Разработка метода исследования процесса хрупкого разрушения композиционного материала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка метода исследования процесса хрупкого разрушения композиционного материала

Давлетбаков Р.Р.

Каныгина О.Н.

Анисина И.Н.,

Оренбургский государственный университет, Оренбург

Основные тенденции современного развития науки и техники в области новых материалов связаны с глинами и системами на их основе. Это обусловлено не только доступностью сырья, но и тем, что кремнеземистая керамика обладает высоким потенциалом в отношении механических свойств. Перспективность применения кремнеземистой керамики зависит от повышения ее прочности, огнеупорности, термостойкости, химической устойчивости и др. Возникает необходимость создания и исследования керамики с требуемыми свойствами, при этом первостепенное значение приобретает задача исследования прочности и характера разрушения керамических кремнеземистых материалов.

Особое значение имеет тот факт, что кремнеземистая керамика разрушается хрупко, в области упругой деформации. Скорость разрушения велика и поэтому исследование самого процесса разрушения представляет сложную экспериментальную задачу. Одним из подходов к решению этой задачи является использование метода рассмотрения хрупкого, так называемого, откольного разрушения.

В условиях высокоскоростной одномерной деформации разрушение-дробление вещества, если оно происходит, имеет место в узкой локализованной зоне, лежащей внутри мишени или преграды, от которых отделяются тонкие плоские слои. Такой специфический вид разрушения получил в литературе название откольного [1]. Поскольку откол есть процесс внутреннего разрушения или разрыва сплошной среды, то исключается возможность корректного прямого измерения параметров разрушения непосредственно в зоне откола. При использовании метода откольного разрушения можно определить следующие параметры:

у - напряжение, при котором произошло разрушение, прочность на сжатие;

N - количество осколков, на которые разделяется образец при разрушении, V_фр. - объём осколков и L - среднюю эффективную длину трещины.

Основной характеристикой кремнеземистой керамики является прочность на сжатие, эта характеристика не постоянна и зависит от различных факторов: режима спекания, фракционного состава, содержания армирующих частиц, от воды затворения, а также от характера разрушения - распространения трещин.

При определении прочности при откольном разрушения хрупких керамических образцов использовали метод индентирования для создания «фокуса напряжения». В качестве индентора служил стальной шарик диаметром 10мм. На рисунке 1а представлена схема нагружения, когда индентор касается поверхности образца, создавая локальные механические напряжения; на рисунке 1б - индентор вдавлен в образец, магистральные трещины распространяются через весь образец. Для разрушения керамики использовали твердомер ТШ-ВМ, при нагрузках от 1837.5 до 29400Н.

Рисунок 1 - Хрупкое разрушение керамического образца при индентировании: а) - касание индентором поверхности образца; б) - распространение трещин в образце при вдавливании индентора

Полезную информацию в таком случае получить очень трудно. Разрушение кремнеземистой керамики не сопровождается пластическим течением. Согласно модели Гриффитса p= существующие в образцах микротрещины при приложении внешней нагрузки растут до тех пор, пока одна из них, находящаяся в наиболее благоприятном для развития положении, не достигнет критического размера, что приводит к разрушению образца [2,3]. кремнеземистый керамика откольный разрушение

Целью данной работы являлось исследование процесса разрушения кремнеземистой керамики, полученной на основе монтмориллонит содержащей глины оренбургского месторождения. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: выявление зависимости прочности на сжатие от:

1) режимов спекания (температуры спекания 900 и 1000^о С, 3 часа);

2) исходного фракционного состава частиц твердой фазы (А=0,63-0,16мм, В=0,16-0,04мм);

3) содержания армирующих частиц SiC (0, 10, 20% масс.);

Образцы кремнеземистой керамики получали из шихты на основе монтмориллонит содержащей глины, химический состав которой приведен в таблице 1, и часть из них армировали 10 и 20% (масс) частицами зеленого карбида кремния SiC. Затем методом полусухого прессования формовали их в виде дисков диаметром 25 мм, высотой до 10 мм. После сушки на воздухе и в муфеле при 160^оС спекали на воздухе при указанных выше температурах.

Таблица 1 - Химический составы монтмориллонит содержащей глины [4]

Нагружали образцы с постоянной скоростью 0.273мм/с, фиксировали напряжение разрушение у, подчитывали количество осколков N, объём осколков V_фр. и эффективную длину трещин L. Каждое значение получено по результатам испытаний 6 образцов.

В ходе эксперимента получены следующие результаты:

1. Характер разрушения образцов, спеченных при 900°С, 3 часа.

Для керамики обожженной при 900°С, независимо от фракционного состава и содержания армирующих частиц, разрушение происходит при одинаковой нагрузке около 4МПа. Это говорит о том, что в керамике не сформирован твердофазный каркас, прочные межфазные и межчастичные границы. Объемы осколков около V_фр.=0.9см³; среднее значение длины трещины L - 0.9-1см.

2. Характер разрушения образцов, спеченных при 1000°С, 3 часа.

В таблице 2. представлены параметры разрушения образцов кремнеземистой керамики, полученных из порошков фракций А, В и воды затворения pH7.

Таблица 2. Параметры откольного разрушения образцов

В керамике, обожженной при 1000°С, основным видом разрушения является хрупкий излом с ручьистым рельефом, однако в ряде случаев наблюдается и магистральные трещины.

Значения прочности для этих образцов зависят от фракционного состава, содержания армирующих частиц и pH воды затворения. Разрушение происходило при разных значениях нагрузки; минимальная составляла 8МПа, максимальная - 55МПа. Таким образом, образцы различаются по прочности в 7 раз. Образцы стали структурночувствительными: у=f(A, B, содержание SiC). Это говорит о том, что в керамике сформирован твердофазный каркас, прочные межфазные, межчастичные границы. Микроструктура образцов существенно различается. В ходе эксперимента установлено следующее: средние объемы осколков V_фр.=1.2см³ (варьируют от 0.5 до 1.7см³), среднее значение длины трещины L изменяется от 0.8 до 1.2см. Объём осколков и длина трещины связаны отношением:

V_фр = ; L= (V_фр )^1/3

Вывод: Прочность на сжатие керамики, обожженной при 900°С, невысока и не зависит от химического состава массы и размеров частиц. Керамика обожженная при 1000°С, становится «чувствительной» к содержанию SiC и размерам глиняных частиц. Объемы осколков и эффективная длина трещин убывают с увеличением прочности на сжатие. Полуколичественный анализ этих параметров при условии дальнейшей разработки метода откольного разрушения может дать полезную информацию для совершенствования технологии получения и повышения прочности кремнеземистой керамики.

Список литературы

1. Дубинова А.Б. Фракталы в прикладной физике/ Под общей редакций А.Б. Дубинова. ВНИИЭФ, Арзамас-16, 1995.-216 с.; ил - ISBN 5-85165-064-8.

2. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. Издательство «Наука», Главная редакция физико - математической литературы, М., 1974, 640 стр.

3. http://materiology.info/ref/razry3eni9_griffitsa.html.

4. Каныгина О.Н., Четверикова А.Г., Лазарев Д.А., Сальникова Е.В. Высокотемпературные фазовые превращения в железосодержащих глинах оренбуржья./ ВЕСТНИК ОГУ №6 (112)/июнь`2010, с.113-118.

Размещено на Allbest.ru