Упрочнение волокнами. 
Материаловедение и технология материалов

Волокно, находящееся в матрице, должно иметь более высокие значения модуля упругости, чем у матрицы (Е° > ?^м), что является одним из условий получения композиции с высокими механическими свойствами.

Теория композиционных материалов предполагает равномерное распределение волокон по объему матрицы, их одинаковую направленность и отсутствие проскальзывания на поверхности раздела «матрица — волокно» вплоть до разрушения композиции. Нагрузка, таким образом, распределяется между волокнами и матрицей, а деформации композиций %^к, матрицы ?^м и волокна будут одинаковы (^^к = = ?^в). Прочность композиции в таком случае изменяется в зависимости от объемного содержания упрочняющих волокон V¹¹ (рис. 11.2).

Малое содержание объемной доли волокна в матрице (V* < У_кр) снижает прочность композиции. Волокна, быстро нагружаясь до.

предельных напряжений, разрушаются, и нагрузку воспринимает только матрица, которая и определяет прочность композиции. Разунрочняющее действие волокон отмечается вплоть до V_Kp, когда вначале происходят разрушение матрицы и дробление волокон. При увеличении объемного содержания доли волокон (V¹¹ > V_Kp) нагрузку воспринимают волокна, прочность которых определяет прочность всей композиции. Разрушение волокон под действием приложенной нагрузки приводит к быстрому разрушению матрицы.

Прочность композиции складывается из суммарной прочности волокон и матрицы:

Аналогичным образом вычисляется и модуль упругости композиции:

Прочность композиции растет до значений объемной доли волокна V^й = 0,8⁰, 9, поскольку при больших значениях V^е сложно заполнить пространство между волокнами материалом матрицы, ухудшается сцепление волокна с матрицей и между ними возможно проскальзывание. Кроме того, в этом случае волокна близко расположены друг к другу, что не затрудняет распространение трещин от волокна к волокну.

Критический объем упрочняющих волокон в матрице определяется из уравнения

где среднее напряжение течения матрицы в момент разрушения волокон.

Из уравнения (11.3) следует, что увеличение разницы в прочностных характеристиках волокон и матрицы уменьшает критическую объемную долю V_Kp. Критическая объемная доля волокна в матрице может изменяться от 1 до 50%.

При упрочнении композиции дискретными однонаправленными волокнами матрица передаст нагрузку волокнам путем пластической деформации, пропорциональной приложенному напряжению. Волокно, имея более высокий модуль упругости, чем матрица (V" > V^м), ограничивает свободное удлинение матрицы, что приводит к искажению поля деформации. В зоне, прилегающей к волокну, удлинение матрицы равно упругому удлинению волокна (рис. 11.3).

При увеличении нагрузки максимальные значения напряжений сдвига ограничиваются пределом текучести матрицы. Такого значения тангенциальное напряжение достигает на расстоянии /_кр/2.

от конца волокна. Полное использование упрочняющего действия волокна наблюдается в том случае, если напряжения в волокне не достигнут предела прочности а|). Критическое значение длины волокна определяют из уравнения равновесия элементов волокна и матрицы

где d — диаметр армирующего волокна, откуда.

Критическая длина волокна /_кр пропорциональна напряжению разрушения волокна а".

Деформация композиционных материалов под нагрузкой, приложенной вдоль упрочняющих волокон, проходит в несколько стадий (рис. 11.4).

1 — искаженное поле деформации; 2 — армирующее волокно; 3 — матрица.

Рис. 11.4. Диаграмма растяжения волокон (/), матрицы (2) и композиции с однонаправленными волокнами (3)

На I стадии матрица и волокно деформируются упруго. Механические характеристики Оц и Е^к определяются, но формулам (11.1) и (11.2). Па II стадии матрица переходит в упругопластичное состояние, а волокна деформируются упруго. Модуль упругости в том случае определяется по формуле.

где do^M/ds^M — скорость деформационного упрочнения матрицы.

Па III стадии прочность композиции резко снижается в связи с разрушением хрупких волоком и матрицы.

Волокнистые композиции — ярко выраженный анизотропный материал, механические свойства которого самым существенным образом зависят от угла ориентации волокон относительно действующей нагрузки (рис. 11.5). Устраняется этот недостаток только выбором материала для детали с пространственным армированием волокнами, сетками или конструированием детали из композиционного материала таким образом, чтобы нагрузки действовали вдоль упрочняющего волокна.

Свойства границы раздела «матрица — волокно», прежде всего адгезионное взаимодействие матрицы и волокна, определяют уровень свойств композиции и их стабильность в процессе эксплуатации. Граница, обеспечивающая передачу нагрузки от матрицы на волокно, должна отличаться стабильностью свойств. Адгезионная связь должна сохраняться при воздействии напряжений, вызванных различиями в температурных коэффициентах линейного расширения матрицы и волокна.

На границе происходят диффузионные процессы, химические реакции, растворение и образование новых фаз, чаще интерметаллидов. С одной стороны, их образование увеличивает сцепление между матрицей и волокном, а с другой — понижает прочность волокна. Интерметаллиды — хрупкие фазы, способные разрушаться.

1 — матрица; 2 — волокна даже при незначительных деформациях. Обеспечить же прочное сцепление матрицы и упрочняющего волокна без взаимодействия сложно. Па практике для улучшения сцепления на волокна наносят покрытия, а матрицу легируют.

Большое количество поверхностей раздела «матрица — волокно» в волокнистых композиционных материалах определяет их поведение при разрушении. Трещина, образовавшаяся в матрице, при своем распространении через сечение многократно задерживается на границе «матрица — волокно». Распространение трещины сопровождается разрушением границы раздела и вытягиванием волокон из матрицы (рис. 11.6). Сопротивление распространению трещин при вытягивании волокон из матрицы возникает в виде сил трения между волокном и матрицей, а при разрушении границ — в разрыве связей между ними. Энергетические затраты на вытягивание волокон, разрыв связей между волокнами и матрицей существенно повышают сопротивление разрушению волокнистых композиционных материалов, но сравнению с однородными.

В композиции, состоящей из хрупкой матрицы и хрупкого волокна, вязкость разрушения обеспечивается при реализации механизма разрушения путем вытягивания волокон, причем волокна должны быть выбраны соответствующей длины /_в ~ /_кр и диаметра d = d_B (см. рис. 11.3). В композиционных материалах с хрупкой матрицей и эластичными волокнами вязкость разрушения повышают за счет увеличения диаметра непрерывных волокон, их прочности и объемного содержания. В таких материалах существен не только процесс вытягивания волокон, но и процесс разрушения самих волокон. При высокой прочности границы раздела волокно разрушается по достижении предельной деформации, определяемой раскрытием трещины. Сопротивление разрушению может быть повышено снижением прочности связи между волокнами и матри;

1 — матрица; 2 — волокна; 3 — трещина в матрице; 4 — волокна, вытянутые из матрицы цей. В этом случае прочность композиции па сдвиг и растяжение в направлении, перпендикулярном волокнам, снижается. Вязкость разрушения такой композиции повышается при упрочнении дисперсными волокнами (/ < /_кр), вытягивающимися из матрицы.

Вязкость разрушения композиции с пластичной матрицей и хрупким упрочняющим волокном повышается с увеличением диаметра волокон и их объемного содержания, а также с повышением пластичности и прочности матрицы.

Дж. Гордон и Дж. Кук изучали влияние прочности связи волокна с матрицей на характер распространения трещин в композиционном материале. Они показали, что впереди острия трещины наряду с растягивающими напряжениями (а_г) действуют поперечные напряжения (а_д). При определенном соотношении между ними под действием напряжения с_х возможно расслоение или разрушение границы волокна с матрицей. Трещина в этом случае не распространяется через волокно, а отводится в направлении, перпендикулярном оси волокна (рис. 11.7). Таким образом, рост трещины тормозится в главном направлении, и одна большая трещина, способная разрушить материал, в композиции преобразуется во множество мелких ответвленных трещин. Структурные особенности композиционных материалов и связанный с этим прерывистый характер распространения трещины определяют их существенное отличие в характере усталостного разрушения от наблюдаемого в металлах и сплавах. В композиционных материалах критическая длина дефекта (трещины) в связи с периодическими остановками ее на расслоениях по границе волокна с матрицей, особенностями разрушения матрицы, дроблением волокон больше, чем в металлах и сплавах.

При одинаковых условиях испытаний время и число циклов до разрушения у композиционных материалов больше, чем у металлов и сплавов.

1 — граница раздела; 2 — трещина.