Файл: Колпашников, А. И. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами.pdf

ях она — основной компонент, несущий нагрузку. В ком­ позиционных .материалах, армированных волокнами, роль матрицы сводится к передаче нагрузки волокнам. При упрочнении частицами нагрузка (распределяется между матрицей и частицами.

Дисперсные частицы начинают упрочняюще воздейст­ вовать на композицию тогда, когда деформацию матрици ограничивают посредством механического «стеснения» величина которого неизвестна и подчиняется сложной зависимости, но она является функцией отношения рас­ стояния между частицами к их диаметру, а также отно­ шения упругих характеристик матрицы и частиц. Обыч­ но величина модуля упругости Дк композиций, упрочнен­ ных частицами, меньше, чем по правилу смесей [1]:

где Дм — модуль упругости матрицы; Дв — модуль упругости волокна;

УмИ Ув — объемные доли матрицы и волокон.

Но в условиях жесткого «стеснения» этот предел можно превзойти.

Посколько модули упругости упрочненных частицами композиций должны удовлетворять соотношению

всякое положительное отклонение от уравнения (6) дол­ жно означать стеснение матрицы. Аналогичное выраже­ ние определяет модуль сдвига армированного матери­ ала:

'Поведение упрочненных частицами композиций за пределами упругих областей исследовалось лишь в от­ дельных случаях. Такое поведение можно подразделить на два вида в зависимости от того, претерпевают или не претерпевают сами частицы пластическую деформацию перед разрушением. Жесткие поверхности перед разру­ шением твердых частиц матрицей ограничивают дефор­ мацию более мягкой матрицы под действием нагрузки. При этом возникает поле гидростатических напряжений, подобное полю напряжений в упругой области, но толь­ ко при более высоких уровнях напряжений. С ростом нагрузки напряженность гидростатического поля возра­

9

стает. Когда гидростатическая составляющая напряже­ ния превысит предел текучести нестесненной матрицы примерно в 3—3,5 раза, обычно наступает разрушение. При этом если развитого в материале напряжения не достаточно для деформации размещенных частиц, то разрушение, началом которого является растрескивание, идет через матрицу.

Под действием нагрузки внутреннее скалывающее на­ пряжение тi по границе матрица — частица равно про­ изведению числа дислокационных петель, скопившихся у частицы, на приложенное внешнее напряжение, т. е.

где п — число петель дислокаций; о — приложенное внешнее напряжение.

Если внутреннее скалывающее напряжение п, дейст­ вующее на частицу, равно пределу ее прочности о®, то частицы начнут разрушаться с зарождением трещины, которая вызывает течение композиции. Следовательно,

.при течении

где Огк — напряжение текучести композиции.

Отсюда следует, что если в частицах не возникает тече­ ния, то предел текучести композиции должен быть про­ порционален величине, обратной корню квадратному из расстояния Dp между частицами [4].

В тех случаях, когда в стесненной матрице создается напряжение, достаточное для деформирования диспер­ сных частиц, критерий текучести при стеснении выража­ ется в виде уравнения

10

где тв — предел текучести частицы.

При воздействии трехосного поля напряжений предел текучести частиц понижается по сравнению с пределом текучести при отсутствии стеснения на величину, пропор­ циональную стеснению. Таким образом*, при отсутствии стеснения

Dp выбирают таким образом, чтобы при больших значениях расстояния между частицами, когда стесне­ ния нет, напряжения Твстесн =Твнестесн. Подставляя соотношение (15) в уравнение (13), находим следующую зависимость для деформируемых композиций, упрочнен­ ных частицами:

3. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АРМИРОВАННЫЕ ВОЛОКНАМИ

Исходя из предположений, что волокно непрерывно распределено по всему объему, ориентировано в одном направлении, однородно и жестко сцепляется с матрицей, так что на поверхности раздела никакого проскальзыва­ ния между ними не происходит, считаем, что нагрузка Рк распределена между волокнам Рв и матрицей Рм:

V — объемная доля.

Поскольку проскальзывание отсутствует, композиция, волокно и матрица деформируются одинаково, т. е. бк= = ем= е в. Это условие является основной предпосылкой теории «комбинированного действия». Тогда

11

зования волокна необходимо, чтобы модуль упругости его был много больше модуля упругости матрицы. Объ­ емная доля волокна должна быть также максимальной, чтобы сделать долю нагрузки, воспринимаемой волокна­ ми, как можно больше. Максимальная доля цилиндриче­ ских волокон может составлять до 91%, но при Ув> 0,8 (80%) свойства композиции ухудшаются, так как. мат­ рица уже не в состоянии омочить и пропитать пучки во­ локон, а это ухудшает сцепление волокон с матрицей и приводит к образованию пустот в композиции.

Деформация композиции с параллельно ориентиро­ ванными непрерывными волокнами при ее нагружении вдоль волокон проходит 4 стадии [б]:

1)волокна и матрица деформируются упруго;

2)волокна продолжают деформироваться упруго, а

матрица начинает деформироваться пластически;

3)волокна и матрица деформируются пластически;

4)волокна разрушаются, что приводит к разрушению композиции.

На первой стадии модуль упругости композиции Ек можно вычислить по правилу смесей:

На второй стадии вследствие нелинейности кривой деформирования матрицы модуль композиции вычисля­ ется:

отсутствует. При армировании пластичным волокном мо­ дуль упругости композиции определяется так же, как и на второй стадии.

12