Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МІЦНОСТІ

На правах рукопису

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

МЕТОДИ ВИПРОБУВАНЬ І МІЦНІСТЬ МЕТАЛІЧНИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ПРИ ВИСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Спеціальність: 05.02.09 динаміка та міцність машин

Рудницький Микола Петрович

КИЇВ 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті проблем міцності Національної академії наук України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Борисенко В.О., Інститут проблем міцності НАН України, заступник директора Інституту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Майстренко А.Л., Інститут надтвердих матеріалів НАН України, завідувач відділу;

кандидат технічних наук Земцов М.П., Інститут проблем міцності НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна організація: Національний технічний університет України "КПІ”

Захист відбудеться 30 вересня 1999 р. о 9 годині 30 хв.

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01 при Інституті проблем міцності НАН України за адресою: 252014, м. Київ-14, вул. Тімірязєвська, 2

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту проблем міцності НАН України

Автореферат розіслано 15 червня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради

доктор технічних наук Ф.Ф. Гігіняк

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Розвиток авіаційної і ракетно-космічної техніки пов'язаний з розробленням і використанням металічних композиційних матеріалів (МКМ), здатних забезпечити міцність відповідальних частин машин і апаратів зі зниженням їх ваги, які працюють в екстремальних умовах експлуатації, таких як високотемпературне нагрівання і граничні механічні навантаження. Виникає необхідність експериментального вивчення механічних властивостей МКМ для оболонок, включаючи кільцеві конструктивні елементи, що працюють в цих умовах і стримуються відсутністю необхідної випробувальної техніки та методик.

Ще одним з важливих завдань є розроблення методів оцінки і визначення механічних властивостей МКМ на основі інформації про їх компоненти: армуючі волокна, матеріали матриць і окремі шари, що дозволяють на стадії проектування оптимізувати склад і структуру матеріалу, а також здійснювати контроль якості як компонентів, так і матеріалу або конструктивного елементу в процесі виготовлення.

Не менш важливе значення має стандартизація методів випробувань, що дозволяє широко використовувати їх у різних галузях виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана:

за темою "Дослідження фізико-механічних властивостей нових композиційних матеріалів та їх компонентів при високих температурах”, що затверджена постановою Президії АН УРСР № 487 від 17.11.82 р. в рамках проблеми АН СРСР розділ 1.10.2.12 Термов'язкопружність, механіка композиційних матеріалів;

за Державною науково-технічною програмою "Перспективні матеріали" ДКНТ СРСР; за завданням директивних органів і ДК РМ СРСР № 91 від 19.03.86 р. і розпорядженням Президії АН УРСР № 00727 від 11.04.86 р.;

за темою 1.3.4.2 "Дослідження фізико-механічних властивостей і кінетики руйнування металічних та неметалічних композиційних матеріалів з урахуванням дії технологічних та експлуатаційних факторів”, що затверджена постановою Бюро відділення механіки НАН України № 6 від 07.12.95 р.

Мета роботи. встановлення і вивчення закономірностей зміни властивостей статичної міцності металічних армуючих елементів, матеріалів матриць, металічних композиційних матеріалів та конструктивних елементів з них в умовах високих температур.

Поставлена ціль досягається вирішенням наступних завдань:

розроблення нових методик і відповідних випробувальних засобів дослідження розтягуванням на мікрозразках механічних властивостей МКМ і їх компонентів, а також елементів конструкцій з них в умовах нагрівання;

експериментальне вивчення міцності МКМ і їх складових з урахуванням дії технологічних та експлуатаційних факторів;

встановлення температурних закономірностей зміни міцності вивчених матеріалів, виявлення механізмів деформації для оптимізації на їх основі складу матеріалу та його макроструктури.

Наукова новизна роботи. Створені оригінальні випробувальні засоби і ряд пристроїв для вивчення механічних властивостей металічних композиційних матеріалів та їх компонентів (стрічок, волокон, сіток, матриць), в тому числі кільцевих конструктивних елементів, на основі тугоплавких матеріалів в широкому діапазоні температур та швидкостей деформування. Новизна та корисність виконаних розробок підтверджені трьома авторськими свідоцтвами на винаходи.

Розроблені методики для досліджень розтягуванням характеристик міцності армуючих волокон при температурах 290…2500 К та швидкостей деформування 10-5…1 с-1 і міцності кільцевих зразків в діапазоні 290…2100 К, а також міжшарового зсуву багатошарових композиційних матеріалів в інтервалі температур 290…1900 К. Новизна і корисність методик підтверджені авторським свідоцтвом і розробленим державним стандартом України.

Встановлені і вивчені температурні залежності механічних властивостей армуючих волокон із сплавів вольфраму та молібдену і багатошарових композиційних матеріалів системи Ti Nb.

Проведено комплексне дослідження на конструкційну міцність та пластичність фільтруючих матеріалів на основі нікелевих сіток і дисперсних композиційних матеріалів системи нікель синтетичні алмази для відпрацювання технології їх одержання.

Практична цінність роботи. Застосування методики і захватних пристроїв для випробування на розтяг під час високотемпературних експериментальних досліджень металічних армуючих волокон дозволило підвищити температуру випробувань до 2500 К, отримати відсутні раніше експериментальні дані міцності як використовуваних, так і нових прогресивних матеріалів та передати різним оганізаціям для їх впровадження.

Використання у практиці досліджень способу випробування матеріалів розтягуванням за високих швидкостей деформування дозволило підвищити точність отримуваних величин механічних характеристик довгомірних пружних матеріалів (ниток, волокон, дротів, фольг, сіток, стрічок тощо) в широкому діапазоні температур.

Стандартизовано метод статичних випробувань розтягуванням кільцевих зразків з внутрішнім діаметром від 10 до 100 мм з металів, а також шаруватих і волокнистих метало-композитів при температурі до 2000 К в Державному стандарті України (ДСТУ 2528-94).

В результаті проведених досліджень двохшарових фільтруючих матеріалів на основі нікелевої сітки з нікелевим покриттям рекомендовано матеріал з високою технологічною пластичністю для виробництва фільтрів гідросистем літаків ІЛ-76 та ІЛ-86.

металічний композиційний матеріал температура

Проведено вивчення впливу на міцність дисперсного композиційного матеріалу системи нікелева матриця синтетичні алмази і матриці розміру частинок, що вводяться, способу осаджування дисперсної фази та щільності струму осаджування матричного матеріалу з метою удосконалення технології виготовлення.

Вперше в температурному діапазоні 290…1700 К встановлені температурні залежності міцності і деформативності матеріалів для оболонок типу багатошарових МКМ системи Ti Nb з різною кількістю шарів, ступенем обтиску. В результаті досліджень вибрані матеріали з оптимальними механічними властивостями.

Реалізація роботи. Методики та результати експериментальних досліджень використані: в ВІАМі (м. Москва); на Виксунському металургійному заводі; на НВО "Композит” (ЦНДІМЗ, підприємство п/я А-1147 м. Калінінград Московської обл.) та в Інституті надтвердих матеріалів НАН України. Частковий сумарний одноразовий економічний ефект дисертанта від впровадження цих результатів становить 577 тис. крб. в цінах до 1988 р.

Особистий внесок автора. Автором виконано частину конструкторських і методичних розробок та їх обгрунтування, отримано переважну більшість експериментальних результатів, проведено їх аналіз, сформульовано висновки, приймалась активна участь у впровадженні результатів розробок і досліджень у виробництво.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідалися на V Всесоюзній конференції з композиційних матеріалів (Москва, 1981); конференції "Конструирование и производство изделий из полимерных и металлических композиционных материалов” (Євпаторія, 1993); міжнародній конференції "Композиционные материалы. Технология и производство” (с. Піщане, Крим, 1994); І міжнародному симпозіумі "Передовые термические технологии и материалы" (с. Кацивелі, Крим, 1997).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових робіт, розроблено Державний стандарт України і одержано чотири авторські свідоцтва на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 152 найменувань та додатку. Дисертація має повний обсяг 205 сторінок, включаючи 54 рисунки та 20 таблиць. До роботи додається три акти про впровадження результатів досліджень.

Зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність розробленої в дисертації науково-технічної проблеми, дано коротку характеристику загального стану і методів її вирішення. Формулюється постановка задачі та мета роботи, обгрунтовується її важливе наукове та практичне значення. Коротко викладено зміст дисертації по розділах, визначено наукову новизну і практичне значення результатів, що одержані в роботі.

Перший розділ присвячений розгляду наведених в літературі даних досліджень механічних властивостей і загальних закономірностей деформування металокомпозитів. Наводиться огляд і аналіз існуючих методик, обладнання і пристроїв для випробування армуючих волокон, матриць і конструктивних елементів МКМ. Обгрунтовується необхідність проведення досліджень і розроблення для цього методик та обладнання з використанням стандартних випробувальних машин, що випускаються промисловістю. На основі аналізу літературних джерел сформульовані основні завдання досліджень:

розробка випробувального обладнання для дослідження розтягуванням на мікрозразках механічних властивостей металічних композиційних матеріалів та їх компонентів, в тому числі кільцевих конструктивних елементів, на основі металевих матеріалів в широких діапазонах температур та швидкостей деформування;

створення методик для високотемпературних досліджень міцності армуючих волокон з різними швидкостями деформування, міжшарового зсуву для багатошарових МКМ, кільцевих зразків, а також впливу жорсткості випробувальних машин на результати випробувань;

експериментальне отримання, дослідження, аналіз і узагальнення температурних залежностей характеристик міцності та деформативності волокон, багатошарових МКМ, нікелевих сіток та композитів з нікелевою матрицею, видача рекомендацій.

В другому розділі описано створене устаткування і пристрої:

а). Устаткування Мікро-8 для визначення механічних характеристик матеріалів розтягуванням в діапазоні температур 290…3000 К і швидкостей деформування 0,0005…500 мм/хв. Об'єктом дослідження служать як циліндричні або плоскі мікрозразки, так і зразки із волокон, дротів, фольг, сіток та стрічок перерізом від 0,01 до 7 мм2.

Устаткування створено на базі відомої випробувальної машини Мікро-6. Розроблені нові датчики сили і деформації з вбудованими системами охолодження, що дозволило звести до мінімуму вплив теплових дестабілізуючих факторів на їхні метрологічні характеристики.

б). Пристрій для вимірювання вісьових і крутильних зусиль в високотемпературному устаткуванні (а. с. № 1268977). Перетворювачі сили пристрою містять компенсатори впливу температури і тиску охолоджувача, а також дають можливість одночасно вимірювати як вісьові сили, так і крутячі моменти, наприклад, при вивченні високотемпературної міцності матеріалів в умовах складно-напруженого стану.

в). Захватні пристрої для випробування волокон і дротів з пластичних матеріалів. Для підвищення точності визначення характеристик міцності, а також збільшення строку служби затискачів, в кожному з них між підпорою і циліндричним пальцем додатково встановлений зйомний вкладень, що служить для надійної фіксації неробочих кінців зразка у вузлі кріплення.

Ще одні захватні пристрої для визначення міцності ниткоподібних матеріалів, в тому числі крихких, в широкому діапазоні температур, в яких нагрівання зразка здійснюється за допомогою контактуючих з ним по всій довжині теплопередаючих елементів захватних пристроїв. Це покращило характеристики температурного поля вздовж робочої частини зразка.

г). Устаткування для визначення характеристик міцності і пластичності композиційних матеріалів та їх компонентів в діапазоні температур 290…2000 К і швидкостей деформування 0,035…1000 мм/хв. На базі випробувальної машини ФПЦ 10/1 (НДР.) створено високотемпературне випробувальне устаткування М-12 з оперативною обробкою даних. З метою збереження технічних можливостей базової машини силовимірювальний датчик розміщується в середині випробувальної камери з системою його вакуумного захисту. Системи устаткування виконані у вигляді автономних функціонально закінчених вузлів, які легко переналагоджуються на потрібний вид випробувань. Об'єктами досліджень є циліндричні або плоскі мікрозразки перерізом до 8 мм2, а також фольги, стрічки, дроти, волокна і сітки.

д). Устаткування для випробування пластичних матеріалів розтягуванням (а. с. № 1522073). Воно усуває зміщення в процесі деформування зразка середини його робочої частини відносно температурного поля нерухомо встановленого нагрівача, забезпечує задану швидкість деформування зразка під час руйнування, а також підвищує точність.

е). Устаткування для випробування розтягуванням кільцевих зразків двома напівдисками (а. с. № 1749763). Воно розширило температурний діапазон випробувань до 2100 К і одночасно підвищило точність механічних характеристик матеріалів, що досліджуються. Це досягнуто за рахунок зміцнення напівдисків і доданням ще одного нагрівача з незалежним джерелом живлення для додаткового регулювання температури.

Третій розділ містить опис методик досліджень механічних властивостей композитів та їх компонентів розтягуванням:

а). Спосіб випробування матеріалів розтягуванням або крученням при високих швидкостях деформування в широкому діапазоні температур (а. с. № 1089475). Збільшення точності отримуваних величин досягається за рахунок того, що активну тягу і рухомий захват розганяють до заданої швидкості випробування ще до прикладання навантаження на зразок і, тим самим, виключають вплив суми інерційних сил системи на записувану діаграму деформування. Спосіб найбільш ефективний під час проведення випробувань довгомірних пружних матеріалів (ниток, волокон, дротів, фольг, сіток і стрічок) на розтяг і кручення.

б). Методика дослідження волокон на короткочасну міцність при високих температурах. Вона створена для дослідження дротяних зразків діаметром від 0,1 до 0,3 мм і довжиною 100 мм у вакуумі в діапазоні температур 290…2500 К на устаткуванні Мікро-8. Вирішені проблеми кріплення зразків, визначення їх міцності і пластичності та вимірювання температури. Температура вимірюється на масивному елементі, що знаходиться в безпосередньому контакті зі зразком і нагрівачем. Цей елемент має порівняно велику теплоємкість, що зменшує вплив тепловідводу електродів термопари на точність вимірювань.

в). Методика випробування композиційних матеріалів на зсув в умовах нагрівання. Для визначення міжшарової міцності металічних композиційних матеріалів запропонована нова конструкція симетричних зразків. Їхньою особливістю є те, що вони конструювалися на стадії виготовлення шарових композиційних матеріалів. Це дозволило повністю усунути згин в процесі деформування.

г). Метод випробування кільцевих зразків в діапазоні високих температур, який стандартизовано (ДСТУ 2528-94). Він установлює статичні випробування розтягуванням кільцевих зразків з внутрішнім діаметром від 10 до 100 мм з металів, а також шаруватих і волокнистих металокомпозитів при температурах до 2000 К. Призначений для порівняльних і контрольних випробувань.

д). Визначення впливу жорсткості випробувальної машини на міцність і пластичність матеріалів. Описано методику дослідження жорсткості випробувальних машин Мікрат-4 і Мікро-6 та механічних властивостей танталу і нікелю в діапазонах температур 293…1873 К.

В четвертому розділі розглянуті експериментально визначені закономірності впливу температури на механічні характеристики металічних композиційних матеріалів та їх компонентів. Об'єктами досліджень були:

а). Армуючі волокна із сплавів вольфраму і молібдену з ренієм. Дослідження проводили на дротяних зразках діаметрами 200 і 275 мкм з вилитого сплаву вольфраму відповідно марок ВРМК і ВРМКН, що містять за масою: 4…5% Re; 4…5% Mo; 0,1% HfC; 0,02% C (сплав ВРМКН вміщує ще й нітриди), і діаметрами 115 і 200 мкм з молібден-ренійових сплавів марок МР-10 (10 % Re за масою) та МР-47 ЗВП (47 % Re за масою) відповідно, зонної вакуумної плавки в інтервалі температур від 290 до 1900 К. Волокна випробувані в деформованому стані. Температурні залежності границі міцності волокон сплавів вольфраму представлені на рис.1.

Встановлено, що температурні залежності характеристик міцності сплавів вольфраму і молібдену з ренієм підпорядковуються експоненціальному закону, мають декілька областей і описуються, за виключенням зони дії динамічного деформаційного старіння (молібден-ренійові сплави), одним термоактиваційним рівнянням з термодинамічними та структурними параметрами, що дискретно змінюються.

За допомогою термоактиваційного аналізу експериментальних залежностей характеристик міцності вольфрамових і молібден-ренійових сплавів в діапазоні 0,09…0,6 Тпл визначені термодинамічні параметри у вигляді спектрів енергії активації (ентальпії) пластичної деформації, які характеризують механізми, що відповідають за міцність в даному інтервалі температур.

б). Матеріали для оболонок типу багатошарового МКМ системи Ti Nb. Досліджені три партії композиційного матеріалу, отриманого шляхом прокатування, що складається з шарів сплавів титану ВТ6С і ніобію ВН2АЭ в діапазоні температур 290…1700 К. Дві партії виконані тринадцятишаровими (7 шарів сплаву титану і 6 шарів сплаву ніобію), а третя партія дев'ятишаровою (5 шарів сплаву Ti і 4 сплаву Nb). Причому перші дві партії відрізнялися тільки ступенем обтиску, тобто товщиною шарів. У зразках другої партії сумарна товщина шарів в середньому на 0,5 мм більше і відповідно ступінь обтиску менше. У всіх партіях об'ємний вміст двох компонентів однаковий. Результати досліджень представлені на рис.2.

Встановлено, що найбільш міцним виявився матеріал з більшою кількістю шарів, а серед матеріалів з рівною кількістю шарів матеріал партії, у котрого загальна товщина шарів менша, тобто матеріал з більшим ступенем обтиску. Це спостерігалося в діапазоні температур 290…900 К, а з подальшим підвищенням температури міцність приблизно однакова. Найбільш пластичним в випробуваному діапазоні температур є дев'ятишаровий матеріал. Пластичність 13-ти шарового матеріалу приблизно однакова і не залежить від ступеню обтиску. Виключення складає відносне звуження, яке збільшується зі збільшенням ступеню обтиску. Значення величин границі міцності добре узгоджуються з рівнянням адитивності ("правило сумішей”) за виключенням області дії динамічного деформаційного старіння.

в). Багатошаровий композиційний матеріал системи Ti Nb, відпалений за різними режимами, який випробовували на міжшарову міцність. Матеріал отриманий шляхом зварювання 17 шарів ніобієвого сплаву 10ВМЦ через прошарки титану. Загальна товщина листа 2 мм. У всіх партіях об'ємний вміст двох компонентів рівний. Випробування проводили при температурі 1870 К на симетричних зразках, зконструйованих на стадії виготовлення.

Випробування підтвердили правильність конструкції симетричних зразків, що дозволили усунути згин в процесі деформування.

За результатами випробувань найбільшу міжшарову міцність і границю міцності мають матеріали з режимом термообробки: відпалювання при 1770 К протягом 5 годин.

г). Двохшарові фільтруючі матеріали на основі нікелевої сітки з нікелевим покриттям. Матеріали одержані шляхом напилення на сітку з нікелевого дроту марки НП-2 порошку нікелю. З метою забезпечення необхідних механічних властивостей і характеристик пористості зразки термообробляли за різними режимами.

Зразки у вигляді стрічки довжиною 100 і шириною 5 мм при товщині 0,15 мм вирізали по відношенню до утка в семи різних напрямках через 15 градусів. В роботі досліджено 14 матеріалів і ткана сітка без напилення. Зразки матеріалів №№ 11…15 вирізали і випробували тільки вздовж утка і основи.

В результаті досліджень (рис.3) максимальна пластичність матеріалів сіток виявлена в напрямках 30…45 градусів по відношенню до утка, мінімальна пластичність вздовж основи. Найбільша міцність випробуваних матеріалів спостерігалася вздовж утка, мінімальна в межах 60…75 градусів по відношенню до нитки утка. Під час деформування при напрузі > 0,7в в матеріалах, що термооброблені у водні, в шарі порошку напиленого на сітку спостерігалися тріщини. В матеріалах, які термооброблені у вакуумі, тріщин не спостерігалося.

Анізотропія характеристик міцності найбільш близька феноменологічному критерію міцності Ашкеназі у формі поліному четвертого степеня, що описує межову криву зміни границі міцності в залежності від кута вирізки сітки для І октанта в координатах х у;

Найбільш оптимальне співвідношення властивостей пластичності і міцності мають матеріали відпалені у вакуумі, а найбільш перспективним матеріал термооброблений у водні при 1073 К протягом 60 хв. з наступним відпалюванням у вакуумі при 1173 К протягом 60 хв.

д). Дисперсні композиційні матеріали системи нікель синтетичні алмази. В процесі дослідження вирішували наступні завдання: вплив розміру частинок, що вводяться, на міцність композиції; вивчення зміни властивостей міцності композиту системи нікелева матриця синтетичні алмази розміром 315…400 мкм за введення більш дрібнодисперсної фази; визначення оптимального значення щільності струму осаджування матричного матеріалу; вплив способу осаджування дисперсної фази на міцність композиційного матеріалу.

На основі аналізу представлених залежностей можна зазначити, що міцність осаджуваного під час електрохімічного процесу нікелю з введенням зерен алмазів, що не зчеплюються, знижується. Зі збільшенням розміру зерна від 1 до 800 мкм міцність композиції зменшується від 750 до 50 Н/мм2 (рис.4). Додавання 15 об'ємних % дрібнодисперсної фази до композитної системи нікелева матриця синтетичні алмази розміром 315…400 мкм на властивості міцності практично не впливає.

Найбільш оптимальним, з точки зору міцності, є режим осаджування нікелю зі щільністю струму 2 А/дм2, а більш ефективною методика введення зерен з активним перемішуванням електроліту.

Висновки

1. Створені випробувальні засоби:

устаткування для вивчення механічних властивостей матеріалів на розтягування в діапазоні температур 290…3000 К і швидкостей деформування від 10-5 до 1 с-1;

устаткування для дослідження міцності композиційних матеріалів та їх компонентів на мікрозразках, а також фольг, стрічок, дротів, волокон і сіток в умовах нагрівання (290…2000 К), укомплектоване системою обробки експериментальних даних на базі інформаційно-вимірювального комплексу;

устаткування для випробування пластичних матеріалів на розтягування при нагріванні, що усуває зміщення в процесі деформації зразка середини його робочої частини відносно температурного поля нерухомо встановленого нагрівача і підвищує точність результатів (а. с. № 1522073);

устаткування для дослідження матеріалів і елементів конструкцій, в тому числі кільцевих зразків, розтягуванням в діапазоні температур від 290 до 2100 К (а. с. № 1749763);

пристрій для вимірювання вісьових та крутильних зусиль у якому перетворювачі сили містять компенсатори впливу температури і тиску охолоджувача (а. с. № 1268977);

пристрої для кріплення зразків, за допомогою яких визначаються властивості міцності ниткоподібних матеріалів, в тому числі крихких, в широкому діапазоні температур.

2. Для вивчення механічних властивостей розроблені методики:

випробування матеріалів розтягуванням або крученням при високих швидкостях деформування в широкому діапазоні температур. Спосіб підтверджено а. с. № 1089475;

дослідження металічних армуючих волокон на короткочасну міцність в інтервалі 290…2500 К, кріплення і вимірювання температури дротяних зразків;

високотемпературного дослідження міжшарового зсуву багатошарових металічних композиційних матеріалів;

випробувань розтягуванням кільцевих зразків з внутрішнім діаметром від 10 до 100 мм з металів, а також шаруватих і волокнистих металокомпозитів при температурі до 2000 К, яку стандартизовано (ДСТУ 2528);

дослідження жорсткості випробувальних машин під час високотемпературних досліджень матеріалів.

3. Вперше встановлені і досліджені температурні залежності міцності армуючих волокон із вилитого сплаву вольфраму марок ВРМК (діаметром 200 мкм) та ВРМКН (діаметром 275 мкм) і молібден-ренійових сплавів МР-10 (діаметром 115 мкм) та МР-47 ЗВП (діаметром 200 мкм) зонно-вакуумної плавки в інтервалах температур 290…1900 К. Встановлено, що температурні залежності характеристик міцності підпорядковуються експоненціальному закону, мають декілька областей і описуються, за виключенням зони дії динамічного деформаційного старіння, одним термоактиваційним рівнянням з термодинамічними та структурними параметрами, що дискретно змінюються і відповідають за міцність у відповідних інтервалах температур.

4. Встановлені і досліджені температурні залежності (290…1700 К) механічних властивостей при розтягуванні 9-ти і 13-ти шарових композиційних матеріалів системи Ti Nb з рівним об'ємним вмістом компонентів. Встановлено, що більш міцним є матеріал з більшою кількістю шарів, а серед матеріалів з однаковою кількістю шарів матеріал з більшим ступенем обтиску. Причому ця перевага спостерігається в температурному діапазоні до 900 К, а з подальшим підвищенням температури міцність матеріалів приблизно рівна. Найбільш пластичним в випробуваному діапазоні температур є дев'ятишаровий матеріал. Пластичність 13-ти шарового матеріалу майже однакова і не залежить від ступеню обтиску. Виключення складає відносне звуження, яке збільшується зі збільшенням ступеню обтиску. Значення величин границі міцності добре узгоджуються з рівнянням адитивності ("правило сумішей”) за виключенням області дії динамічного деформаційного старіння.

5. Вивчено міцність багатошарових композиційних матеріалів системи TiNb на зсув при високих температурах. Встановлено, що для досліджень на зсув необхідно використовувати симетричні зразки, які конструюються на стадії виготовлення шарового матеріалу і усувають згин в процесі деформування. З результатів видно, що найбільшу міжшарову міцність і границю міцності мають матеріали відпалені при 1770 К протягом 5 годин.

6. В результаті дослідження конструкційної міцності і пластичності нікелевих сіток розтягуванням встановлено, що:

максимальна пластичність матеріалів сіток виявлена в напрямках 30…45 градусів по відношенню до утка, мінімальна пластичність вздовж основи;

максимум міцності розглянутих матеріалів спостерігається вздовж утка, мінімум в межах 60…75 градусів по відношенню до нитки утка;

в матеріалах, які термооброблені у водні, під час деформування при напрузі > 0,7 в в шарі порошку напиленого на сітку спостерігалися тріщини. В матеріалах, які термооброблені у вакуумі, тріщин в процесі деформування не спостерігалося;

анізотропія характеристик міцності найбільш близька феноменологічному критерію міцності Ашкеназі у формі поліному четвертого степеня, що описує граничну криву зміни границі міцності в залежності від кута вирізки сітки для І октанта в координатах х у;

оптимальне співвідношення властивостей пластичності і міцності мають матеріали, що відпалені у вакуумі.

7. Виконано дослідження механічних властивостей дисперсних композиційних матеріалів системи нікель синтетичні алмази для відпрацювання технології їхнього одержання.

Міцність осаджуваного під час електрохімічного процесу нікелю з введенням зерен алмазів, що не зчеплюються, знижується. Зі збільшенням розміру зерна від 1 до 800 мкм міцність композиції зменшується від 750 до 50 Н/мм2. Додавання 15 об'ємних % дрібнодисперсної фази до композитної системи нікелева матриця синтетичні алмази розміром 315…400 мкм на властивості міцності практично не впливає.

Показано, що найбільш оптимальним, з точки зору міцності, є режим осаджування нікелю зі щільністю струму 2 А/дм2, а більш ефективною методика введення зерен з активним перемішуванням електроліту.

8. Методики та результати експериментальних досліджень впроваджені в ВІАМі (м. Москва), на Виксунському металургійному заводі, НВО "Композит” (ЦНДІМЗ підприємство п/я А-1147 м. Калінінград Московської обл.) та в Інституті надтвердих матеріалів НАН України з частковим сумарним одноразовим економічним ефектом дисертанта у розмірі 577 тис. крб. в цінах до 1988 р.

Основні положення дисертації опубліковано в наступних роботах:

1. Кращенко В.П., Рудницкий Н.П. Исследование конструкционной прочности и пластичности никелевых сеток // Пробл. прочности. 1983. № 1. С.77 80.

2. Кращенко В.П., Стаценко В.Е., Рудницкий Н.П. Исследование влияния жесткости испытательных машин на получаемые температурные зависимости характеристик прочности и пластичности // Пробл. прочности. 1984. № 9. С.81 85.

3. Кращенко В.П., Ластовец Ю.П., Рудницкий Н.П. Силоизмерительное устройство для высокотемпературных испытательных установок // Пробл. прочности. 1987. № 2. С.110 111.

4. Кращенко В.П., Ластовец Ю.П., Рудницкий Н.П. Установка для изучения механических свойств материалов в широком диапазоне температур и скоростей деформирования // Пробл. прочности. 1987. № 2. С.112 114.

5. Кращенко В.П., Рудницкий Н.П. Установка для определения механических характе-ристик тугоплавких материалов // Пробл. прочности. 1990. № 10. С.110 112.

6. Кращенко В.П., Прудников Е.Л., Рудницкий Н.П. Влияние дисперсности синтетических алмазов на механические свойства композиционного материала с никелевой матрицей // Пробл. прочности. 1991. № 4. С.87 89.

7. Кращенко В.П., Рудницкий Н.П. Приемы и испытательные средства для изучения механических свойств композитов в диапазоне температур от 290 до 3300 К // Завод. лаб. 1993. № 6. С.47 50.

8. ДСТУ 2528-94. Розрахунки та випробування на міцність. Метод випробування розтягуванням кільцевих зразків в умовах нагрівання / В.О. Борисенко, Ю.П. Ласто-вець, М.П. Рудницький. Чинний з 01.07.95. Київ: УкрНДІССІ, 1994. 10 с.

9. А. с.1089475 СССР, МКИ G 01 N 3/30. Способ динамического деформирования образца при растяжении или кручении / В.П. Кращенко, В.А. Борисенко, Н.П. Рудниц-кий (СССР). № 3541350/25-28; Заявлено 13.01.83; Опубл.30.04.84, Бюл. № 16. 2 с.

10. А. с.1268977 СССР, МКИ G 01 L 1/22, 5/16. Устройство для измерения силы и моментов, приложенных к испытуемому образцу / В.П. Кращенко, Ю.П. Ластовец, Н.П. Рудницкий (СССР). № 3865601/24-10; Заявлено 11.03.85; Опубл.07.11.86, Бюл. № 41. 3 с. ил.

11. А. с.1522073 СССР, МКИ G 01 N 3/18. Установка для испытания материалов на рас-тяжение при нагреве / В.П. Кращенко, Н.П. Рудницкий (СССР). № 4054240/25-28; Заявлено 14.04.86; Опубл.15.11.89, Бюл. № 42. 3 с. ил.

12. А. с.1749763 СССР, МКИ G 01 N 3/18. Установка для испытания на растяжение колец при нагреве / В.П. Кращенко, Н.П. Рудницкий (СССР). № 4843204/28; Заявлено 28.06.90; Опубл.23.07.92, Бюл. № 27. 5 с. ил.

13. Борисенко В.А., Кращенко В.П., Силаев А.Ф., Данилова О.П., Рудницкий Н.П. Механические свойства композиционных материалов на основе сеток из никеля // Тез. докл. V Всесоюзной конференции по композиционным материалам (выпуск I) (13-15 октября 1981 г., Москва). М.: МГУ. 1981. С.180181.

14. Борисенко В.А., Ластовец Ю.П., Рудницкий Н.П. Прочность металлических композиционных материалов и их компонентов при высоких температурах // Тез. докл. конф. "Конструирование и производство изделий из полимерных и металлических композиционных материалов” (18-20 мая 1993 г., г. Евпатория). Киев: Общество "Знание". 1993. С.64 65.

15. Борисенко В.А., Ластовец Ю.П., Рудницкий Н.П. Методы исследования прочност-ных свойств металлических композиционных материалов и их компонентов при высоких температурах // Тез. докл. Междунар. конф. "Композионные материалы. Технология и производство” (11-13 октября 1994 г., п. Песчаное, Крым). Киев: Общество "Знание" Украины. 1994. С.59.

16. Борисенко В.А., Грачева Л.И., Мишкин А.Н., Богомолов А.В., Бухановский В.В., Рудницкий Н.П. Методики и экспериментальное оборудование для исследования физико-механических свойств композиционных материалов в диапазоне температур 290…3300 К // Сб. аннот. докл. I Междунар. симп. "Передовые термические технологии и материалы" (22-26 сентября 1997 г., п. Кацивели, Крым). М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1997. С.157.

Анотації

Рудницький М.П. Методи випробувань і міцність металічних композиційних матеріалів при високих температурах. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 динаміка та міцність машин. Інститут проблем міцності НАН України, Київ, 1999.

Захищається 11 наукових робіт, 4 авторських свідоцтва та Державний стандарт України. Розроблено випробувальне обладнання для дослідження механічних властивостей металічних композиційних матеріалів (МКМ) та їх компонентів, в тому числі кільцевих конструктивних елементів, на основі тугоплавких матеріалів в широкому діапазоні температур та швидкостей деформування. Створені методики для високотемпературних досліджень розтягуванням міцності армуючих волокон за установлених і високих швидкостей деформування, міжшарового зсуву для багатошарових МКМ, кільцевих зразків, а також жорсткості випробувальних машин. Встановлено і узагальнено нові експериментальні дані досліджень властивостей міцності волокон, багатошарових МКМ, нікелевих сіток та композитів з нікелевою матрицею. Основні результати праці впроваджені у виробництво.

Ключові слова: випробувальне обладнання, методики, температура, міцність, деформативність, армуючі волокна, металічні композиційні матеріали, кільця, жорсткість, міжшаровий зсув

Рудницкий Н.П. Методы испытаний и прочность металлических композиционных материалов при высоких температурах. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 динамика и прочность машин. Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, 1999.

Защищается 11 научных работ, 4 авторских свидетельства и Государственный стандарт Украины, в которых содержатся основные результаты работы.

Цель работы установление и изучение закономерностей изменения свойств статической прочности металлических армирующих элементов, материалов матриц, металлических композиционных материалов (МКМ) и конструктивных элементов из них в условиях высоких температур.

Дисcертация состоит из вступления, четырех разделов, выводов, списка использованной литературы и приложения. Первый раздел посвящен рассмотрению наведенных в литературе данных об исследованиях механических свойств и общих закономерностей деформирования металлокомпозитов. Во втором разделе описаны созданные установки и устройства. Третий раздел содержит описание методик исследований механических свойств композитов и их компонентов растяжением. В четвертом разделе рассмотрены экспериментально определены закономерности влияния температуры на механические характеристики (МКМ) и их компонентов.

Основные результаты работы.

Созданы оригинальные испытательные средства и ряд приспособлений для изучения механических свойств металлических композиционных материалов и их компонентов (лент, волокон, сеток, матриц), в том числе кольцевых конструктивных элементов, на основе тугоплавких материалов в широком диапазоне температур и скоростей деформирования. Новизна и полезность выполненных разработок подтверждены тремя авторскими свидетельствами на изобретения.

Разработаны методики для исследований растяжением характеристик прочности армирующих волокон при температурах 290…2500 К и скоростях деформирования 10-5…1 с-1 и прочности кольцевых образцов в диапазоне 290…2100 К, а также межслоевого сдвига слоистых композиционных материалов в интервале температур 290…1900 К. Новизна и полезность методик подтверждены авторским свидетельством и разработанным государственным стандартом Украины.

Впервые установлены и исследованы температурные зависимости прочности армирующих волокон из сплава вольфрама марок ВРМК и ВРМКН (диаметром 200 и 275 мм) и молибден-рениевых сплавов марок МР-10 и МР-47 ЗВП (диаметром 115 и 200 мм) в интервалах температур 290…1900 К. Установлено, что температурные зависимости характеристик прочности подчиняются экспоненциальному закону, имеют несколько участков и описываются, за исключением зоны действия динамического деформационного старения, одним и тем же термоактивационным уравнением с термодинамическими и структурными параметрами, что изменяются дискретно и отвечают за прочность в соответствующих интервалах температур.

Установлены и исследованы температурные зависимости (290…1700 К) механических свойств 9-ти и 13-ти слойных композиционных материалов системы Ti Nb с равным объемным содержанием компонентов. Установлено, что более прочным является материал с большим количеством слоев, а среди материалов с одинаковым количеством слоев материал с большей степенью обжатия. Значения предела прочности хорошо согласуются с уравнением аддитивности ("правило смесей”) за исключением области действия динамического деформационного старения.

В результате исследования конструкционной прочности и пластичности фильтрующих материалов на основе никелевых сеток растяжением установлено, что: анизотропия характеристик прочности наиболее близка феноменологическому критерию прочности Ашкенази; оптимальное соотношение свойств пластичности и прочности имеют материалы, отожженные в вакууме.

Выполнено исследование механических свойств дисперсных композиционных материалов системы никель синтетические алмазы для отработки технологии их получения. С увеличением размера зерна от 1 до 800 мкм прочность композиции уменьшается от 750 до 50 Н/мм2. Добавка 15 об. % мелкодисперсной фазы в композитную систему никелевая матрица синтетические алмазы размером 315…400 мкм на прочностные свойства последней практически не влияет.

Впервые изучена прочность многослойных композиционных материалов системы Ti Nb на сдвиг при высоких температурах. Установлено, що для исследований на сдвиг необходимо использовать симметрические образцы, которые конструируются на стадии изготовления слоистого материала и устраняют изгиб в процессе деформирования.

Методики и результаты экспериментальных исследований внедрены в ВИАМе, на Выксунском металлургическом заводе, в НПО "Композит” и Институте сверхтвердых материалов с суммарным одноразовым долевым экономическим эффектом диссертанта в размере 577 тыс. руб. в ценах до 1988 г.

Ключевые слова: испытательное оборудование, методики, температура, прочность, деформативность, армирующие волокна, металлические композиционные материалы, кольца, жесткость, межслоевой сдвиг.

Rudnitsky N. P. Test methods and strength of metallic composite materials at high temperatures. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in speciality 05.02.09 - dynamics and strength of machines - Institute for Problems of Strength of the National academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1999.

11 scientific publications, 4 author's certificates and the State standard of Ukraine are defended. The testing equipment has been developed for investigating the mechanical properties of metallic composite materials (MCM) and their components, including ring-shaped structural elements on the basis of refractory materials, in a wide range of temperatures and strain rates. The procedures have been developed for high-temperature strength tests of reinforcing fibers in tension at predetermined and high strain rates, for the investigations of interlayer shift for laminated MCMs, circular specimens, and testing machine rigidity. New experimental data have been obtained and generalized on the investigation of the strength properties of fibers, laminated MCMs, nickel screens and nickel matrix composites. The main results of the work have been introduced into production.

Key words: testing equipment, procedures, temperature, strength, stress-strain behaviour, reinforcing fibers, metallic composite materials, rings, rigidity, interlayer shift.

Размещено на Allbest.ru

...