Диссертация (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок), страница 14

Комплект состоит из стационарногостолика для размещения образцов с расстоянием между опорами 18 мм (слегкосъемными кромками или с монолитной геометрией) и динамически пе­ремещаемого пуансона (легко заменяемой цилиндрической или Т-образнойгеометрии), непосредственно воздействующего на образец при испытании.Рис. 4.2.Комплект оснасток для испытания образцов малых размеров: а) столик сфиксированной кромкой; б) столик со съёмной кромкой; в) съемныестержни-фиксаторы; г) Т-образный пуансон; д) легкосъёмныйцилиндрический пуансонОбразцы для проведения испытания на изгиб представляли собой балкипрямоугольного сечения и были получены методом лазерной резки с исполь­зованием лазерного технологического комплекса Diamax GT10. Испытанияпроводились при комнатной и повышенной температурах (25 и 900 ℃) в усло­виях динамического вакуума (1 Па).Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 14019-2003 (механиче­ские испытания на изгиб) и ГОСТ 9651-84 (механические испытания при по­вышенной температуре).

На начальном этапе осуществлялся нагрев образцадо необходимой температуры со скоростью 10 ℃/мин, после чего печь перево­дилась в режим поддержания постоянной температуры испытаний. Переме­щение траверсы осуществлялось со скоростью 0,5 мм/мин до соприкоснове­98Результаты механических испытаний образцов СКМТемператураиспытания, ℃25900Габаритные размеры образца, ммДлина ШиринаВысота206,382,225,35,32,33Разрушающееусилие, Н238170Таблица 13.Пределпрочности, МПа208,1159,5ния пуансона с поверхностью образца и его последующего разрушения. Мо­мент механического контакта регистрировался резким увеличением нагруз­ки.Значение предела прочности при изгибе определялось по формуле:изг =3 ·,2 ℎ2где , Н — разрушающая нагрузка; , мм — расстояние между опорами; , мм —ширина образца; ℎ, мм — толщина образца.На Рис.

4.3 представлены диаграммы испытаний на изгиб (зависимостиприложенного усилия от перемещения пуансона) образцов СКМ при темпе­ратурах 25 и 900 ℃. В Таблице 13 сведены соответствующие результаты ипараметры испытаний.Данные экспериментальных исследований механических свойств СКМдемонстрируют умеренную их деградацию в рассматриваемом температур­ном интервале на уровне 24 %.На Рис. 4.4, 4.5 приведены изображения микроструктуры поперечногосечения образца композита после испытаний. Трещина претерпевает ветвле­ние и боковое смещение. Распространение трещины является характернымдля слоистых структур — излом распространяется вдоль поверхностей межс­лоевых интерфейсов, скачкообразно пересекая слои в поперечном направле­нии. На повышение конструкционных характеристик композита существенновлияет два фактора, способствующих увеличению энергии, поглощаемой прираспространении трещины:1) увеличенная площадь поверхности разрыва за счет наличия дополни­99(а).

Температура испытаний 25 ℃(б ). Температура испытаний 900 ℃Рис. 4.3.Диаграмма испытания на изгиб образца СКМ при различных температурах100тельных участков, лежащих вдоль границ сопряжения слоев (Рис. 4.4);2) пластичность металлических слоев, обеспечивающая большую вяз­кость характера разрушения образца композита (Рис. 4.5).(а)(б )Рис.

4.4.РЭМ-изображения микроструктуры поперечного сечения образца СКМпосле механических испытаний, иллюстрирующие распространениетрещины(а)(б )Рис. 4.5.РЭМ-изображения микроструктуры поперечного сечения образца СКМпосле механических испытаний, иллюстрирующие вязкий характерразрушения металлических слоев1014.3. Оценка трещиностойкости СКМОценка трещиностойкости проводилась методом SENB, описанным в ра­ботах [94, 95].

В соответствии с используемой методикой трещиностойкостьопределялась по результатам испытаний на трехточечный изгиб образца спредварительно нанесенным V-образным надпилом нескольких слоев на ниж­ней части поверхности (Рис. 4.6).Рис. 4.6.Схема испытаний трещиностойкости образца методом SENBРасчет коэффициента трещиностойкости 1C осуществлялся по форму­ле1C3 0 √ 1,99 − (1 − )(2,15 − 3,93 + 2,72 )=·,== 0,45÷0,5,2 3/2(1 − 2)(1 − )3/2где , Н — нагрузка при разрушении образца; 0 , м — расстояние между опо­рами; и , м — ширина и толщина образца соответственно; , м — глу­бина надпила.

Результаты проведенной оценки трещиностойкости показали,что достигнутое значение коэффициента трещиностойкости тестового образ­ца превышает величину, приведенную в Таблице 1 (5 МПа · м1/2 ).4.4. Исследование КТЛР СКМКак было отмечено в Главе 1, одним из основных критериев выбора со­ставляющих фаз СКМ является разница значений их КТЛР. Малая разницазначений КТЛР компонентов позволяет существенно снизить напряжения навнутренних границах слоев композита, возникающие при нагреве.Исследование температурной зависимости КТЛР СКМ проводилось сиспользованием дилатометра Netzsch DIL 402 E/7 горизонтального типа с102толкающей штангой в температурном интервале 25 ÷ 1 400 ℃. Управлениеизмерительным процессом, регистрация и запись его параметров и резуль­татов, а также расчет значения КТЛР и других величин осуществлялисьпри помощи специального программного обеспечения, входящего в комплектустановки.Исследуемый образец СКМ имел форму балки прямоугольного сеченияс размерами 25×4×2 мм.

В ходе измерения образец нагревался со скоростью20 К/мин в зоне однородного температурного поля печи в атмосфере гелия.В силу анизотропии структуры свойства СКМ могут существенно от­личаться в продольном и поперечном относительно межфазных границ на­правлениях. Относительное удлинение образца при нагревании в поперечномнаправлении может быть представлено в виде суперпозиции изменений длинсоставляющих его слоев и определено аналитически на основе данных обих КТЛР.

Значительно больший интерес представляет исследование удлине­ния образца СКМ в продольном направлении. Разница КТЛР металлов икерамик может привести к возникновению дополнительных деформаций принагревании — растягивающих для керамических слоев и сжимающих для ме­таллических. При этом следует также учитывать меньшую деформативность(величину максимальных упругих деформаций) керамик в сравнении с метал­лами.В Таблице 14 приведены результаты измерений КТЛР СКМ при темпе­ратурах 400 и 700 ℃. Для сравнения приведены справочные значения той жевеличины отдельно для каждого из составляющих компонентов композита.Таблица 14.Сравнение значений КТЛР СКМ и его составляющих компонентов приразличных температурахТемпература, ℃400700Справочные значения КТЛРкомпонентов СКМ, ×10−6 К−1CrAl2 O310,28,511,08,3Эффективный КТЛР СКМ, ×10−6 К−18,89,1103Полученные данные свидетельствуют о незначительном превосходствеКТЛР композита над соответствующим значением для оксида алюминия исущественно меньшей его величиной по сравнению с КТЛР чистого хрома.Полученный результат согласуется с прогнозом, сделанным ранее.На Рис.

4.7 представлена измеренная температурная зависимость изме­нения линейного размера образца СКМ, а также его КТЛР.Рис. 4.7.Измеренные температурные зависимости изменения длины образца СКМ(сплошная линия, шкала слева) и его КТЛР (пунктирная линия, шкаласправа)Колебательное поведение кривой КТЛР в низкотемпературном диапа­зоне (до 300 ℃) связано с выравниванием температурного поля в рабочейкамере в процессе выхода установки на рабочий режим. По этой причинеуказанный участок зависимости при анализе результатов не учитывался. Востальной части рассматриваемого температурного диапазона не наблюдает­ся каких-либо резких скачкообразных переходов или всплесков кривой КТЛР,что свидетельствует об отсутствии фазовых и структурных изменений мате­риала (в том числе разрывов или растрескиваний) в процессе нагревания104образца.Таким образом, в температурном интервале 300 ÷ 1 200 ℃ КТЛР СКМизменяется в диапазоне (8÷10)×10−6 К−1 и занимает промежуточное положе­ние между соответствующими показателями для оксида алюминия и хрома.4.5.

Исследование температуропроводности и термостойкостиСКМ. Верификация моделиВерификация градиентной модели теплопроводности осуществлялась пу­тем сопоставления температурных зависимостей эффективного коэффициен­та температуропроводности СКМ, полученных в рамках градиентной моделии на основе данных эксперимента.Образец СКМ для проведения экспериментальных исследований тепло­физических характеристик был получен по методике, описанной в Главе 3.Измерение температурной зависимости коэффициента температуропроводно­сти осуществлялось методом лазерной вспышки на установке Netzsch LFA457 Microflash.Аналогичная зависимость была получена расчетным путем из известно­го соотношения( ) =( ) ( )( )на основе температурных зависимостей коэффициента теплопроводности ( ),полученного в рамках градиентной модели, удельной теплоемкости ( ) иплотности ( ), рассчитанных с использованием справочных данных.Сравнение расчетной и экспериментальной температурных зависимостейэффективного коэффициента температуропроводности СКМ показывает сов­падение на уровне 20 % и менее во всем температурном диапазоне (Рис.