Критическая толщина различных покрытий для волокон бора
диаметром 100 мкм и средней прочностью `σf = 3500 МПа и Ef = 380000 МПа
| Материал покрытия | `σL, МПа (для df = 0,1 мм) | Ef, МПа | EL, МПа | Коэффи- циент bL | Критическая толщина покрытия хкр, мкм | ||
| Расчетная | Экспери-ментальная | ||||||
| Уравне-ние 4.8 | Уравне-ние 4.9 | ||||||
| SiC SiC SiC TiB2 TiB2 TiB2 TiB2 B4C B4C B4C BN BN BN | 6,65 1,90 0,51 1,10 0,24 0,05 0,002 0,65 1,90 0,51 31,5 48,2 70,8 | 0,2 0,6 0,2 1,2 | 1,5 0,4 |
Выше (раздел 2.3.1.) было показано, что отличительной особенностью КМ с однонаправленными волокнами является резкая анизотропия их прочностных свойств. Максимальную прочность КМ проявляют при приложении нагрузки вдоль волокон, в то время как в направлении, перпендикулярным волокнам прочность определяется прочностью материала матрицы при наличии прочной связи на границе раздела волокно - матрица. Поэтому важно знать, как влияет угол между направлением армирования и осью растяжения КМ на прочность при наличии зоны взаимодействия матрицы с волокном и без взаимодействия.
С этой целью из полученных прокаткой листов КМ алюминиевый сплав - проволока из стали ЭП-322 вырезали образцы с шириной 9 мм и длиной рабочей части 25 мм таким образом, чтобы армирующие проволоки были ориентированы под различными углами ψ от 0 до 90º к оси растяжения образцов. Объемная доля проволок составляла 14%.
Результаты испытаний КМ на растяжение под различными углами ψ приведены на рис. 4.1. Расчет проведен для трех областей углов, каждой из которых соответствует определенный механизм разрушения по уравнениям (2.26), (2.27) и (2.28). Можно видеть, что теоретически в области малых углов увеличение ψ до критической величины ψкр приводит даже к некоторому повышению разрушающего напряжения. Экспериментальная кривая прочности для КМ без зоны взаимодействия удовлетворительно совпадает с расчетной, причем в области малых углов ψ экспериментальные значения прочности находятся выше расчетных, а в области больших углов – наоборот. Это можно объяснить наличием слабой связи на границе раздела волокно - матрица.
У образцов с зоной взаимодействия наблюдается значительное отклонение экспериментальных значений прочности от расчетных в областях II и III, что, по-видимому связано с отрицательным влиянием магния (Mg компонент в сплаве алюминия) как легирующего элемента в алюминиевой матрице и наличием микропор, образующихся на этой границе в процессе роста зоны взаимодействия вследствие эффекта Киркентала. В области малых углов ψ наличие зоны взаимодействия критически не влияют на прочность КМ. Критический угол армирования для этого КМ без интерметаллидной прослойки составляет 15º, а с прослойкой лишь 7º.
Рис. 4.1. Влияние угла армирования на прочность композиционного материала
алюминиевый сплав - проволока из стали ЭП-322: 1 – без интерметаллидной прослойки;
2 – с интерметаллидной прослойкой; пунктиром показаны расчетные кривые для КМ без прослойки, полученные путем применения уравнений (2.26), (2.27) и (2.28).