Механические характеристики композиционных материалов с учетом переходной зоны

• Автор: Пятаев, Сергей Федорович
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 160 с.

Содержание
Введение
I Механические характеристики дисперсно - упрочненного композиционного материала с учетом переходной зоны.
1.1 Общая схема расчета эффективных модулей упругости дисперсно-упрочненного композиционного материала
1.2 Эффективный модуль объемного сжатия /1* дисперсно-упрочненного композиционного материала
1.3 Эффективный модуль сдвига С* дисперсно-упрочненного композиционного материала
1.4 Поверхность текучести дисперсно-упрочненного композиционного материала
II Механические характеристики волокнистого композиционного материала с учетом переходной зоны.
II. 1 Получение соотношений между микронапряжениями и
макронапряжениями
И.2 Поверхность текучести волокнистого композиционного
материала
II.3 Эффективные упругие характеристики волокнистого композиционного материала
III Механические характеристики двоякопериодического волокнистого композиционного материала.
III. 1 Некоторые рекомендации по выбору функции шагов
111.2 Разбиение границы многосвязной области
111.3 Триангуляция области
II 1.4 Прочностные характеристики двоякопериодического волокнистого композиционного материала
Приложения
Заключение
Литература

Введение
В различных современных конструкциях широко применяются композиционные материалы (КМ) из-за их высокой удельной прочности и жесткости.
Поскольку КМ являются гетерогенными структурами, состоящими из нескольких фаз различной природы, то термодинамическая нестабильность большинства КМ приводит к межфазному взаимодействию компонентов как в процессе изготовления КМ, так и в условиях их эксплуатации. По образному выражению академика И.В.Тананаева, КМ относятся к ’’живущим системам”. Возникающие при таком взаимодействии реакционные или диффузионные зоны очень часто можно рассматривать как самостоятельную часть структуры КМ, в которой формируется связь между наполнителем (армирующими элементами) и связующим (матрицей). Степень взаимодействия компонентов КМ в значительной мере зависит от методов и режимов изготовления КМ. При оптимальном для данной системы наполнитель - связующее режиме реализуется как правило и оптимальная степень физико-химического взаимодействия компонентов. Для волокнистого КМ в этом случае его прочность определяется в основном прочностью самих волокон, причем вследствии возросшей прочности связи матрицы с волокнами разрыв отдельных волокон не сопровождается их отслоением от матрицы, так что разорванные волокна продолжают нести нагрузку (за исключением участков вблизи обрыва).
При изготовлении КМ по режимам, характеризующимся отклонением параметров процесса от оптимальных в сторону снижения температуры, давления и времени выдержки реализуется лишь начальная стадия физико-химического взаимодействия компонентов; механизм разрушения полученного КМ определяется в этом случае прочностью связи матрицы с волокном. Разрыв какого-либо волокна приводит обычно к отслоению его от матрицы, вследствии чего в дальнейшем процессе данное волокно не несет нагрузки. Такой КМ

характеризуется сравнительно невысокой прочностью.
При режимах, отклоняющихся от оптимальных в сторону увеличения температуры, давления и времени выдержки реализуется излишняя степень взаимодействия, что приводит к охрупчиванию матрицы и облегчению условий распространения трещин через область раздела исходных компонентов.
В ряде случаев для предотвращения интенсивного взаимодействия между компонентами на волокнах создаются барьерные слои. Например, на вольфрамовые волокна наносятся слои из нитрида титана, обладающие химической инертностью по отношению к никелевой матрице. При этом предел прочности извлеченных волокон с покрытиями оказывается выше предела прочности извлеченных волокон без покрытий.
Таким образом, в ряде случаев КМ представляет собой по крайней мере трехфазную структуру, состоящую из наполнителя (армирующая фаза), матрицы (связующая фаза), области продукта взаимодействия и возможно барьерного слоя. В дальнейшем объединение двух последних областей будем называть переходной зоной.
В большинстве КМ концентрация переходной зоны колеблется в пределах от 0.01с до 0.02с (с - концентрация армирующей фазы), в связи с чем основная часть работ по механике композитов основана на предположении, что переходная зона бесконечно тонка, т.е. по существу является поверхностью раздела между наполнителем и связующим, и на этой поверхности связь между компонентами КМ или совершенна, или отсутствует. В этой области значительная роль принадлежит советским ученым Аннину Б.Д., Бахвалову Н.С., Бидерма-ну В.А., Болотину В.В., Ванину Г.А., Васильеву В.В., Гольденблату И.И., Немировскому К).В., Победри Б.E., Работнову Ю.Н., Скудре А.М., Соколкину Ю.В., Тамужу В.II., Тарнопольскому Ю.М., Шер-мергору Т.Д. и многим другим. К числу зарубежных ученых молено отнести Адамса Д.Ф., Браутмана Л.Дне., Келли А., Кристенсена P.M., Розена Б.У., Сендецки Дж., Хашииа 3., Хилла Р. и других.

По полученным формулам проводились численные расчеты границ упругого поведения композиционного материала со сплошными включениями при одноосном нагружении. Для простоты полагалось, что переходная зона состоит из двух слоев (N = 2). Первый (второй) слой толщиной кт — г — гр {кр — гр — г$) - часть переходной зоны, внедренная в матрицу (во включение). Далее эти слои обозначаются через Т'! и 1-2 соответственно. Введем обезразмеренные функции 6т(с) и 6р(с)
описывающие относительное проникновение переходной зоны в матрицу и включение соответственно. Функции 6т(с) и 6р(с) из условий однородности материала при с ■= 0 и с = 1 и из геометрических соображений подчиняются ограничениям
Вид этих функций является отражением конкретных технологий изготовления композиционных материалов, поэтому при расчетах выбираем один из возможных
где ат, ар - некоторые константы.
На рис. 1.4.1 представлены пределы пропорциональности а* композита в зависимости от концентрации с. Для кривых Го,...,Гд общими являются значения Р = 80, ит — 0.3, ир = 0.22, а = ор/<гт =
1.5 {ор. ат- пределы пропорциональности для включения и матрицы соответственно), изменяются только ар и ат. Для кривых Г0,..., Гд значения (ат,ар) соответственно равны (0.0,0.0), (0.1, 0.1), (0.2,0.1),
(0.3, 0.1), (0.1,0.2), (0.2. 0.2), (0.3,0.2), (0.1, 0.3), (0.2,0.3), (0.3,0.3). Рас-
четы показывают, что увеличение глубины проникновения переходной зоны (глубина измененных свойств) кт в матрицу влияет на предел пропорциональности композита значительнее, чем соответствующее увеличение кр. На рис. 1.4.2 показано изменение семейства
5т(0) = ад = 0, ■ О < 6т(с) <1, 0 < 6р(с) < 1 .
^р(с) — Ор( 1 /с)' 5т(с) — а,тл/с ,