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

риала и соответствующий ей критический объем волокон Vbkp (рис. 6). Критическая объемная доля волокон оп­

ределяется уравнением, полученным при условии:

I d

При растяжении армиро­ ванного материала (рис. 7) пластическое течение может возникнуть как в толще матрицы, так и по контакт­ ной поверхности матрицаволокно. Оба механизма имеют равноценное значе­ ние при условии

«*в/вт Kc°HTn = F M а” , (56)

нентов.

Суммарная площадь волокон в армированном мате­ риале равна

(57)

где ^общ—'площадь поперечного сечения армированного образца. ___

25

Отсюда

лй%

Суммарная площадь матрицы может быть определена как

(56), как V™'"— граничный объем волокон в докритической области, при котором растяжение армированно­ го материала вызывает в равной степени пластическое течение в толще матрицы и по границам матрицы и во­ локон. Исследования Келли, Тайсона, Дау и других пока­ зывают, что для эффективного упрочнения длина воло­ кон должна быть не менее определенной (критической) для каждого конкретного случая, которая рассчитывает­ ся по формуле

Подставляем в равенство (56) величины, определенные уравнениями (58) —(60), и после преобразований полу­ чим

разделяет докритическую область на два участка, в ко­ торых механизмы разрушения армированного материала различны.

При значениях KB<K™in растяжение армирован­ ного материала вызывает пластическое течение, приво­

дящее к разрушению в толще матрицы; при КВ> У ВШ армированные материалы разрушаются в основном за счет пластического течения по контактной поверхности матрица—волокно.

26

мы исходили из условия, что прочность армированного материала отвечает уравнению:

(1 -У в).

При Ув> ЕВкр начинается упрочнение армированно­

го материала с увеличением объемной доли волокон. Од­ нако интервал от УвКр до 1 разделяется на две области.

Для материалов, армированных, непрерывным волокном, У™‘п определяется уравнением

По данным работы [б], в случае армирования ди­ скретными волокнами величина У™'^ может быть оп­

ределена:

рование позволяет добиться упрочнения материала мат­ рицы. При достаточно больших объемных долях воло­ кон растяжение армированного материала может выз­ вать пластическое течение в толще матрицы и по контак­

Объемную долю волокон, удовлетворяющую (66), обоз­ начим Ув:

(66)

27

или

нии армированного материала) большую часть нагрузки воспринимают волокна. При их разрушении остаточное сечение образца, равное сечению матрицы, оказывается неработоспособным, и происходит быстрое разрушение образца, авид которого аналогичен разрушению гомоген­

поверхности волокон и матрицы. Следовательно, можно

предполагать, что характерной объемной долей Ув дол­ жна быть величина, определяемая из условия равнопрочности составляющих армированного материала.

Таким образом, комопозиционные материалы можно

рассматривать на кривой сгв = /( У в) в нескольких ха­ рактерных областях механического поведения при рас­ тяжении (рис. 8).

Pihu б. Графическое изображение

классификации армированных мате­ риалов. по особенностям их поведения при растяжении:

происходит по границе между матри­ цей и волокнами; // — область' раз­ упрочнения матрицы волокнами, в

рушение материала происходит глав­ ным образом по Границе между мат­

венного разрыва матрицы после раз­ рушения волокон

Удельная прочность армированных материалов мо­ жет быть определена следующим образом:

при условии 1 > У В> У В

28

где рк, и рк2— удельная прочность композиций.

6. Связи НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ВОЛОКНО —

МАТРИЦА В МЕТАЛЛАХ, АРМИРОВАННЫХ ВОЛОКНАМИ

Поверхность раздела волокно •— матрица в арми­ рованном материале — весьма важная область, посколь­ ку по ней происходит передача напряжения от матрицы к волокну. Состояние поверхности раздела, характер сцепления волокна с-матрицей и возникающие при этом связи, в конечном счете, определяют прочность всей ком­ позиции.

В большинстве случаев соединение металлической матрицы с металлическим волокном может сопровож­ даться их химическим взаимодействием, в результате чего на .поверхности раздела образуются интерметаллидные соединения, которые хотя и обеспечивают достаточ­ ное -сцепление между волокном и матрицей, однако по­ нижают прочность волокон. Кроме того, интерметаллидные соединения переходной зоны, обладая низкой плас­ тичностью, разрушаются уже при весьма малых дефор­ мациях и не обеспечивают передачи напряжений от мат­ рицы к волокну, в результате чего понижается проч­ ность армированного материала. Наконец присутствие интерметаллидов на поверхностях раздела волокно—мат­ рица чрезвычайно ограничивает, а иногда и вообще ис­ ключает возможность дополнительной обработки с целью профилирования композиционных изделий.

Для .предотвращения потери прочности армирован­ ным материалом в этом случае необходимо при разра­ ботке' технологии предусмотреть создание диффузион­ ных барьеров или подобрать такие методы и режимы из­ готовления, которые’существенно снизили бы скорости

" При получении армированных материалов из компо­ нентов, взаимно не растворимых друг в друге или не взаимодействующих друг с другом, трудно обеспечить надежное сцепление волокна и матрицы. Это положение относится в первую очередь к армированию металлов волокнистыми монокристаллами или волокнами из окис-

29