Материал: Структурные механизмы формирования механических свойств зернистых полимерных композитов

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

сополимера. бутадиена с акриловой кислотой, показали, что накшучшее совпадение с практиком наблюдается, если использовать теорию Сеп-Венана, т. с. критерий максимальных главных упругих дефор­ мации.

Существуют также работы, о которых достаточно хорошее совпа­ дение с экспериментом получена для критериев Хубера — Миэсса — Хсакн и Кулона [21].

Так как основной интерес для нас представляет псе же изуче­ ние самих процессов появления и развития поврежденноети в на­ полненных зернистых композитах к се влияния на механическое п прочностное поведение материала в целом, то при таком подходе ист особой необходимости в поиске критерия, который бы с абсолютной точностью характеризовал прочностные свойства матрицы. Гюлсе того, ил один из известных в настоящее время критериев нс спосо­ бен точно предсказать момент возникновения повреждении в мате­ риале, находящемся в столь сложном н неоднородном паи ряженном состоянии. Бесконечные уточнения не внесут ничего принципиально нового в общую картину разлития разрушения и композите н могуг окончательно запутать суть вопроса. Поэтому будем считать, что прочность эластомерной матрицы в наполненном композите опреде­ ляется по критерию Сен-Бена на как наиболее хорошо согласующе­ муся с экспериментом. Вывод о допустимости такого выбора и для композитов с матрицей из полистирола можно сделать на основании (74. 79}.

Па уровне структурной неоднородности процесс разрушения ком­ позитной системы может развиваться но днум различным путям, вы­ бор которых зависит от соотношения прочности материала матрицы н енл скрепления на поверхности раздела фаз.

Бели сила адгезии между частицами наполнителя и связующим превышает прочность матрицы (композиты с сильной адгезионной связью), то локальные микроповреждення будут возникать в тол­ ще матричных прослоек — в местах, где главные растягивающие деформации окажутся выше некоторого предельного значения (раз­ рушение но теории Сен-Бе пана).

Иная картина будет паблюдат1>ся в композитах со слабой адге­ зионной связью между непрерывкой и дисперсноЛ фазами. О таких системах локальные нарушения сплошности материала возникают

о первую очередь на границах между матрицей и включениями и виде отрывов и отслоений. При этом момент появления перпнчноИ вакуоли следует определять уже не но теории масимума главных упругих деформаций, л с помощью каких-то других критериев, бо­ лее подходящих для описания механизма отлипания матрицы от ча­ стиц. И качестве такою "критерии отслоении” можно, например, прлнить условие максимумаотрыниых нормальных напряжений о>Г) действующих ил поверхности включения, т. с. считать, что отслое­ ние в данном конкретном структурном элементе произойдет в том случае, если эти паи ряжен пи превысят некоторое предельно допу­ стимое значение о„,щ

Появление и структурном элементе любого из этих локальных повреждений имам наст в нем радикальную перестройку ианряженно дефор.ч пропанн о т состояния я ведет к значительному падению ею несущей способности (и первом случае вплоть до куля). Решив соот­ ветствующую краевую задачу о изаимодейетшш двух жестких сфер, помещенных и упругую матрицу, при наличии тою или иного типа нпруиюпкя сплошности, можно подсчитать полную упругую Э11С|>- Г1ПОIV, накапливаемую поврежденным структурным элементом, н □оформуле (1) определить жесткость аппроксимирующего его ССЭ. Способы решения дайной проблемы и полученные при этом резуль­ таты приведены в последующих разделах.

Изменяя соответствующим образом жесткости элементов СММК при возникновении и них предельных в смысле прочности напря­ женных состояний, можно достаточно просто и наглядно изучать механизмы появлении н развития новрежданности в наполненных композитах, а также ее влияние на их эффективные механические и прочностные свойства.

Расчетная схема моделирования процесса разрушения в зерни­ стом композите с помощью СММК состояла из следующих этапов.

1.Скачала, согласно описанной в предыдущей главе методике сиитезаропались случайна н структура из жестких сферических ча­ стиц с заданным фракционным составом. В пей "вырезался" куби­ ческий мсзоэлемсит, содержащий примерно от 1000 до 2000 СЭ, и производилась его физическая дискретизация,

2.В данном мезоэлсмсптс создавалось поле макроодкородного Ианряжснно-деформированиого состояния, причем граничные уело-

Ш1Я задавались точно так же, как и п случае определения эффек­ тивного модуля композита (см. рис, Л). Одна из граней "образца* закреплялась, а противоположная еП смещалась параллельно самой себе о направлении внешней нормали на заданную пеличипу и. Да­ лее решалась краевая конечно-элементная стержневая задача, из которой находились перемещения псех узлов системы.

3. Затем производился поиск тех структурных элементов, в ко­ торых возникли локальные повреждения. При обнаружения такого ССЭ его жесткость (7| уменьшается до некоторого заранее рассчи­ танного значения, соответствующего данному типу повреждения и геометрии структурного элемента. Следует учитывать, что появле­ ние! хотя бы одного локального повреждения ведет к перераспреде­ лению нагрузки гга соседние элементы, что в свою очередь может спровоцировать н в них возник моление критического состояния. По­ этому, если на данном этапе нагружения в системе появились повре­ ждения структуры, то операцию 2 выполняли еще раз и снова про­ изводили проверку оставшихся неповрежденными структурных эле­ ментов на предмет выполнения л них условий прочности. Процесс повторяли до тех пор, пока в системе нс выявлялись и "попрежда­ лись” вес перенапряженные для данного уровня внешней нагрузки структурные элементы.

Л, По стандартной схеме, описанной в разделе 2.3, находились эффективные напряжения и деформации, действующие в данном мсэоэлемеитс, а также другие интересующие нас характеристики си­ стемы (доля отслоенных л разрушенных ССЭ, распределения уси­ лий по структурным элементам и т.д.).

б. Затем "нагруженной” грани "образца” придавалось новое пе­ ремещение иг = и + Ди, где Ли выбиралось таким образом, чтобы на одном шаге не произошло радикальной нерест ройки структуры в ре­ зультате появления чрезмерно большого количества поврежденных элементов. Как правило, Ли соответствовало изменению мак родеформации системы не более чем на 1%. После этого снова выполня­

лись операции 2, 3, 4 к б.

"Испытания” продолжались до тех лор, кока доли разрушенных структурных элементов не превышала некоторого заданного крити­ ческого значения или макромодуль не начинал резко подать, уст)№М-

Рис. 10. Схема, расчета оппеш х точек в с1(>укту|ШО»1 элемента

ляясь к нулю (что соответствовало глобальному разрушению образ­ ца).

4.3.Мелелнрешаете процессов разрушения в композитах с сильной адгезионной связью между наполнителем к матрицей

13 композитах с сильной адгезионной связью между матрицей и наполнителем локальные повреждения п виде ыикротрещпи возни­ кают, как правило, в зазорах между включениями — в самых пере­ напряженных местах матрицы. 13 качестве критерия со прочности было взято условие максимальных главных растягивающих дефор­ маций (теория Ссн-Всиана)

е! < е \ ,

(18)

где е\ — максимальная главная деформация в наиболее опасной точке матричной прослойки, а е\ — некоторое предельное значение, превышение которого ведет к появлению локального повреждении, Из точного решения краевой задачи о взаимодействии дпух жест­ ких сфер а бесконечной упругой матрице, находящихся иод действи­ ем, дсптропык растягивающих сил, было установлено (рис. 10), что максинуА1 значений €% достигается в точке С, лежащей на оси сим­ метрии системы н равноудаленноП от обоих включений, а также на перпендикулярных к центральной оси 00* поверхностях частиц по

Рис. 11. Злткгимопгь клкси* мольного значении гл ап н о И де­ формации л точке С структур­ ного элемента от зазора между

Ч4СТПЦПМН

окружностям В В и ‘ !. Величина урла 0 между радиусом, проведенным к одкоП из этих линий, и направлением оси симметрии варьируется от 45° о случае значительно удаленных частик (зазор между ними больше одного диаметра) до 0°, когда частицы каса­ ются друг друга. Известные опыты Джента к Парка [63, 64) по­ казали, что для композитов с сильно!* адгезионно!* связью можно считать неопасными точки, расположенные па поверхностях частиц, т. е, прочностное поведение отдельного структурного элемента бу­ дет определяться значением главной упруго)! деформации п точке

С — е\.

На рис. 11 показана расчетная зависимость отношепни е\/с1 от велнчниы зазора между частицами в долях их радиуса № — отно­ сительное удлинение соответствующего ССЭ). Как и ранее, модуль включении был в Ю4 раз больше модуля матрицы, а их коэффициен­ ты Пуассона принимались равными 0,6. Для этой криооИ получена соответствующая аппроксимационная формула, связывающая пре­ дельную деформацию ССЭ *:/ с относительной толщиной матричной прослойки 6/ В и проделом прочности но теории Сен-Лемана — ер

с»

(19)

где I — длыпи структурного элемента (расстояние между центрами включений), АГ — предельно допустимое расстояние, на которое могут быть раздвинуты частицы, не вызывая нарушения сплошко-

Источник: https://studfile.net/preview/19960747/