Диссертация (1024982), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Количественновеличина −1 равна отношению энергии, рассеянной в образце за цикл колебаний, к максимальному значению упругой энергии, имеющей место в томже цикле.На предварительном этапе исследования проводилось определение модуля нормальной упругости СКМ при комнатной температуре. При этомчастота возбуждаемых колебаний варьировалась в диапазоне 50 ÷ 350 кГц.Значение модуля Юнга СКМ при комнатной температуре составило 321 ГПа.Согласно справочным данным [93] значение данной величины при комнатнойтемпературе для чистого хрома лежит в интервале 280÷315 ГПа, а для чистого оксида алюминия — в интервале 380÷400 ГПа. Таким образом, полученноезначение модуля нормальной упругости СКМ занимает промежуточное положение между соответствующими показателями составляющих его фаз.Далее проводилось измерение температурной зависимости модуля Юнгав температурном интервале 300 ÷ 1 200 ℃.
Измерение осуществлялось в процессе нагрева образца до максимальной температуры. Температурный циклизмерений выполнялся в автоматическом режиме с использованием электронного программируемого терморегулятора и специального программного обеспечения (поставляемого вместе с установкой), осуществляющего управлениетемпературным режимом и контроль всех его параметров. Скорость нагрева поддерживалась постоянной в ходе эксперимента и составляла 12 ℃/мин,давление в рабочей камере не превышало 10−3 Па.На Рис. 4.1 приведены результаты измерений температурных зависимостей модуля Юнга и внутреннего трения.96(а)(б )Рис.
4.1.Результаты исследования температурных зависимостей модуля Юнга ивнутреннего трения СКМИз графиков видно, что относительное изменение модуля Юнга, зарегистрированное во всем температурном диапазоне измерений, составило 17 %.4.2. Исследование предела прочности при изгибе СКМИсследование механических свойств СКМ проводилось по схеме трехточечного изгиба с использованием испытательной установки, спроектированной на основе высокотемпературной печи ВЭ-3-24-РМ и универсальнойэлектромеханической машины УТС 110М.Стандартный набор оснасток не позволяет проводить испытания на изгиб образцов малых размеров (длиной менее 40 мм), что существенно ограничивает возможности исследования образцов материалов, получаемых с использованием различных методов синтеза.
По этой причине был разработан97и изготовлен дополнительный комплект оснасток для проведения испытанийобразцов малых размеров (Рис. 4.2). 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
