Влияние структуры на прочность композиционного материала

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ____________________________________2010, том 53, №7_________________________________

ФИЗИКА

УДК 539.5.533

А.Абдуманонов, Р.М.Валиев, член-корреспондент АН Республики Таджикистан С.Н.Каримов

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Худжандский научный центр АН Республики Таджикистан

В лабораторном эксперименте исследовано влияние объёмного содержания и количества термоциклов на прочность керамзитобетона. Показано, что увеличение объёмного содержания стальных волокон в образцах керамзитобетона приводит к значительному росту прочности композита. Однако действие термоциклов вызывает накопление повреждений на границах раздела компонентов, что приводит к потере прочности. Следовательно, комбинируя содержание волокон и количество термоциклов, можно управлять прочностью и вязкостью разрушения этих композитов.

Ключевые слова: прочность - микротрещины - структура композита - термоциклирование.

В связи с необходимостью обеспечения новой техники конструкционными материалами в последние десятилетия исследованию физико-механичесих свойств композитов уделяют особое внимание. Путём создания композиционных материалов (КМ) возможно реализовать уникальные прочностные свойства монокристальных усов, металлических и полимерных волокон с высокими прочностными свойствами.

Преимущество композиционных материалов состоит в том, что им можно придать необходимые конструктивные свойства, а также создать материал с высоким значением прочности, деформируемости, а также вязкости разрушения. Классические методы упрочнения металлов (закалка, механическая обработка, создание сплавов) не позволяют, повышая прочность материала, сохранить необходимые значения вязкости разрушения. Надёжность работы конструкции зависит не только от запаса прочности конструкционного материала, но и от вязкости разрушения - способности материала препятствовать распространению трещины.

Наличие большого числа границ раздела в структуре КМ способствует торможению трещин, что и может привести к повышению прочности и вязкости материала. Однако вопрос о роли структурных микродефектов в реализации прочностных свойств КМ остаётся мало изученным. Хотя априори известно, что всякая конструкция «работает» с дефектами, которые возникают в ходе эксплуатации материала. Эксплуатационные дефекты возникают в результате циклического действия механической нагрузки (особенно при пиковых нагрузках), а также в результате термоциклов, которым подвергается конструкция в ходе эксплуатации.

Адрес для корреспонденции: Абдуманонов Абдуали. 735714, Республика Таджикистан, г. Худжанд, Восточная промзона, Худжандский научный центр АН РТ. E-mail: rustamv1972@mail.ru

Анализ литературы показывает, что вопросы влияния термо- и механоциклов на прочность и разрушение композитов до сих пор остаются мало исследованными. В настоящей работе с учётом вышесказанного исследовались влияние термоциклов на прочность и особенности разрушения композитов. В качестве объекта исследования были выбраны композиции из цементного камня. Выбор образцов на основе цементного камня обусловлен тем, что, во-первых, композиции на основе цементного камня широко применяются, во-вторых, в лабораторном эксперименте можно в широких пределах варьировать составы и структуры образцов.

Образцы и методика эксперимента

С целью исследования влияния термоциклов на механическую прочность были приготовлены образцы праллелепипедной формы размером 40х40х160 мм. Для этого использовался строительный цемент марки М400. Были приготовлены два вида образцов:

1) цементный камень + стальные, армирующие волокна;

2) цементный камень + 30% керамзит + стальные, армирующие волокна. Максимальный размер гранул керамзита составлял 5 мм. Стальная проволока марки Ст3 имела диаметр 0.35 мм. Шаг укладки составлял 3 мм. Термоциклирование образцов производилось по схеме 20^300^20°С. Измерение прочности в условиях трёхточечного изгиба проводилось после 30-суточного затвердевания образцов.

Результаты экспериментов

На рис.1 приведена зависимость прочности композитов от объёмного содержания стальных волокон. Можно видеть, что рост объёмного содержания стальных волокон в пределах Ув = 0+0.7% приводил почти к линейному росту прочности материала. Так, если для композиции цемент + 30% керамзит прочность образца составляла 3 МПа, то при наполнении этих же образцов стальными волокнами 0.35% по объёму прочность повышалась до 8 МПа, а при Ув =0.7% - до 10 МПа.

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

Рис.1. Зависимость прочности композита от объёмного содержания стальных волокон: 1 - цементный ка-мень+стальное армирующее волокно; 2 - цементный камень+30% керамзит+стальное армирующее волокно.

На рис.2 приведены зависимости прочности образцов от количества термоциклов для различных по составу образцов. Можно видеть, что по мере увеличения количества термоциклов во всех

о МПа

рассматриваемых образцах происходило нелинейное снижение прочности. Нетрудно видеть, что скорость потери прочности образцов для циклов N=5+10 происходила быстрее, чем при больших циклах. Например, потери прочности образцов из чистого цемента (рис.2, кривая 1) в области N=0+10 составляли 4 МПа. Для образцов цемент + 0.72% стальных волокон (кривая 3) прочность снижалась от 16 до 12 МПа. Далее в области N=30+50 скорость потери прочности была незначительной.

Рис. 2. Зависимость прочности от количества термоциклов для различных по составам образцов: 1 - це-мент+0% керамзит; 2 - цемент+0% керамзит+0.36% стальные волокна; 3 - цемент+0% керамзит+0.72% стальные волокна.

Так как элементы структуры композиции имеют разное значение коэффициентов линейного удлинения, то при термоциклировании непременно возникают термомеханические напряжения разного знака, то есть при термоциклировании происходит циклическое изменение значения и знака термомеханических напряжений. Это приводит к накоплению повреждений на границах раздела. Ясно, что увеличение количества термоциклов приводит к росту количества повреждений. Увеличение количества повреждений на границах раздела компонентов приводило к потере прочности композита, что наблюдалось в эксперименте (рис.2).

С целью подтверждения вышеприведённых аргументов относительно возникновения повреждений в границах раздела компонентов при термоциклировании проводился микроскопический анализ образцов. Для этого проводился систематический осмотр поверхности образцов разной предыстории. Использовали оптический микроскоп марки «Биолам С13» с осветительным прибором. Осмотр образцов разного состава, прошедших разное количество термоциклов, показал, что действие термоциклов на образцы из чистого цемента и образцы из цемента и стальных сеток существенно отличалось.

Рис.3. Микрофотографии поверхности образцов после N=50 термоциклов: а - образец из чистого цемента, б -

образец из цемента и 0.36% стальных волокон.

Осмотр образцов разного состава, прошедших разное количество термоциклов, показал, что действие термоциклов на образцы из чистого цемента и образцы из цемента и стальных сеток существенно отличалось. На образцах из цемента и стали под действием термоциклов образовалось значительное количество микро- и мезотрещин, а на образцах из чистого цемента этих трещин не так уж много. На рис.3 и 4 приведены микрофотографии поверхности образцов разного состава.

Рис.4. Микрофотографии поверхности образцов из цемента и 30% керамзита после термоцик-лирования: а- N=10 термоциклов; б-К=50 термоциклов.

Таким образом, в лабораторном эксперименте показано, что увеличение объёмного содержания стальных волокон в образцах керамзитобетона приводит к значительному росту прочности композита. Однако действие термоциклов вызывает накопление повреждений на границах раздела компонентов, что приводит к потере прочности. Следовательно, комбинируя содержание волокон и тер-моциклирование образцов, можно управлять прочностью и вязкостью разрушения такого рода композитов.

Поступило 12.04.2010 г.

ЛИТЕРАТУРА

2. 1. Келли А. Высокопрочные материалы. - М.: Мир, 1976, 262с.

3. 2. Карпинос Д.М., Тучинский Л.И., Вишняков Л.Р. Новые композиционные материалы. - Киев: Вища школа, 1977, 312 с.

4. 3. Жуковец И.И. Механические испытания металлов. - М.: Высшая школа, 1986, 280 с.

5. 4. Абдуманонов А., Каримов С.Н., Валиев Р.М. - ДАН РТ, 2006, т. 49, №6, с.511-516.

А.Абдуманонов, Р.М.Валиев, С.Н.Каримов

ТАЪСИРИ СОХТОР БА МУСТА^КАМИИ МАВОДИ ТАРКИБЙ

Маркази илмии Хуцанд, Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон

Дар тачрибаи лабораторй таъсири термосикл ва хачми нисбии омехта ба мустахкамии маводи таркибй омухта шудааст. Мукаррар карда шудааст, ки бо афзоиши хачми нисбии наххои пулодин мустахкамии композит зиёд шуда, бо афзоиши шумораи термосиклхо гайрихаттй камшавии мустахкамй ба амал меояд. Камшавии мустахкамй хангоми термосикл хамчун натичаи пайдоиши микротаркишхо зери таъсири шиддатхои термомехангикй фахмонида мешавад. Тадкикоти микроскопй дурустии ин хулосаро собит менамояд.

Калима^ои калиди: мустахкамй - микротарциш^о - сохтори композит - тагйири сиклии уарорат.

A.Abdumanonov, R. M.Valiev, S.N.Karimov THE INFLUENCE OF THE STRUCTURE ON THE SOLIDITY OF THE COMPOSITION MATERIAL

The Khujand Scientific Center, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan In the laboratory experiment there roes examined the influence of volumetric amount and a quantum of thermocycles on ceramsite-conerete solidity. It is shown that the grozath of volumetric amount of steel filaments in ceramist-concrete samples results in considerable elevation of composite solidity. However, the action produced by thermocycles results in an increase of damages on borderlines of composites causing a loss of solidity. Consequently, combining the amount and filaments and a number of thermocycles one can control solidity and destruction viscidity of these composites.

Key words: solidity microcracks - composite structure - thermocyclind.