Міцність композиційних матеріалів в умовах високих температур з урахуванням їх пошкодженості

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Велика кількість конструкційних елементів сучасної ракетно-космічної техніки працює в умовах граничних силових і теплових навантажень (в умовах температур T=293…3300К). Для роботи в таких складних умовах експлуатації застосовуються вуглець-вуглецеві композиційні матеріали (ВВКМ). Проектування конструкційних елементів з композиційних матеріалів (КМ) пов'язане зі створенням експериментальних методик дослідження термомеханічних характеристик матеріалу, а також розробкою методів розрахунку їхньої несучої здатності, умінням надійно прогнозувати граничні напруження і деформації для кожного конкретного КМ в умовах експлуатації.

Роботи, присвячені даній тематиці, як правило, є або теоретичними розробками, застосування яких на практиці досить ускладнене, або експериментальними дослідженнями термомеханічних характеристик матеріалу і знаходженням емпіричних залежностей для якогось окремо взятого випадку.

Конструкція з КМ створюється одночасно з матеріалом. Складна будова, різні термомеханічні характеристики складових компонентів, особливості технології виготовлення призводять до того, що термомеханічні характеристики матеріалу кожної конструкції і матеріалу даного типу відрізняються. При цьому розкид граничних термомеханічних характеристик може досягати 50 % і більше. У зв'язку з цим виникає проблема перенесення результатів випробувань, отриманих на зразках, на матеріал окремо взятої конструкції. Дане питання на сьогоднішній день досліджене мало, і в цьому напрямку робіт практично немає.

Отримання коректних результатів розрахунків КМ на міцність напряму залежить від якості експериментальних досліджень термомеханічних характеристик КМ (по можливості, в умовах, максимально близьких до експлуатаційних). Існуючі на сьогоднішній день методики високотемпературних випробувань дозволяють отримувати достовірні експериментальні результати в умовах впливу температур до Т=2300K. Для більш високих температур виникають труднощі, пов'язані з забезпеченням точного виміру зусилля і деформації робочої частини зразка, необхідністю його швидкого нагрівання (зі швидкістю VT~1000град/сек) з метою запобігання вигоряння під час випробування.

Специфіка властивостей ВВКМ вимагає обґрунтованого вибору швидкості нагрівання при проведенні високотемпературних випробувань. При нагріванні зразків зовнішніми джерелами час досягнення потрібної температури становить t=3…10 хвилин. При цьому вважається, що за цей час термомеханічні характеристики матеріалу й розміри зразка залишаються постійними, незважаючи на те, що відбувається вигоряння робочого перерізу зразка. Також потрібно враховувати той факт, що за час нагрівання ВВКМ у ньому відбуваються фізико-хімічні перетворення, і при невеликих швидкостях нагрівання при досягненні потрібної температури матеріал буде мати інші термомеханічні характеристики. Щоб уникнути складності, пов'язаної з вищезгаданими факторами потрібна висока швидкість нагрівання (VT~1000 град/сек). При цьому важлива підтримка рівномірності температурного поля по довжині робочої частини зразка в процесі експерименту.

Таким чином, актуальною задачею є розробка комплексного розрахунково-експериментального методу оцінки міцності КМ та конструкцій з них в умовах впливу температур до T=3300 K при швидкостях нагрівання до VT=1000 град/сек.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка методу прогнозування міцності композиційних матеріалів і конструкцій з них з урахуванням температурного впливу, удосконалення експериментальних засобів і методик, а також одержання даних про характеристики короткочасної міцності композиційних матеріалів при розтязі і стиску в умовах високих температур.

Виходячи з поставленої мети, основними задачами роботи було:

1. Розробка розрахунково-експериментального методу прогнозування короткочасної статичної міцності КМ при температурах до T=3300 K і перенесення отриманих результатів зі зразка на конструкцію.

2. Удосконалення експериментальних засобів і методик для проведення короткочасних іспитів на розтяг, стиск і кручення в умовах температур T=293…3300 K при швидкості нагрівання до VT=1000 град/сек;

3. Дослідження короткочасної статичної міцності вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів при розтязі і стиску в умовах температур T=293…3300 K.

1. Аналіз робіт, присвячених теоретичним та практичним дослідженням поведінки КМ з урахуванням впливу температури

Умовно їх можна розділити на три групи:

1) роботи, основані на експериментальних підходах;

2) роботи, основані на розрахункових підходах;

3) роботи, основані на розрахунково-експериментальних підходах.

Аналіз літературних джерел показав, що існуючі на сьогоднішній день, методики високотемпературних випробувань дозволяють одержувати достовірні експериментальні результати в умовах впливу температур лише до Т=2300 K. Для більш високих температур виникають труднощі, пов'язані з забезпеченням точного виміру зусилля і деформації робочої частини зразка, необхідністю його швидкого нагрівання зі швидкістю VT~1000град/сек для запобігання вигоряння за час нагрівання до потрібної температури. Також важлива підтримка рівномірності температурного поля по довжині робочої частини зразка в процесі експерименту.

На сьогоднішній день більшість запропонованих розрахункових методів для КМ є чисто теоретичними розробками, і їхнє застосування на практиці обмежене. Реальні дослідження в цій області в основному пов'язані з експериментальним вивченням термомеханічних характеристик матеріалу і отриманням емпіричних залежностей для даного випадку.

Зроблено висновок, що для отримання достовірних результатів необхідне поєднання розрахункових методів з експериментальним дослідженням термомеханічних характеристик КМ в умовах, максимально близьких до експлуатаційних.

Специфіка термомеханічних характеристик КМ під впливом різних зовнішніх факторів (температура, швидкість нагрівання) суттєво ускладнюють проведення подальших розрахунків на міцність конструкційних елементів з них. Оскільки матеріал кожної конструкції має термомеханічні характеристики, відмінні від аналогічних характеристик матеріалу даного типу, виникає проблема перенесення результатів випробувань, отриманих на зразках, на матеріал окремо взятої конструкції. Дане питання на сьогоднішній день досліджене мало, тому актуальним є його вивчення.

2. Експериментальний комплекс для проведення випробувань КМ при температурах до Т=3300 K у вакуумі, окисному чи інертному середовищах

Комплекс виготовлений на базі випробувальної установки 1958У10-1 і складається з наступних систем: 1) системи механічного навантаження; 2) системи нагрівання зразків; 3) системи створення газового середовища в випробувальній камері; 4) інформаційно-вимірювальної системи. Використання можливостей вказаних систем дозволяє проводити випробування на розтяг, стиск, кручення, згин, короткочасну повзучість, релаксацію, малоциклову втому металів та конструкційних полімерів в широкому діапазоні навантажень, швидкостей деформування. Комплекс обладнаний сучасними засобами управління експериментом для проведення випробувань в автоматичному режимі. Можливе відпрацьовування практично будь-яких незалежних програм по навантаженню і нагріванню, що дозволяє відтворювати близькі до експлуатаційних режими роботи матеріалу.

З метою підвищення достовірності результатів для різних видів випробувань, запропоновані оригінальні зразки та методики вимірювання деформацій, на які отримано 5 патентів.

При розтязі переміщення робочої частини зразка визначається по взаємному переміщенню його виступів, на які встановлювалися чотири пари важелів з призматичними наконечниками із жаростійкої кераміки. Інші кінці важелів, розміщені в охолоджуваному відсіку випробувальної камери, попарно з'єднані пружними скобами з наклеєними тензорезисторами. Призми встановлені на одній лінії з кінцем робочої частини зразка, а відстані між ними підібрані так, щоб можна було легко по чотирьох точках цієї лінії визначити п'яту точку, що знаходиться на осі симетрії зразка в кінці його робочої частини. У кожен момент часу ЕОМ по програмі визначає форму ліній виступів, в яку впираються призми, і обчислює переміщення цієї точки.

При стиску переміщення робочої частини зразка відслідковують тонкі штоки, виготовлені з матеріалу зразка, встановлені в глухі конічні отвори, просвердлені з торців зразка по його осі до границь робочої частини. Протилежні торці штоків впираються в дно підпружинених плунжерів, жорстко з'єднаних з коромислами. Взаємне переміщення останніх через важелі трансформується в деформацію тензодатчиків.

Запропоновані методики дозволили проводити вимірювання переміщення робочої частини зразка під час випробовувань на розтяг та стиск з точністю ± 0.1 мкм.

В установці застосований спосіб нагрівання зразка шляхом пропускання електричного струму. Модернізація системи управління нагріванням дозволила реалізувати швидкість нагрівання до VT=1000 град/сек. Рівномірне поле температур по довжині робочої частини зразка забезпечується додатковим підігрівом його країв. Контроль за рівномірністю нагрівання здійснюється за допомогою трьох термопар, які встановлюються вздовж робочої частини зразка або скануванням за допомогою пірометра. При температурах до T=1800 K використовувались платина-платинородієві термопари, до T=2300 K - вольфрам-ренієві, а при більш високих - пірометр “INFRATHERM IGA-100” з точністю 0.5 % від вимірюваної величини. Дана методика забезпечує підтримання перепаду температур по довжині робочої частини зразка не більшого ДT=15ч25K у залежності від діапазону температур.

3. Результати досліджень термомеханічних характеристик вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу при температурах T=293…3300 K (швидкість нагрівання VT=1000 град/сек)

Були проведені випробування на короткочасну міцність в умовах розтягу та стиску в інертному середовищі (аргон). Випробування на розтяг проводилися при температурах: T=293,1300,1800,2300,2500,2800,3300 K, а на стиск - при тих же температурах, за винятком того, що замість T=3300 K випробування проводилися при T=3100 K. При кожній із зазначених температур для перерахованих видів механічного навантаження випробовувалося по 4 ? 5 зразків. Досліджувались зразки з ВВКМ, наповненого вуглецевими волокнами в трьох ортогональних напрямках. У якості пов'язівної речовини використовувалась фенолформальдегідна смола з подальшою карбонізацією матеріалу при температурі T=1270 K і багаторазовим просякненням з термообробкою його в інертному середовищі.

Специфіка властивостей ВВКМ вимагає обґрунтованого вибору швидкості нагрівання при проведенні високотемпературних випробувань. Тому перед проведенням основної серії експериментів були проведені методичні випробування по вивченню впливу швидкості нагрівання на міцність ВВКМ. Було показано, що при температурах до T=1800 K швидкість нагрівання на вид діаграми деформування впливає мало. При вищих температурах цей вплив суттєво збільшується. У зв'язку з цим випробування проводилися при швидкості нагрівання VT=1000 град/сек, що близька до реальних робочих умов. Це дозволяє уникнути вигоряння наповнювача і зменшення робочого перерізу зразка за час випробування, а також протікання небажаних процесів, що мають місце при нагріванні з малими швидкостями.

Результати випробувань на розтяг показали, що у діапазоні T=293…1300 K характеристики міцності ВВКМ змінюються несуттєво. При T=293 K величини руйнівного напруження та граничної деформації відповідно дорівнюють , . У діапазоні T=1300…2500 K спостерігається зміцнення матеріалу на ~ 70 %. Максимальна величина руйнівного напруження ВВКМ має місце при T=2500 K і складає . При T=2300…2500 K в порівнянні з кімнатною температурою деформація при руйнуванні зростає в 6 - 8 разів, а при підвищенні температури випробувань до T=2800…3300 K величина руйнівного напруження зменшується на ~ 25 %.

З результатів випробувань на стиск видно, що загальна тенденція впливу температури на вид діаграми деформування “у-е” має характер, аналогічний розтягу. При нагріванні до температури T=2300K матеріал зміцнюється на ~ 55 %. При даній температурі спостерігається найбільша величина руйнівного напруження ? . При підвищенні температури випробувань до T=2500…280 0K спостерігається знеміцнення на ~ 10...15 %. При температурах T=3100 K і вище відбувається зміна форми руйнування зразка, що пов'язано з втратою стійкості.

Наведені у розділі експериментальні результати отримані на зразках. При розробці конструкції вони можуть бути використані з певними застереженнями, оскільки термомеханічні характеристики матеріалу конструкції і матеріалу даного типу відрізняються в межах відхилень для даної технології виготовлення композита. Для вирішення цієї проблеми автором розроблений розрахунково-експериментальний метод, викладений у четвертому розділі. Метод дозволяє прогнозувати діаграми деформування “у-е” вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів у всьому діапазоні робочих температур.

При рішенні задач високотемпературної міцності конструкційних елементів потрібно враховувати спільний вплив різних за природою механічних, термічних, фізико-хімічних факторів. Кожен з них вносить свій внесок у загальну пошкодженість матеріалу. Побічно це відбивається на зміні діаграми деформування. Очевидно, знаючи закон накопичення пошкоджень, можна вирішити і зворотну задачу - спрогнозувати, який вид буде мати діаграма деформування матеріалу за певних умов навантаження, а також знайти його характеристики міцності.

У даній роботі в якості пошкодженості при температурі T=const прийняте відношення змінюваної в процесі навантаження площі Fi між кривою “у-е” та січним модулем (¦OAВСO), до роботи руйнування Fруйн (вся площа під діаграмою (¦OAED)):

(1)

Використовуючи даний підхід, була запропонована нова обробка експериментальних даних, де поряд з діаграмою деформування “у-е” будується діаграма пошкодженості матеріалу “”. Так в умовах розтягу при температурі T=293K пошкодженість, що відповідає максимальному напруженню в матеріалі, складає , а це еквівалентно тому, що після руйнування ~ 10 % усіх волокон матеріалу, далі відбувається катастрофічне руйнування зразка з діленням його на дві частини. Збільшення температури випробувань до T=2300K спричиняє зростання величини пошкодженості до . Це означає, що міцність волокон, які залишилися, збільшилася, і менша їхня кількість може нести більше навантаження, тобто відбулося зміцнення ВВКМ. При температурах T=2800 і 3300 K , коли настає деяке знеміцнення, величина пошкодженості також зменшується.

Для математичного опису кривих пошкодженості Дзюбою В.С. було запропоновано диференціальне рівняння у вигляді:

(2)

де L - пошкодженість, t - час, r, B1, B2, B3, n1, n2, n3, в1, в2, в3 коефіцієнти рівняння пошкодженості (КРП). У загальному випадку рівняння (2) проінтегрувати не вдається, а задача визначення десяти коефіцієнтів є досить трудомісткою і вимагає великої кількості експериментальних даних.

Автором запропоноване модифіковане рівняння пошкодженості, у якому число коефіцієнтів скорочено до п'яти за рахунок того, що чотири з них представлені як функції від температури:

(3)

Після інтегрування рівняння пошкодженості має наступний вигляд:

. (4)

Розроблене рівняння пошкодженості дозволяє прогнозувати величину руйнівного напруження і діаграму деформування “у-е” матеріалу у всьому діапазоні робочих температур. Для цього повинні бути відомі коефіцієнти рівняння пошкодженості матеріалу і закон навантаження.

Автором запропонована методика визначення коефіцієнтів рівняння пошкодженості. В інтервалі робочих температур вибирається кілька температур T1,T2…Tk=const. При кожній з них знаходяться коефіцієнти , що у даному випадку є константами. Далі за допомогою регресійного аналізу знаходяться залежності коефіцієнтів рівняння пошкодженості від температури B1(T), B2(T), n1(T), n2(T).

При постійній температурі коефіцієнти матеріалу знаходяться в такий спосіб. Проаналізувавши вплив коефіцієнта рівняння пошкодженості r на вид діаграми деформування “у-е” матеріалу, було встановлено, що цей коефіцієнт істотний вплив має тільки на праву, спадаючу гілку діаграми деформування. У даній роботі розглядається побудова тільки лівої гілки діаграми деформування, тому з достатнім ступенем точності для даного класу матеріалів прийнятий коефіцієнт r=2 у всьому діапазоні робочих температур.

Для визначення коефіцієнтів B1 і n1 використовуються результати двох випробувань за наступною програмою: максимально швидке навантаження зразка до виникнення напруження у1 або у2 і подальша підтримка його постійним до руйнування зразка. Коефіцієнти B2 і n2 знаходяться з результатів випробувань короткочасної міцності у вигляді діаграм деформування “у-е”. Для їх визначення використовується метод найменших квадратів (МНК).

Для прогнозування діаграм деформування матеріалу конструкції, щоб їх можна було використовувати для розрахунків конструкційних елементів, на базі розробленого рівняння пошкодженості автором запропонована наступна методика:

1) визначення експериментально на зразках діаграми деформування “у-е” досліджуваного матеріалу в робочому діапазоні температур;

2) визначення експериментально діаграми деформування “у-е” зразків-свідків конструктивного елемента при кімнатній температурі;

3) проведення розрахунку діаграм деформування “у-е” матеріалу конструкції для інших температур у заданому діапазоні, використовуючи розроблений розрахунково-експериментальний метод і дані, отримані в п. 1 - 2;

4) проведення контрольних експериментів на зразках-свідках у заданому діапазоні температур з метою перевірки працездатності методики прогнозування.

При одержанні задовільних результатів відповідності розрахунків і експериментів всі отримані розрахункові дані можна використовувати при розрахунках на міцність конструктивного елемента.

Для того, щоб за допомогою рівняння пошкодженості можна було розрахувати діаграми деформування матеріалу конструкції, потрібно КРП матеріалу замінити на КРП матеріалу конструкції, які визначаються наступним чином.

Оскільки вирішується задача короткочасної міцності, коефіцієнти рівняння пошкодженості і можна з достатнім ступенем точності прийняти рівними коефіцієнтам рівняння пошкодженості матеріалу конструкції:

, (5)

. (6)

Щоб врахувати відмінність термомеханічних характеристик матеріалу конструкції проводяться випробування короткочасної міцності зразків-свідків при температурі Т = 293 К. З отриманої діаграми деформування визначаються КРП і . Для визначення коефіцієнтів рівняння пошкодженості матеріалу конструкції і при інших температурах приймається гіпотеза, що у всьому робочому діапазоні температур при будь-якій Ti=const відношення КРП МК і до КРП матеріалу і залишається постійним:

, (7)

. (8)

Тоді КРП МК , при температурі Ti рівні:

, (9)

. (10)

Після знаходження коефіцієнтів рівняння пошкодженості матеріалу конструкції можна розрахувати діаграми деформування для нього. Для цього використовується програма навантаження, така ж, як і при випробуваннях короткочасної міцності на зразках.

Запропонована методика була апробована на такому елементі конструкції, як розтруб двигуна ракети. Була поставлена задача на базі результатів випробувань короткочасної міцності на зразках з ВВКМ в умовах розтягу, представлених у розділі 3, і результатів випробувань зразків-свідків в умовах розтягу при кімнатній температурі розрахувати діаграми деформування “у-е” матеріалу конструкції у всьому діапазоні робочих температур. Для цього спочатку були визначені КРП ВВКМ у діапазоні температур T=293…3300 K. Потім на основі іспитів зразків-свідків при кімнатній температурі були отримані КРП матеріалу конструкції для всього діапазону робочих температур і побудовані діаграми деформування “у-е” матеріалу конструкції для температур T=1300, 1800, 2300, 2500, 2800 і 3300 K.

Для перевірки працездатності методу були проведені випробування короткочасної міцності зразків-свідків, виготовлених з матеріалу конструкції при температурах T=2300 K та 3300 K. Отримані експериментальні діаграми деформування “у-е” були зіставлені з результатами розрахунків.

Відносні помилки прогнозу руйнівного напруження і деформації за допомогою розробленого методу відповідно склали: при температурі T=2300 K - ду=4.23% і де=7.64%, при T=3300 K - ду=6.47% і де=10.53%.

Висновки

композиційний статичний вакуумний інертний

1. Розроблено розрахунково-експериментальний метод, який дозволяє прогнозувати діаграми деформування “у-е” вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів у всьому діапазоні робочих температур. На основі цього методу запропонована методика прогнозування діаграм деформування “у-е” матеріалу конструкції. Для цього використовуються результати випробувань короткочасної міцності, отримані на зразках з досліджуваного матеріалу у всьому діапазоні робочих температур, а також результати випробувань зразків-свідків з матеріалу конструкції при кімнатній температурі.

2. Вперше отримано результати випробувань на короткочасну міцність ВВКМ при температурах T=293…3300 K (швидкість нагрівання VT=1000 град/сек) в умовах розтягу і стиску в інертному середовищі (аргон).

Показано, що для досліджуваного матеріалу характеристики міцності в умовах розтягу при температурах T=293…1300 K змінюються мало. У діапазоні від T=1300 до 2500 K відбувається зміцнення матеріалу до ~ 70 %, а при подальшому підвищенні температури до T=3300 K - зниження міцності на ~ 25%.

Встановлено, що при стиску загальна тенденція впливу температури на міцність має характер, аналогічний розтягу. Так, при температурах T=293…1300K величина руйнівного напруження ВВКМ майже не змінюється. При підвищенні температури від T=1300 до 2300 K спостерігається зміцнення на ~ 55%. У діапазоні T=2500…2800 K має місце зменшення міцності на ~ 15%. При температурах T=3100 і вище відбувається зміна форми руйнування зразка на втрату стійкості.

3. Створено експериментальний комплекс для випробувань ВВКМ в умовах розтягу, стиску і кручення в умовах температур T=293…3300 K. Методичними особливостями комплексу є:

а) автоматизація експерименту;

б) вимірювання переміщення робочої частини зразка при розтязі і стиску з точністю ± 0.1 мкм;

в) забезпечення рівномірного поля температур по довжині робочої частини зразка при швидкості нагрівання до VT=1000 град/сек з перепадом не більше ДT=15ч25K в залежності від діапазону температур.

4. Запропоновано оригінальні зразки і методики вимірювання деформацій для різних видів випробувань з метою підвищення достовірності експериментальних результатів (отримано 5 патентів).

Література

1. Дзюба В.С., Оксиюк С.В. Методика и установка для исследования композиционных материалов при кручении в условиях температур до 3300 К // Проблемы прочности. - №3. - 2003. ? С. 141 ? 145.

2. Дзюба В.С., Оксиюк С.В. Прогнозирование прочности углерод-углеродных композиционных материалов при высоких температурах // Надійність і довговічність машин і споруд. ? №2. ? 2004. ? С. 39 ? 44.

3. Дзюба В.С., Оксиюк С.В. Установка для исследования прочности и долговечности композиционных материалов при программном тепловом и силовом нагружении в условиях температур до 3300 К // Проблемы Прочности. - №5. ? 2004. ? С. 113 ? 116.

4. Дзюба В.С., Кравчук Л.В., Оксиюк С.В. Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве // Проблемы Прочности. ? №1. ? 2005. - С. 136 ? 143.

5. Пат. 2002075410 Україна, МПК 7 G01N1/100, G01N3/00, G01N3/18, G01N3/22. Зразок для випробування матеріалів на міцність / Дзюба В.С., Кравчук Л.В., Токарський В.А., Оксіюк С.В. (Україна). - №1692; Заявл. 01.07.2002; Опубл. 17.03.2003, Бюл. №3. - 2 с.

6. Пат. 2002064701 Україна, МПК 7 G01N3/22. Пристрій для випробування матеріалів на міцність / Дзюба В.С., Кравчук Л.В., Токарський В.А., Оксіюк С.В. (Україна). - №1682; Заявл. 07.06.2002; Опубл. 17.03.2003, Бюл. №3. - 2 с.

7. Пат. 2003098506 Україна, МПК 7 G01N1/00, G01N3/00, G01N3/18. Зразок для випробування композиційних матеріалів на міцність при розтягуванні в умовах високих температур / Дзюба В.С., Кравчук Л.В., Токарський В.А., Оксіюк С.В. (Україна). - №2467; Заявл. 15.09.2003; Опубл. 15.04.2004, Бюл. №4. - 2 с.

Размещено на Allbest.ru