12. Вязкость разрушения КМ.

Для конструкционных материалов, кроме предела прочности и упругих свойств, имеют важное значение сопротивление усталостному разрушению, циклическая прочность и достаточная вязкость разрушения, необходимые для повышения эксплуатационной надежности материала.

Вязкость – сопротивление распространению трещин разрушения.

Традиционные высокопрочные сплавы, как правило, имеют низкую пластичность, высокую чувствительность к концентраторам напряжений и сравнительно малое сопротивление усталостному разрушению. Композиционные волокнистые материалы, обладая высоким пределом прочности и еще меньшей пластичностью, чем высокопрочные сплавы, имеют, однако, меньшую чувствительность к концентраторам напряжений и большее сопротивление усталостному разрушению, т. к. имеют другой механизм развития трещин. В традиционных изотропных высокопрочных сталях и сплавах развитие трещин идет прогрессирующим темпом, скорость трещинообразования возрастает по мере вовлечения в очаг образования трещины все больших элементов структуры – зерен, дендритов и пр.

В композиционных материалах другой механизм развития трещин. Трещина обычно возникает в матрице и, развиваясь, встречает препятствие на границе раздела матрицы – волокно. Волокна тормозят развитие трещин, и наступает период относительной стабильности, в течение которого приостанавливается развитие трещин.

Анализируя характер разрушения композиционных материалов, следует отметить, что последний представляет собой ряд последовательных дискретных этапов, каждый из которых отличается от другого перераспределением напряжений между армирующими волокнами.

Волокнистые композиционные материалы, состоящие, как указывалось, из чередующихся регулярным образом хрупких армирующих волокон в пластичной матрице обладают достаточно высокой вязкостью разрушения.

Таким образом, в композиционной системе сочетаются два противоположных свойства, необходимых для конструкционных материалов – высокий предел прочности и достаточная вязкость разрушения. Высокая прочность достигается за счет использования хрупких высокопрочных волокон, а достаточная вязкость разрушения обусловлена пластичной матрицей и специфическим механизмом рассеяния энергии разрушения композиции.

Упрочняя композиционный материал за счет армирования, важно повысить его вязкость разрушения. Для армированных материалов характерны и такие механизмы повышения вязкости разрушения, которых нет у гомогенных материалов. Эти механизмы связаны с наличием в композиционных материалах большого числа поверхностей раздела, которые могут стать тормозом на пути распространения трещин. Можно выделить по крайней мере два явления, способствующих интенсивной диссипации энергии движения трещины: вытягивание волокон из матрицы и разрушение границ раздела.

При вытягивании волокон дополнительное сопротивление распространению трещин, развивающихся в матрице, возникает в виде сил трения между вытягиваемым волокном и матрицей, а при разрушении границ - в процессе разрыва связей между волокном и матрицей. Обычно эти два механизма действуют последовательно.

В зависимости от природы компонентов и прочности границ раздела, влияние этих механизмов на вязкость разрушения композиционных материалов может быть различным.

Если , то большинство волокон рвется, а не вытягивается, и вклад работы вытягивания волокон в общую вязкость разрушения невелик. При длине волокон основной вклад в работу разрушения композиционного материала вносит работа вытягивания волокон .

В большинстве случаев энергетические затраты на вытягивание волокон существенно больше работы разрушения связей на границе раздела. .

Это создает предпосылки для создания композиционного материала с высокой вязкостью разрушения даже в том случае, когда и матрица и волокна по своей природе хрупки. В этом случае наиболее радикальный путь повышения вязкости разрушения – армирование их дискретными волокнами таких размеров, при которых волокна вытягиваются из матрицы в процессе раскрытия трещины.

В том случае, когда матрица хрупкая, а армирующее волокно пластичное, то наряду с вытягиванием волокон важную роль играют процессы их разрушения. Трещина, образовавшаяся в хрупкой матрице, подходя к волокну, возбуждает в нем растягивающие напряжения. Если прочность границы раздела матрица – волокно достаточно высока, то волокно разрушится после достижения предельной деформации, обусловленной раскрытием трещины. Поскольку вязкость самих волокон высока, то они тормозят распространение трещины, повышая вязкость разрушения композиционного материала.

Если матрица композиционного материала пластичная, а армирующее волокно хрупкое, то для повышения вязкости разрушения нужно создать условия, при которых бы волокна не разрушались, а вытягивались из матрицы.

Вязкость КМ можно повышать, увеличивая волокна, прочность и объемную долю.