняты следующие обозначения: / — неупрочненный			полиэфир,
I I — упрочнение рублеными		стеклянными волокнами, I I I — упрочнение стекло­
тканью ,	I V — упрочнение параллельными слоями стеклоткани, V — упрочнение
однонаправленной резницей;		1 — прочность при растяжении, 2 — прочность при
изгибе;	3 — прочность при сжатии, 4 — модуль упругости, найденный		по резуль­
татам испытаний при изгибе.

Расчеты показывают, что композиционные материалы, в которых в качестве на­ полнителя используются тонкие волокна, усы, могут иметь характеристики прочнос­ ти, в том числе при высоких температурах, намного превышающие прочность лучших современных сплавов.

На рис. 2.71 [20] выполнено сопоставление рассчитанной длительной прочности на базе 100 ч композиции, содержащей 50 % параллельно ориентированных усов A 1 À (сапфир), с прочностью лучших современных сплавов. Видно, что прочность композиционного материала намного превышает прочность различных сплавов.

Реализация теоретической прочности композиционных материалов встречает большие сложности, связанные с обеспечением требуемых характеристик исходных

материалов, с реализацией сил поверхностного взаимодействия		при	исключении
растворения наполнителя в матрице, с изготовлением бездефектных композицион­
ных материалов и т. д.
2.5.2.	Композиционные материалы в технике. В настоящее время трудно пред­
ставить прогресс в развитии многих отраслей техники, особенно новых, без широко­
го использования композиционных материалов. Композиты, широко используемые
в технике, можно условно представить в виде трех групп. Это, во-первых, компози­
ты на основе полимеров с наполнителями в виде волокон различного диаметра, длины
и ориентации из стекла, бора, углерода и некоторых других материалов;			во-вторых,
композиты на основе металлической матрицы с наполнителями в		виде частиц, воло­

кон и слоев из металлических и неметаллических материалов; и в-третьих, металло­ керамические и керамические материалы различного назначения.

Рис. 2.69. Влияние частиц и волокон на коэффициент упрочнения металлов

15 3-1414

£„-df*M0Q

Рис. 2.70. Зависимость прочности и модуля упругости стеклопластиков от наполни­ теля

Рассмотрим кратко механические свойства этих композитов с учетом того, что некоторые материалы первой и второй групп были затронуты в разделах этой главы, посвященных, пластическим массам, малопластичным и хрупким материалам. При рассмотрении механических свойств композиционных материалов следует учитывать, что свойства этих материалов существенно зависят от условий изготовления ис­ пытываемых образцов и той анизотропии свойств, которая присуща для большинства этих материалов. Следует такж е учитывать, что во многих случаях . механические свойства материала в значительной степени определяются условиями изготовления детали, ее размерами и конфигурацией, что особенно существенно при изготовлении деталей прессованием, методами порошковой металлургии, когда прочность материа­ ла детали и специально изготовленных для определения характеристик прочности материала образцов может существенно отличаться.

М атериалы первой группы нашли широкое применение в качестве конструкци­ онных материалов в гражданской и военной авиации, космических летательных аппа­ ратах, железнодорожном транспорте, судостроении, строительной и химической промышленности и других отраслях техники. Первоначально ш ирокое использование получили стеклопластики. В то ж е время опыт эксплуатации стеклопластиков вы­ явил и некоторые их недостатки, в частности, недостаточную ж есткость, прочность при сдвиге и сжатии, низкое сопротивление истиранию, ограниченный выбор методов соединения их с металлическими конструкциями и т. п. Это привело к созданию в

и других материалов

последние годы усовершенствованных композиционных материалов на основе полиме­ ров, армированных высокомодульными углеродными, борными и другими волокнами.

Некоторые свойства полимеров, используемых при создании композиционных материалов, и свойства некоторых стеклопластиков были рассмотрены выше.

Т а б л и ц а 2.68. Механические свойства конструкционных материалов

Материал	V*.	ст, МПа
	F/CM1
Стеклопластик *	2,08	1680
Боропластик *	2,02	1400
Углепластик *	1,58	1400
Боралюминий *	2,76	1220
Органоволокнит *	1,38	1120
Алюминиевый сплав 7075	2,76	550
Титановый сплав Ti — 6 %,	4,43	1190
А1 — 4 %

* Одпоосноармироваивые.

ь

80,7

69,3

88,6

44,1

81,1

19,8

26,8

£.10*.	£/у*, км
МПа
3,5	1682
2,1	10 400
14...28	8860... 17 700
1,9	7100
7,7	5580
7,0	2540
11,2	2528

Особенно эффективно использование композиционных материалов этой группы > качестве конструкционных материалов, когда требуются высокие удельные характе­ ристики прочности и жесткости. Некоторые данные по сопоставлению удельных проч­ ностей и жесткостей пластиков на различной основе, бороалюмнння, органоволокниты и распространенных алюминиевых и титановых сплавов приведены в табл. 2.68 [77]. Для композиционных материалов в этой таблице приведены показатели, полу­ ченные при испытании одноосноармированных образцов в направлении выкладки наполнителя. Из табл. 2.68 следует, что композиционные материалы превосходят

		алюминий и титан по удельной проч­
		ности в два — четыре раза и по удель­
		ному модулю — примерно в семь раз.
		Важными	достоинствами		армирован­
		ных волокнами пластиков являются их
		высокая	демпфирующая способность,
		а также высокая стойкость в условиях
		воздействия коррозионных сред.
		Недостаток		материалов на основе
		полимеров — их		низкая	теплостой­
		кость, о чем уже говорилось в преды­
		дущем разделе.		композиционных ма­
		Применение
		териалов на основе полимеров перспек­
	Рис. 2.72. Зависимость энергии удара (по	тивно и при решении некоторых спе­
		циальных задач, как, например, при
	Шарли) для мягкой стали и слоистого ма­
		создании	теплозащитных		материалов
	териала
		для головных частей ракет			и космиче­
		ских аппаратов		[148].	космичес­
	Интенсивные тепловые потоки, которые имеют место при вхождении

ких аппаратов в плотные слои атмосферы, приводят к абляции материала, состоя­ щей в сочетании процессов плавления, испарения, пиролиза и разрушения материала. Для таких материалов важно, чтобы в процессе их разрушения температура защи­ щаемого объекта в течении заданного времени не превышала допустимую. Использо­ вание волокна в таких материалах повышает механическую прочность хрупкой ма­ трицы, например смол, керамики или других обугливающихся материалов и усили­ вает сопротивление эрозии благодаря свойствам тугоплавкости и слабой теплопро­ водности. Свойства некоторых теплозащитных материалов приведены в табл. 2.69 [148]. В последние годы широкое использование в технике получили композицион­ ные материалы с металлической матрицей.

Создание на основе металлов композиционных материалов позволяет повысить характеристики прочности металлов, а также придать им целый ряд новых полез­ ных свойств. Можно назвать следующие композиционные материалы на основе метал­ лической матрицы, нашедшие использование в технике: слоистые металлические композиционные материалы; эвтектические жаропрочные сплавы, полученные мето­ дом направленной кристаллизации; никелевые сплавы, упрочненные волокнами оксида алюминия; сплавы, упрочненные проволокой тугоплавких металлов; титано­ вые и алюминиевые сплавы, упрочненные волокнами; металлические материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными углеродными волокнами и т. п. Свойства этих материалов подробно рассмотрены в специальной. литературе [53]. Здесь остановимся лишь на некоторых особенностях этих материалов и приведем типичные характеристики их механических свойств. Слоистые металлические ком­ позиционные материалы состоят из двух или более слоев, соединенных друг с дру­ гом таким образом, чтобы свойства получаемой композиции значительно превосхо­ дили свойства составляющих ее компонентов при экономии дефицитных материалов. К таким свойствам могут быть отнесены коррозионная стойкость, поверхностная твердость, износостойкость, ударная вязкость, прочность, магнитные и тепловые свойства, формоизменение и др.

В случае, когда слоистый материал состоит из пластичных материалов, такие основные характеристики механических свойств, как предел текучести, предел прочности, удлинение, модуль Юнга, могут быть рассчитаны на основе правила сме­ сей, рассмотренного в предыдущей главе. Экспериментальное подтверждение этого вывода сделано в работах [133, 204].

В табл. 2.70 приведены механические свойства композиционных слоистых мате­ риалов коррозионностойкая сталь — алюминий с различным содержанием компо­ нентов, в которых сердцевиной служил алюминиевый сплав толщиной 0,38 мм, планированный с обеих сторон коррозионно-стойкой сталью. Характеристики меха­ нических свойств, приведенные в этой таблице, близки к расчетным, следующим из правила смесей. В то же время другие эксплуатационные характеристики слоистых материалов могут быть существенно улучшены. Так, на рис. 2.72 показана темпера­ турная зависимость ударной вязкости (по Шарпи), однородной мягкой стали

Т а б л и ц а		2.69. Свойства композиционных материалов для тепловых экранов
					Фенольная смола, армированная волокнами
		Свойство		графнта	углерода	кварца	нейлона	Пиролитический
								графит
Плотность,		г/см8		1,5	1,44	1,33,.. 1,76	1,26	2,14
Теплопроводность, Дж/(см X				0,0165а	0,005,.,0,0065	0,0035	0,0016...0,0061	5б (при 286 К)
еек X град)				0,0084"
Удельная		теплоемкость,		0,34...0,43	0,37	0,32. ».0,51	0,49...0,61	0,23...0,69
кал/(г*град)
Коэффициент расширения,				8,8...10,8®	8,2	5,8...8,1	58...100	0,2е
Х10®,	град-1			36...54"				Г
Предел прочности, МПа				З5...84а,д	102... 152	35...55	35...56	105е
цри	растяжении
								3,б0...70г
при сжатии				140...420	350...400	НО	95	105е
								350...560р
Модуль Юнга,			МПа	10 500... 14 000	11000	14 000... 18 000	20 000	31000е
Относительное			удлинение, %	1,0	—	1.0	2	0,2*
Коэффициент Пуассона				0,4	0,4	0,4	—	—0,21е
								+ 1,0Г

П р м м е ч и н а я : а — вдоль волокон, б — параллельно поверхности; в — поперек волокон? F — перпендикулярно к поверхности; д — ддЯ перпендикулярного направления надо уменьшить в IQ рад.

(кривая 2) и также стали со слоем припоя (кривая 1), препятствующим распростра­ нению трещины. При наличии такого слоя (так называемого слоистого материала конфигурацией торможения трещины), трещина, достигая в материале этого слоя, начинает распространяться вдоль слоя, для чего требуется большая энергия. Нали­ чие такого слоя приводит к существенному снижению критической температуры хрупкости (рис. 2.72).

Т а б л и ц а 2.70. Механические свойства слоистых композиций коррозионностойкая сталь — алюминиевый сплав

		Предел	Предел	Удли­	Модуль Юнга,
Толщина, мм	АЬ %	теку­	проч­
		чести,	ности,	нение,	10«, МПа
		МПа	МПа	%
1,27	40	330	470	34	14,5
1,52	50	282	410	34	13,8
1,77	57	247	368	33	12,9
2,03	63	222	336	33	12,2
2,28	67	202	310	32	11,5
2,79	73	172	274	32	10,8
3,17	76	156	254	32	10,8
Алюминиевый сплав	100	41	110	30	7,0
Коррозионно-стойкая сталь	0	505	690.	35	20,3

На рис. 2.73 показано изменение глубины коррозии в трубах из стали 5050 и стали 5050, плакированной алюминием, при испытаниях в соляной среде [53]. В этом случае эксплуатационные характеристики композиционного материала

существенно повышаются.

Используя метод направленной кристал­ лизации эвтектических сплавов, можно со­ здать структуру, в которой параллельные волокна или пластины|располагаются в дру­ гой фазе, которая может быть принята за матрицу. Этот класс материалов может быть

j Рис. 2.73. Изменение глубины коррозии в зависимости от времени:

0 —>сталь 5050; 2 — сталь 5050, плакированная алюминием; толщина покрытия 0,094 и ,043 мы (штриховые линии)

Рис. 2.74. Предел прочности в продольном, поперечном и под углом 45° направле­ ниях эвтектического сплава (Со, Сг) — (Сг, Со)7 С3