Упрочнение волокнами
Волокно, находящееся в матрице, должно иметь более высокие значения модуля упругости, чем у матрицы(Ев>Ем), 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 ξк, матрицы ξм и волокна ξв будут одинаковы (ξк = ξм= ξв). Прочность композиции σв в таком случае изменяется в зависимости от объемного содержания упрочняющих волокон Vв рис. 2.3). Малое содержание объемной доли волокна в матрице(Vв<Vкр )снижает прочность композиции. Волокна, быстро нагружаясь до предельных напряжений, разрушаются и нагрузку воспринимает только матрица, которая и определяет прочность композиции.
Разупрочняющее действие волокон отмечается вплоть до Vкр, когда вначале происходит разрушение матрицы и дробление волокон. При увеличении объемного содержания доли волокон (Vв>Vкр) нагрузку воспринимают волокна, прочность которых определяет прочность всей композиции. Разрушение волокон под действием приложенной нагрузки приводит к быстрому разрушению матрицы.
Рис.2.3. Изменение прочности волокнистого материала в зависимости от содержания
упрочнителя
Прочность композиции складывается из суммарной прочности волокон и матрицы:
(2)
Аналогичным образом изменяется модуль упругости композиции:
(3)
Прочность композиции растет до значений объемной доли волокна Vв≈ 0,8–0,9, поскольку при больших значениях Vв 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 объём упрочняющих волокон в матрице определяют из уравнения:
(4)
Деформация композиционных материалов под нагрузкой, приложенной вдоль упрочняющих волокон, проходит в несколько стадий (рис.2. 4).
На I стадии матрица и волокно деформируются упруго. Механические характеристики σвв и Ек определяются по формулам (2) и (3). На II стадии матрица переходит в упругопластичное состояние, а волокна деформируются упруго. Модуль упругости в том случае определяется по формуле:
, (5)
– скорость деформационного упрочнения матрицы.
Рис. 2.4. Диаграмма растяжения волокон (1), матрицы (2) и композиции с однонаправленными волокнами
На III стадии прочность композиции резко снижается в связи с разрушением хрупких волокон и матрицы.
Волокнистые композиции – ярко выраженный анизотропный материал, механические свойства которого самым существенным образом зависят от угла ориентации волокон относительно действующей нагрузки (рис. 2.5). 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.
Рис. 2.5. Зависимость прочности однонаправленной композиции от угла ориентации волокон относительно действующей нагрузки
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 1259;