ВВЕДЕНИЕ

Современный уровень развития техники выдвигает новые требования к конструкционным материалам. Создаваемые материалы должны обладать не только определенным комплексом физических и механических свойств, но и отвечать новым требованиям к прочности в связи с условиями использования. При поиске и разработке новых материалов традиционные методы в ряде случаев уже не дают желаемых результатов, и возникает необходимость в развитии принципиально новых путей. Одним из таких путей является создание композиционных материалов. Понятие композиционные материалы, или композиты, включает в себя чрезвычайно широкий круг материалов как искусственных, так и природных.

Особое место в обширном классе композиционных материалов занимают волокнистые композиционные материалы, создание которых позволяет реализовать высокие прочность и жесткость тонких упрочняющих волокон. Разработка новых композиционных материалов с высокими физико-механическими, а также специальными физико-химическими свойствами может привести к качественному скачку в развитии ряда областей техники.

Перед создателями композиционных волокнистых материалов стоят многообразные задачи: разработка теории волокнистого упрочнения различных матриц, разработка методов получения, обработки, контроля качества композиционных материалов в промышленном масштабе, внедрение композиционных материалов в технику. Для материаловедов — разработчиков композиционных материалов — особую значимость приобретают две проблемы.

Прежде всего речь идет о проблемах физико-химической совместимости (обеспечение прочной связи на границе раздела фаз, отсутствие взаимодействия типа растворения или реакционной диффузии) и «механической» совместимости (выбор оптимального сочетания механических и физических свойств компонентов — соотношение модулей упругости, коэффициентов термического расширения, коэффициентов Пуассона, пластических свойств компонентов и др.). Именно учет совместимости компонентов композиционного материала позволяет правильно выбрать параметры и схему технологического процесса получения материала с высоким уровнем свойств.

Вторая проблема, стоящая перед создателями и исследователями композиционных материалов,—разработка теории деформирования и разрушения при различных условиях нагружения волокнистых анизотропных материалов с контрастными свойствами компонентов. Для детальной разработки этой теории необходимы большие усилия по исследованию конкретных, связанных со структурой механизмов деформирования и разрушения компонентов композиции, накоплению данных по механическим свойствам композиционных материалов с учетом условий их получения и обработки, разработке и экспериментальной проверке различных моделей разрушения композиционных материалов.

За 20 лет, прошедших с начала работ по композиционным материалам, достигнуты большие успехи в области теории и технологии получения композиционных материалов и армирующих волокон, в исследованиях физико-механических свойств этих материалов и установлении связи между механическими свойствами композиционного материала при различных условиях нагружения и его структурой (объемная доля компонентов, их геометрия), свойствами компонентов, термопластической предысторией материала. Разработаны вопросы теории физико-химического взаимодействия на границе раздела компонентов, намечены принципы выбора барьерных диффузионных покрытий на волокнах.

Ряд волокнистых композиционных материалов с различными металлическими матрицами, упрочненными углеродными, борными и металлическими волокнами, уже нашел применение. Ведутся широкие работы по внедрению композиционных материалов в технику (главным образом в конструкции летательных аппаратов).

В последние годы в отечественной и зарубежной литературе опубликовано значительное количество монографий и сборников [1, 2, 5, 7, 15, 19, 41, 42, 51, 88, 103], посвященных проблемам получения, исследования и применения композитов. Однако большая значимость работ по созданию и исследованию композиционных материалов не исчерпывается только их практической важностью.

Исследование процессов разрушения композиционных материалов может позволить по-новому, с позиций композиционных материалов, подойти к проблемам разрушения широкого класса конструкционных материалов. Необходимость такого «композитного» подхода к проблемам разрушения обусловливается тем, что подавляющее большинство конструкционных материалов представляет собой гетерогенные сплавы, состоящие из компонентов разной жесткости, прочности и пластичности и обладающие некоторой структурой. И именно взаимодействие этих компонентов, перераспределение напряжений между ними, разрушение хрупких составляющих, течение пластичных и обусловливает развитие процесса разрушения при нагружении материала. Для того чтобы это направление в исследовании процессов разрушения стало реальностью, следует, видимо, начинать непосредственно с композиционных материалов, как материалов с организованной структурой.

В данной монографии исследуются процессы разрушения металлических композитных материалов, армированных высокопрочными волокнами. Хотя композиционные материалы должны создаваться уже с учетом условий их работы в конкретных деталях, все же основные закономерности процессов разрушения могут и должны быть исследованы на простых моделях. Это позволит в «чистом» виде проанализировать влияние исходных свойств компонентов и объемных долей на прочностные свойства композитов. Исследование же разрушения конкретных изделий из композиционных материалов представляет собой следующий этап, который требует самостоятельной разработки в каждом конкретном случае. Но проектирование деталей из композиционных материалов должно опираться уже на знание основных закономерностей разрушения элементарных объемов композитов. Данная работа посвящена получению именно этой первичной и наиболее общей информации о развитии процессов разрушения при растяжении волокнистых композиционных материалов.

В I главе монографии дается обзор достижений в области создания металлических волокнистых композиционных материалов, обсуждаются различные подходы к анализу прочностных свойств композитов, отмечаются особенности развития процессов разрушения композиционных материалов с хрупкими волокнами. При исследовании процессов разрушения выделяются две основные части: «механическая» — включающая исследование перераспределения напряжений между компонентами и «вероятностная»— состоящая в вероятностном анализе развития процессов разрушения.

Главы II и III посвящены исследованию перераспределения напряжений между волокнами и матрицей композиционного материала. В главе II из общей проблемы механического взаимодействия компонентов выделяются задачи о совместном деформировании волокон и матрицы и задачи о перераспределении напряжений в случае разрывов волокон или в случае дискретных волокон. Решается задача об определении радиальных напряжений обжатия, действующих на волокно в случае деформирования матрицы за пределами упругости, а также обсуждаются модели перераспределения напряжений в композиционных материалах с дискретными или разрушенными волокнами; обсуждается возможность стыковки моделей для областей перераспределения напряжений и совместного деформирования; дается анализ одномерных моделей перераспределения напряжений.

В главе III разрабатывается обобщенная расчетная модель перераспределения напряжений при разрушении хрупких волокон в упругопластической матрице. На основании этой модели получаются зависимости для параметров, характеризующих перераспределение напряжений, которые являются исходными данными для дальнейшего анализа процесса разрушения в вероятностном аспекте.

Главы IV и V посвящены анализу процесса разрушения в вероятностном аспекте. В главе IV рассматривается применение вероятностных методов к оценке прочности композитов, разрабатывается метод построения диаграмм деформирования с учетом статистического распределения прочности волокон, анализируются механизмы полного разрушения материала и возможности их аналитического описания.

Глава V посвящена математическому моделированию процессов разрушения на ЭЦВМ. При построении кибернетической модели композиционного материала применяются методы Монте-Карло. Разрабатывается аксиоматическая последовательность операций, моделирующих на ЭЦВМ как статистическое накопление повреждений при разрыве отдельных волокон, так и лавинообразные процессы разрушения волокон, приводящие к полному разрушению материала.

В главе VI на основании данных моделирования, а также результатов исследования механического взаимодействия компонентов прогнозируются диаграммы деформирования композиционного материала для всего диапазона объемных долей волокон и исследуется влияние статистического распределения прочности волокон и неравномерности их укладки, а также влияние искривленности волокон и наличия интерметаллидных граничных слоев на прочностные свойства композитов.

В главе VII развиваются основы композитного подхода к исследованию процессов разрушения широкого класса неоднородных конструкционных материалов. Обсуждаются возможности применения методов кибернетического моделирования процессов разрушения как для исследования элементарных актов зарождения трещин, так и перераспределения напряжений при развитии трещин, а также возможности моделирования разрушения материала при неоднородном напряженном состоянии, соответствующем условиям работы конкретных деталей.

Назад, на страницу описания