Знак Вопроса 1997 № 04 - страница 50

Механизм разрушения материала представляет собой сложную совокупность явлений, возникающих при разрушении и рассматриваемых с точки зрения линейной механики. При этом механизм разрушения композитов отличается от разрушения металлов. В композитном материале, как правило, имеются внутренние дефекты, связанные с технологией их изготовления. Это прежде всего образование пустот (непроклей) внутри материала, различного рода инородные включения, нарушение непрерывности укладки волокон и степени равномерности их укладки в слое, остаточные напряжения, образующиеся при усадке матрицы и т. д. Эти дефекты материала могут служить источником концентрации напряжений, от которых возникают микротрещины. Наиболее общей закономерностью разрушения твердых тел является диффузионное или рассеянное накопление микротрещин в нагруженном материале, определяющее развитие разрушения. Это накопление и объединение микротрещин, которое происходит в результате длительного воздействия эксплуатационных нагрузок, обусловливает появление так называемых усталостных трещин. Возникновение и дальнейшее развитие усталостных трещин характеризует усталостную прочность материала.

При ударных нагрузках, вызванных попаданием в элементы конструкции посторонних предметов, происходит появление в материале дополнительных микротрещин, дробление и отслаивание волокон от связующего, которые, объединяясь в зависимости от силы удара, способствуют образованию обширной зоны нарушения сплошности материала в районе удара.

Появившиеся трещины можно разделить на две основные категории, а именно, трещины, распространяющиеся вдоль поверхности волокон и разделяющие волокна, остающиеся в композите, и трещины, распространяющиеся поперек волокон.

В первую категорию включаются трещины, которые распространяются вдоль волокон и разделяют композит по всей толщине, что вызывает немедленное разрушение. Повысить прочность материала в этом случае можно, только ужесточив требования к технологии изготовления материала и обеспечив необходимое «смачивание» армирующих волокон связующим, повысив адгезию на поверхности раздела.

Распространение трещин в поперечном направлении, а также стойкость КМ при ударных нагрузках могут быть рассмотрены в первом приближении, в рамках линейного механизма разрушения, обязанного возникновением работам Гриффитса, Ирвина и др. исследователей.

Согласно Гриффитсу развитие трещины происходит тогда, когда освободившаяся часть энергии деформации больше превращения поверхностной энергии, необходимой для образования новой поверхности трещины. При соблюдении этого условия в вершинах (на краях) образовавшейся трещины напряжение достигает такого уровня, при котором происходит дальнейший рост трещины без увеличения приложенной нагрузки.

На основании линейной теории упругости Ирвин оценил поле напряжений в окрестностях вершины трещины с помощью коэффициента интенсивности напряжений К, который характеризует интенсивность поля напряжений у вершины трещины. Разрушение материала наступает при условии, что коэффициент интенсивности напряжений достиг своего критического значения, равного Кс, являющегося постоянной характеристикой данного материала и определяющего условия его разрушения в результате образовавшейся трещины или пробоины без увеличения приложенной нагрузки. Величина коэффициента Кс, называемого еще характеристикой вязкости разрушения, связывает разрушающее напряжение в материале и предельно допустимые размеры его повреждения.

Повышение стойкости материала к разрушению достигается управлением его физико-механическими свойствами, такими, как пластичность, характеризуемая величиной относительной деформации при разрушении δ %, и ударная вязкость, характеризуемая коэффициентом ударной вязкости а [кг см/ см^>2]. Значения этих характеристик для ряда материалов приведены в табл. 1 и 4. Там же можно проследить влияние этих коэффициентов на величину коэффициента интенсивности напряжений Кс.

Наиболее эффективным путем повышения стойкости КМ к разрушению является создание гибридных композиционных материалов, состоящих из комбинации высокомодульных углеродных волокон и слоев или переплетений из органических или стеклянных волокон. Принципиально новый этап в создании композитов с повышенной усталостной и ударной прочностью связан с появлением, благодаря успехам химии волокнообразующих полимеров, высокопрочных, высокомодульных органических синтетических волокон с повышенными тепло- и термостойкостью. Отечественного волокна такого типа, как СВН, терлон, армос и др. имеют достаточно высокую жесткость, а по удельной прочности превосходят многие известные длинноволокнистые армирующие наполнители. Основные характеристики армирующих волокон приведены в табл. 3. Несомненным успехом в создании композитов повышенной прочности явилось появление органоволокна кевлар, разработанного фирмой Du Pont (США). Предел прочности при растяжении (σ