Упрочнение волокнами

Волокно, находящееся в матрице, должно иметь более высокие значения модуля упругости, чем у матрицы(Е_в > Е_м), 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 ξ_к, матрицы ξ_м и волокна ξ_в будут одинаковы (ξ_к = ξ_м= ξ_в). Прочность композиции σ_в в таком случае изменяется в зависимости от объемного содержания упроч­няющих волокон V _в рис. 2.3). Малое содержание объемной доли волокна в матрице(V_в<V_кр )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 V _кр, когда вначале происходит разрушение матрицы и дробле­ние волокон. При увеличении объемного содержания доли волокон (V _в> V _кр) 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 V^в≈ 0,8–0,9, поскольку при больших значениях V^в 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 σ^в_в и Е^к 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