СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ
METHOD OF DETERMINATION OF ULTIMATE TENSILE STRENGTH OF DIELECTRIC MATERIALS DURING INDUCTION HEAT

Изобретение относится к методам определения механических характеристик диэлектрических материалов с учетом условий их применения.
Известен способ определения механических характеристик материала при нагреве образца электрическим нагревателем, расположенным вблизи поверхности образца, за счет чего возможно достижение температуры испытания 2500°C (Магнитский И.В., Пономарев К.А., Миронихин А.Н. Доработка и настройка установки для механических испытаний композиционных материалов при высоких температурах / Материалы XIX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Москва, ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» 14-18 ноября 2011 г.). Недостатком этого способа является применение нагревателей из графита, из-за чего испытания при температурах больше 650°C проводят в инертной среде, что не соответствует условиям эксплуатации материала.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения предела прочности при растяжении диэлектрических материалов за счет приближения условий испытания образца к эксплуатационным тепловым нагрузкам материала в изделии. Поставленная задача решается тем, что предложен способ определения предела прочности при растяжении диэлектрических материалов, включающий нагрев образца по заданному режиму, и определение его предела прочности при растяжении, отличающийся высокой скоростью нагрева за счет применения промежуточного металлического нагревательного элемента, имеющего тепловой контакт с испытываемым образцом и нагреваемого при помощи индукционного нагревателя.
Способ учитывает специфику применения материалов в изделиях с высокими тепловыми нагрузками и скоростями нагрева. В условиях эксплуатации материала в таких изделиях происходит динамический нагрев при скоростях нагрева 10-100°C/с до температуры начала деструкции при общем времени нагрева от нескольких десятков секунд до нескольких минут. Вследствие этого материал в условиях эксплуатации испытывает тепловые нагрузки меньшей длительности, чем в условиях механических испытаний образцов стандартными методами. При этом время выдержки материала при высокой температуре оказывает существенное влияние на его механические характеристики.
Сущность способа заключается в определении предела прочности при растяжении стандартных образцов при высокоинтенсивном индукционном нагреве промежуточного металлического нагревательного элемента, имеющего тепловой контакт с испытываемым образцом. Индукционный нагрев позволяет осуществлять быстрый нагрев промежуточного металлического нагревательного элемента с возможностью точного автоматического управления нагревом, что является существенным для реализации динамического нагрева по заданному режиму.
Изобретение поясняется конкретным примером определения предела прочности при растяжении диэлектрических материалов. Испытания проводят на испытательной машине, дополнительно оборудованной индукционным нагревателем 1 для нагрева металлических пластин 2, расположенных по обеим сторонам образца 3 (фиг.1). Температура образца контролируется в центре металлической пластины с помощью пирометра или термоэлектрического преобразователя, рабочий спай которого имеет надежный контакт с поверхностью пластины или приварен точечной сваркой.
Для испытаний применяются образцы по стандарту ГОСТ 11262-80 в виде пластин из композиционного материала размером 250×25 мм, толщиной от 2 до 6 мм. Рабочая зона образцов составляет 25 мм в центре образца. Для нагрева применяются металлические пластины размером 25×25 мм. Прочность при растяжении σ, кгс/мм определяется по формуле
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>P</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow>
,
где P - максимальная нагрузка при испытании на растяжение, кгс;
2
S - площадь поперечного сечения, мм.
На фиг.2, а показана расчетная конечно-элементная модель (1/4 часть) испытываемого образца. Из расчетов следует, что рекомендуемым режимом нагрева является выход на температуру испытаний 1000°C за 60 секунд с последующей выдержкой не менее 20 секунд (фиг.2, б). При таком режиме рабочая зона образца прогревается полностью и равномерно, а термические напряжения, возникающие в образце при нагреве, не превышают 3% от разрушающей нагрузки.
Эксперимент (фиг.3) показал хорошее соответствие с результатами расчетов - время выхода на температуру испытания 1000°C составляет ~50 с. Таким образом, рассматриваемая конструкция образца и системы нагрева позволяет осуществить имитацию температурного режима рабочей части образца, соответствующего изделию и корректно провести испытания образца при осевом растяжении.
На фиг.4 показана диаграмма деформирования образца при испытании на растяжение, а на фиг.5 представлен образец после проведения испытания. Разрушение образца произошло в середине рабочей зоны. Такой характер разрушения был зафиксирован на всех образцах, прошедших испытания, что говорит о хорошей воспроизводимости условий испытаний. Полученные результаты характеризуются низким разбросом значений прочности - до 8% при температуре испытаний 1000°C.
Данное техническое предложение позволяет приблизить условия испытания материала к эксплуатационным тепловым нагрузкам в изделиях, тем самым снизив погрешность определения механических характеристик.