Распределение напряжений по структурным элементам в наполненном композите в условиях макрооднородного поля растягивающих деформаций

Предложенный подход позволяет не только определить механические макросвойства наполненного композита в зависимости от его структуры и свойств компонент, но и получить обширную информацию о тех процессах и явлениях, которые происходят при деформировании материала на микроуровне. В том числе имеются в виду механизмы возникновения и развития разрушения, характерные для рассматриваемых систем, их взаимосвязь со структурными и механическими свойствами композита и т.д. Этот вопрос рассматривается в следующем разделе данной главы. Сейчас же речь пойдет о том, как распределены по объему композита возникающие в структурных элементах усилия, формирующие силы сопротивления внешней нагрузке. Данная проблема имеет большой практический интерес, так как напрямую связана с прочностным поведением структурно-неоднородных материалов.
Понятно, что в условиях однородного внешнего нагружения в композитах с регулярным расположением частиц дисперсной фазы все структурные элементы подвергаются примерно одинаковым напряжениям и деформациям, т. е. в материале отсутствуют явно перегруженные области, где возможно преждевременное появление микротрещин. Совсем иная картина складывается для композитных материалов с хаотичным наполнением. На представлены результаты модельных исследований, проведенных для монофракционных композитных систем с различной концентрацией частиц. Рассматриваемые ’’образцы” находились под действием макрооднородной растягивающей нагрузки. Звездочками отмечены кривые, соответствующие системам с концентрацией 60%, кружки обозначают случай φ = 50%, а треугольники — φ = 40%. По осям ординат откладывались процентные доли от числа ССЭ с одинаковыми значениями величии, указанных по другой оси. Fl — усилие, возникающее в ССЭ; Flmax равно наибольшему значению Fl для данного испытания.
Оказалось, что даже при однородном макронагружении композитной системы различные структурные элементы вносят далеко не одинаковый вклад в формирование ее механического поведения. Большинство из них (больше 80%) практически не нагружено или слабо нагружено. В ’’образцах”, к которым приложены внешние растягивающие усилия, большая часть ССЭ находится с растянутом состоянии, но есть также и сжатые. Непосредственный анализ структуры и кривых распределений проекций F' на ось нагружения и перпендикулярную ей плоскость показал, что сжатыми оказываются, как правило, те ССЭ, оси которых составляют плоскостью XOZ углы, лежащие в диапазоне ±45°. Относительно небольшое количество перенапряженных элементов образуют в структуре композита жесткий пространственный каркас, который и воспринимает основную нагрузку при деформировании материала. Остальная же часть объема композита практически не задействована. Аналогичныe выводы содержатся и, где экспериментально изучали распределение и передачу усилий в плотных случайных упаковках из жестких сфер. В то же время этот инертный объем имеет существенное значение для прочностного поведения наполненных композитов, так как при повреждении какого-либо из перенапряженных элементов структуры в ней происходит перестройка каркаса и в работу включаются соседние, до того слабо нагруженные элементы. Таким образом, можно объяснить, почему при закритическом нагружении наполненных композитных материалов обычно происходит сначала их размягчение и лишь потом полная потеря несущей способности.
С ростом концентрации дисперсной фазы кривые распределения на рис. 9 становятся все более заостренными, что свидетельствует об усилении указанных эффектов.