Усталостные свойства КВМ на основе УВ
27 ноября, 2012 
admin Одной из важнейших особенностей КВМ на основе УВ после высоких физико-механических свойств являются их усталостные свойства. Сам термин «усталость» имеет такой же возраст, как и композиционные материалы, и может быть отнесен к 1854 г. Рассказывая об Уилингском (шт. Виргиния) висячем стальном мосте журналист отмечал [359]: «... Частая смена давлений и растяжений в металле, малейшие нарушения в расположении частиц в нем, портят металл и могут привести к неожиданным разрушениям при незначительной нагрузке». Теперь мы называем это ухудшение свойств — усталостью. Далее он продолжал: «... Следовало бы проявлять осторожность и использовать каменные сваи и деревянные перекрытия». Дерево, конечно, прекрасный естественный композит с отличными усталостными свойствами.
Усталостные свойства однонаправленных КВМ и металлов приведены на рис. 11.57 [360]. Очевидно преимущество углепластиков и других композитов перед металлами и сплавами В связи с этим углепластики являются идеальными материалами конструирования для вертолетов (которые из всех летательных аппаратов испытывают самые высокие усталостные нагрузки) и
Рнс. 11.57. Удельное сопротивление усталости Оу/р различных материалов в зависимости от числа циклов до разрушения N: 1 — углепластик; 2 — боропластик;
3 — однонаправленный стеклопластик;
|
Бу/р, кПа •м3/кг
|
4 — тнтан 8-1-1; 5 — сталь 4130; 6 — алюминий 2024
|
6„ГПа
Рис. 11.58. Влияние углов ориентации волокна (а) и температуры (б) в композите SP313 (УВ-эпоксидный КВМ с объемной долей волокна VB = 61,4%, R = 0,1 при частоте 30 Гц) на предел выносливости Од: |
|
* однонаправленное волокно |
|
: 45°; 8 слоев; 3 — 90°, 15 слоев; б. - 128; 7 — 177 °С |
|
А: 1 — 0°, 6 слоев; 2 — : (0°); 4 — 22; 5 — 25; 5 ■ |
|
Для применения в пружинных листах. Типичные значения усталостных характеристик КВМ из УВ приведены на рис. 11.58, 11.59 [360]. Следует подчеркнуть, что это именно типичные величины. Они не характеризуют ни механизм, ни вид усталостного разрушения. Последние вопросы выходят за рамки рассмотрения данной книги. Исследованиям усталостных свойств углепластиков посвящено большое число работ, с которыми читатель может ознакомиться в обзорах по этому вопросу 1361—368].
Рис. 11.59. Зависимость предела выносливости он от числа циклов (с частотой 30 Гц) до разрушения N при различной температуре: А — однонаправленный КВМ У В-полисульфоновый.4S-3004 однонаправленный (0°, шесть слоев, V = 57,2 %; R = 0,1); / — 22; 2 — 25; 3 — 83; 4 — 120 °С; б — однонаправленный УВ-полиимидный КВМ.4S-4397 (0°, = 63,6 %, Я = 0,1): 1 — 25; 2 — 177; 3 — 232 °С |
|
Ев ГПа • м J
Рис. 11.60. Усталостные свойства (отношение удельного предела прочности при растяжении к плотности ов/р при статическом и многоцикловом (N) нагру - жении различных материалов и различных углах А — УВ—Э, 0е; Б — УВ—Э, ±45°; В — УВ—Э, 90°; Г — алюминий 2024 ГЗ; Д — сталь; Е — УВ—Э, 0/45/90—45 и —45/90/45/0°; 1 — статическое нагружение; 2,3 — циклическая долговечность соответственно 10- и 10г |
Влияние ориентации волокон на усталостные свойства УВ-Э- композитов (Э — с эпоксидной матрицей) показано на рис. 11.58 [360] и 11.60 [355, 368, 369]. Видно, что с возрастанием влияния матрицы связующего (укладка +45 и 90°) снижаются усталостные свойства КВМ. Однонаправленные КВМ на основе УВ имеют существенно более высокие усталостные свойства, чем алюминий и сталь (см. рис. 11.60). Даже квазиизотропный КВМ имеет в 2— 4 раза более высокие усталостные характеристики (при 107 циклов), чем сталь и алюминий. Влияние температуры на усталостные свойства УВ-эпоксидного композита показано на рис. 11.58, б [360]. При возрастании температуры усталостные свойства снижаются при том же количестве циклов. Аналогичное поведение характерно и для других материалов: полисульфонов (см. рис. 11.59, а) [369] и полиимидов (см. рис. 11.59, б) [360]. В последнем случае при повышении температуры увеличивается гибкость связующего.
|
11.14. Усталостные свойства углепластиков. Отношение прочности после 10' циклов нагружеиия к исходному пределу прочности при растяжении 1
1 ов определялся при комнатной температуре 22 °С. 2 Г300-РЙ313 с объемной дблей волокна 61 %. 3 Г300-5208 с объемной долей волокна 60... 70 %. 4 Г300-934 с объемной долей волокна 60 ... 66 %. § R = 0. 6 Усталость при циклах нагружения «сжатие—растяжение» (осж = 0,15сгв). 1 То же, при <тсж = 0,23ов. 8 А 5-4397 — полиимид с объемной долей волокна 64 %. А AS-P1700 —полисульфон с объемной долей волокна 57%. 10 КИ — квазинзотропный пластик с ориентацией 0/45/90—45—45/90/45/0°. |
Особый интерес для конструкторов представляет знание величины максимальных разрушающих напряжений (предел прочности) в КВМ после многоцикловых воздействий. В табл. 11.14 приведены эти данные для большого числа материалов при различных условиях. За исключением УВ-полиимидных КВМ, усталостные свойства при 107 циклов находятся на уровне 0,53 ... 0,58 независимо от температуры, структуры образца или вида матрицы. При знакопеременной нагрузке (циклы растяжение—сжатие) этот параметр еще ниже и зависит от приложенной нагрузки и структуры армирующего наполнителя [368] (см. табл. 11.14). При проектировании конструкций, испытывающих напряжения сжатия, рекомендуется использование гибридных материалов с борными волокнами (см. п. 11.12).
Опубликовано в Справочник по композиционным материалам