книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1
.pdfно 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 (
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-
£„-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
|
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.