Переход от термодинамической модели процесса к механической модели поведения материала под нагрузкой

Семинар: 1. Проблема организации поверхностной и межфазной зоны в композиционном материале

Статистическая обработка результатов входного контроля борной нити как решение проблемы

Структура боровольфрамового волокна и возникновение межфазных зон внутри борного волокна

Стоимость борных волокон очень высока. Она значительно возрастает, когда начальную поврежденность промышленной борной нити снижают путем удаления дефектов поверхности травлением нити в горячем растворе азотной кислоты. Однако с ростом стоимости резко (в 1,5 раза) возрастает прочность борного монофиламента (рис. 3) и важно установить, можно ли максимальным образом реализовать такую прочность в композиционном материале. Это обстоятельство предопределило выбор типов монофиламентов для оптимизации условий совмещения компонентов.

В данной работе выбираемыми типами волокон с варьируемыми значениями средней прочности являются: под индексом 1 - исходная борная нить 1-го сорта (не травленная, БН); под индексом 2 - - улучшенная нить нормального травления (стравлен поверхностный слой толщиной 1,5 мкм, УБН, рис.3); под индексом 3 - улучшенная нить глубокого травления (стравлен поверхностный слой толщиной 2,2 мкм).

В качестве конкурирующих матриц выбраны промышленные деформируемые (АД1, АД33) сплавы, являющиеся близкими аналогами зарубежных сплавов 1100 и 6061 и литейный сплав АЛ2, обладающие хорошей совместимостью с борной нитью и часто используемые при производстве боралюминиевых композитов. Составы матричных сплавов приведены в таблице 1, а выбор условий совмещения и схема кодирования режимов представлены в таблице 2.

Выбор технологического метода получения того или иного композиционного материала определяется в основном следующими факторами: химической природой матрицы и упрочнителя; технологичностью наполнителя, т.е. возможностью введения упрочнителя в матрицу без увеличения его начальной поврежденности; реализуемостью условий, приводящих к созданию требуемой прочности связи (рис. 4) по границам раздела матрица – наполнитель; максимальным сохранением свойств матрицы и упрочнителя после завершения всех этапов совмещения и монолитизации. С позиций теории управления, перечисленные факторы представляют собой риски управления технологическими процессами, с позиций механики композитов – риски формирования многоуровневой системы поврежденностей волокон, границ раздела, полей остаточных напряжений, микропористости и т.п. неоднородностей структуры, используя которые будет под нагрузкой развиваться магистральная трещина, разрушающая композит.

1-0-0 2-0-0 3-0-0 1-x-y

В волокнах с подобной структурой опасными являются не самые малые (даже при достаточно большой концентрации), а самые большие микротрещины, которые и приводят к разрыву испытуемого образца. Важную роль играет форма микротрещины, особенно вблизи вершины (устья), где в процессе разрушения происходит последовательный разрыв связей. Предложено несколько моделей микротрещины для хрупкого тела (рис. 2), среди которых эллиптическая трещина А.А. Гриффита (рис. 2, а) скорее представляет модель макротрещины. П.А. Ребиндер, а затем Я.И. Френкель ввели представление о трещине как о щели с асимптотически сходящимися стенками, где свободная поверхностная энергия постепенно изменяется от величины, характерной для свободной поверхности, до нуля.

Введение повреждений упрощенных типов (эллипс с закруглением в устье трещины), как это принято в модели Гриффита, делает возможным анализ полей напряжений вокруг них на основе линейной теории упругости. Эта модель превращает однородную среду с неизвестной однородной прочностью в среду с известной неоднородной прочностью с помощью следующих допущений:

повреждения различной степени опасности распределены в среде таким образом, что никакого взаимодействия между повреждениями нет, так что эффект от повреждения в каждом элементе длины может быть проанализирован независимо от наличия повреждений в других элементах длины, как если бы это было единственное имеющееся в среде повреждение;
прочность элемента длины связана с размером трещины, которую он содержит, таким образом, что ;
прочность любого макроскопического образца однозначно определяется прочностью того элемента длины, который содержит наиболее опасное повреждение (концепция слабейшего звена).

По существу, гистограммы, представленные в лаб. работе № 5, отражают распределение дефектов в волокне заданной длины по степени их интенсивности, т.е. распределение коэффициентов концентрации напряжений.Подсчитано, что для борных волокон коэффициент концентрации напряжений K = 10 ¸ 40 ( ), а отношение = 20¸380, где U – полудлина трещины, r - радиус закругления в вершине дефекта. Полагают, что в момент разрушения у концентратора напряжений достигается прочность, близкая к теоретической.

Рис. 2. Модели трещины для идеально хрупкого тела

Молекулярная модель трещины (рис. 2, в) обобщает модель Ребиндера и одновременно позволяет понять механизм взаимодействия волокна с окружающей диффузионной средой. На явно выраженной границе перехода от свободной поверхности к сплошной среде (поперечная черта) происходит или разрыв, или закрепление связей. В момент разрыва связей квазиупругая сила достигает максимального значения, и межчастичное расстояние меняется скачком. В результате трещина увеличивается на длину, соответствующую одному межчастичному расстоянию. Стравливание поверхностного слоя, изменяя поле остаточных напряжений, может способствовать захлопыванию трещины.

Переход от термодинамической модели процесса к механической модели поведения материала под нагрузкой

Модель Вейбулла

Допущения модели:

- Повреждения различной степени опасности распределены в среде таким образом, что каждое из них содержится в элементе объема выбранной длины L₀. Между повреждениями никакого взаимодействия нет и поэтому самое длинное повреждение u на длине L₀ можно рассматривать как единственное.

- Прочность \лемента длины L₀ связан с размером u трещины по условию:

- Прочность макрообразца длины L однозначно определяется прочностью того элемента длины l_кр, который содержит наиболее опасное повреждение (концепция слабейшего звена на информационной базе l_кр)

Вывод: анализ влияния параметров термодинамического процесса, включая выбор компонентов композита, может быть проведен путем изучения результатов статистического анализа прочности серии волокон с покрытием (или композитов, соответствующего состава), используя методы механики материалов.

Домашнее задание

Таблица 3. Экспериментальные значения разрушающих напряжений и частоты их попадания в указанные интервалы напряжений

Шифр опыта		Р а з р у ш а ю щ е е н а п р я ж е н и е, s х 10^-1, МПа																									N
Шифр опыта		140	160	180	200	220	240	260	280	300	320	340	360	380	400	420	440	460	480	500	520	540	560	580	600	620	N
1-0-0	n			4	¾	4	5	9	11	19	23	17	4	2	1	1	1										1 01
1-1-1	n				1	2	3	6	15	14	37	15	4	1	2												100
1-1-2	n			1	¾	1	2	4	12	20	33	7	5	3	¾	1											89
1-1-3	n		1	¾	¾	1	¾	9	19	26	31	11	1	1													100
1-2-1	n	1	¾	1	3	2	1	9	13	31	19	14	4	1													99
1-2-2	n					1	1	2	18	30	23	19	4	1	1	1											101
1-2-3	n			1	¾	3	1	8	23	27	30	12	1	1	1												108
1-3-1	n			1	¾	2	1	6	16	23	30	12	9														100
1-3-2	n								1	9	25	19	25	12	5	3											99
1-3-3	n	1	¾	¾	¾	¾	2	1	4	4	14	24	30	11	2	1	3	¾	¾	¾	1						98
2-0-0	n									1	4	4	7	10	6	10	13	18	9	10	4	3	2	¾	1		102
2-1-1	n	1	¾	3	2	1	3	7	4	14	16	21	17	5	1	¾	1										96
2-1-2	n			1	6	5	3	9	5	16	30	11	4	2	2	1											95
2-1-3	n		2	3	5	11	12	8	10	12	25	5	1	¾	1												95
2-2-1	n					3	2	3	8	9	11	15	16	14	7	6	3	1									98
2-2-2	n				2	2	2	2	4	17	16	18	21	7	7	¾	1	1									100
2-2-3	n				1	8	2	2	7	17	33	13	5	5	1	¾	1	1									96
2-3-1	n							5	2	8	8	23	15	15	10	5	2	3	1								97
2-3-2	n					3	¾	5	9	16	12	8	7	8	8	5	4	4	¾	2	¾	1					92
2-3-3	n								3	1	9	6	16	15	30	11	5	1	1	¾	¾	1					99
3-0-0	n									3	9	2	8	5	8	6	7	14	13	19	9						103
3-1-1	n							3	7	11	19	25	12	8	11	3											99
3-1-2	n					2	¾	2	4	11	18	31	22	4	2												96
3-1-3	n					4	1	5	6	11	28	17	5	12	4	3	1										97
3-2-1	n					1	¾	1	2	3	8	21	8	11	11	3	8	5	3	9	1	3	1	¾	¾	1	100
3-2-2	n				1	¾	¾	¾	2	4	9	16	18	14	16	5	3	2	¾	2	1	2	1	1			97
3-2-3	n					3	7	4	¾	10	19	22	18	7	2	2											94
3-3-1	n							2	3	5	9	19	13	10	7	11	11	5	4	¾	1						101
3-3-2	n				1	2	¾	1	1	6	7	13	17	13	12	7	8	3	1								92
3-3-3	n			1	¾	3	1	2	3	8	9	18	10	13	20	2	3	2									95

Таблица . Варьируемые компоненты и условия их совмещения

1-0-0 –- исходная нить
2-0-0 –- улучшенная нить нормального травления (стравливание поверхностного слоя толщиной 1.5 мкм)
3-0-0 –- улучшенная нить глубокого травления (стравливание поверхностного слоя толщиной 2,2 мкм)
Время в расплаве Покрытие		0,25 с	0,4 с	0,5 с
1.	АД 1 (943 К)	1-1-1 2-1-1 3-1-1	1-1-2 2-1-2 3-1-2	1-1-3 2-1-3 3-1-3
2.	АЛ 2 (873 К)	1-2-1 2-2-1 3-2-1	1-2-2 2-2-2 3-2-2	1-2-3 2-2-3 3-2-3
3.	АД 33 (943 К)	1-3-1 2-3-1 3-3-1	1-3-2 2-3-2 3-3-2	1-3-3 2-3-3 3-3-3

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 175; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!