Технические науки / Отраслевое машиностроение

Скачков В.О., Іванов В.І., Нестеренко Т.М., Карпенко Г.В., Моісейко Ю.В.

ПРО ПРОГНОЗУВАННЯ СТРУКТУРИ МЕТАЛОКОМПОЗІТОВ

Запорізька державна інженерна академія

Під час виробництва металокомпозитів для забезпечення заданого рівня адгезійної міцності часто вводять спеціальні перехідні шари, які захищають волокно від дії розплаву матричного матеріалу та забезпечують краще змочування волокна рідким в’яжучим [1].

Особливе значення перехідний шар має під час рідкофазового поєднання волокон і металевої матриці, коли тривалість їх контакту в розплавленому стані є достатньо великою та при цьому волокно суттєво змінює свої фізико-механічні властивості.

Вирішення питань конструювання металокомпозитів є можливим шляхом розробки моделі матеріалу, де враховують особливості структури, а також характеристики його окремних компонентів. Фізичну модель такого композиту можна представити у вигляді волокон, оточених перехідним шаром і скріплених у єдине ціле монолітною матрицею. Під час навантаження металокомпозиту зовнішніми силами в кожному з трьох компонентів можливе утворення мікропошкоджень у вигляді мікротріщин і мікропор.

Математичне подання такої моделі матеріалу є можливим у класі В₂ суцільного мікронеоднорідного середовища з введенням елементів як першого, так і другого порядку малості [2]. Наявність мікропошкоджень і їх розвиток під час дії зовнішніх сил описується випадковими функціями, які одержують на підставі співвідношень роботи [3].

Визначення характеристик пружності та міцності модельного середовища реалізують методом математичного експерименту. За таким методом будують таку систему чисельного випробування композиту, коли можна одержувати діаграму його розтягування за жорсткою схемою навантаження. Розрахунок діаграм реалізують таким чином. Задають деяку величину деформування e_ij, за якою визначають середні значення мікронапружень та їх дисперсії. Визначають параметри розподілу мікронапружень у компонентах металокомпозиту та розраховують значення їх пошкодження. Далі для уточнення пружних властивостей металокомпозиту знову визначають пружні значення мікронапружень та отримують одну точку кривої деформування з координатами e_ij(1) і s_ij(1). Потім деформування збільшують на значення кроку e_ij та повторюють розрахунки за зазначеною вище схемою, визначаючи нову точку кривої деформування (e_ij(1), s_ij(1)).

Запропонований метод реалізували у вигляді програми на мові TURBO-PASKAL.

Вхідними параметрами програми є:

- характеристики пружності та міцності матриці, волокон і проміжного шару;

- товщина проміжного шару;

- об’ємне армування металокомпозиту;

- пористість матриці та проміжного шару;

- початкове пошкодження волокон;

- схема армування металокомпозиту.

Вихідними параметрами програми служать:

- пружні властивості металокомпозиту;

- межі міцності металокомпозиту;

- межове деформування металокомпозиту.

З використанням розробленої програми проведено дослідження впливу головних параметрів перехідного шару на властивості металокомпозиту, армованого в одному напрямку на основі вуглецевих волокон та алюмінієвої матриці. Як параметри перехідного шару використовували товщину та модулі пружності. Товщину шару варіювали в межах 0…0,2 d_в діаметру волокна, значення модулів пружності шару – у межах ± 20% від модуля пружності (Е_м) матеріалу матриці.

Результати розрахунків подано у таблиці.

Характеристики пружності та міцності модельного середовища

Товщина шару	Модуль пружності шару	Межа міцності, МПа	Межове дефор-мування, %
0 dв	0,0	13,0	1,27
0,10 dв	0,8 Ем	12,7	1,31
0,10 dв	1,2 Ем	13,2	1,25
0,15 dв	0,8 Ем	12,4	1,33
0,15 dв	1,2 Ем	13,5	1,21
0,20 dв	0,8 Ем	12,1	1,47
0,20 dв	1,2 Ем	13,6	1,17

Аналіз одержаних результатів дозволяє встановити, що підвищення жорсткості перехідного шару супроводжується підвищенням характеристик міцності металокомпозиту та зниженням його деформування. Зростання товщини перехідного шару призводить до зниження властивостей міцності металокомпозиту, якщо його пружні властивості є нижчими за пружні властивості матриці. У разі жорсткішого перехідного шару збільшення його товщини приводить до збільшення міцності металокомпозиту та зниження його деформування.

Література

1. Структура и свойства композиционных материалов / К.И.Портной, С.Е.Салибеков. - М.: Машиностроение, 1979. - 251 с.

2. Волков С.Д., Ставров В.П. Статистическая механика композитных материалов. – Минск: БГУ, 1978. – 205 с.

3. Соколкин Ю.В., Скачков В.А. О структурном подходе к оценке работоспособности конструкций из композиционных материалов // Механика композитных материалов. – 1981. - № 4. – С.608-614.