Способ определения предела прочности при сжатии керамических и композиционных материалов при индукционном нагреве
METHOD FOR DETERMINING THE COMPRESSIVE STRENGTH OF CERAMIC AND COMPOSITE MATERIALS DURING INDUCTION HEATING

Изобретение относится к методам определения механических характеристик конструкционных материалов с учетом условий их применения.
Известен метод определения предела прочности при сжатии керамических и композиционных материалов при повышенной температуре (ГОСТ Р 57605-2017. Композиты керамические. Метод испытания на сжатие при повышенной температуре), включающий равномерный нагрев образца в испытательной герметичной камере и определение прочностных характеристик при сжатии.
Недостатком этого способа является нагрев образца материала в инертной среде или в вакууме, что не соответствует условиям эксплуатации керамических и композиционных материалов, используемых в современных высокотеплонагруженных изделиях авиационной и ракетной техники. Для таких изделий характерна работа в воздушной среде. Нагрев материала в инертной среде может повлиять точность определения прочностных характеристик вследствие химической или физической нестабильности материала в воздушной среде. Так же условия нагрева в печах сопротивления отличаются достаточно низкой скоростью нагрева (как правило, не более 10°C/мин), что не учитывает специфику применения этих материалов в высокотеплонагруженных элементах конструкций летательных аппаратов. Для этих изделий характерные скорости нагрева составляют порядка 10-100°С/с.
Задачей предлагаемого изобретения является определение предела прочности материала при сжатии в условиях, приближенных к эксплуатационным условиям изделий авиационной и ракетной техники.
Поставленная задача решается тем, что предложен способ определения предела прочности при сжатии керамических и композиционных материалов при индукционном нагреве, включающий нагрев образца и определение его предела прочности при сжатии, отличающийся тем, что нагрев образца проводят в воздушной среде со скоростью до 100°C/с посредством промежуточного нагревательного элемента из тугоплавкого электропроводящего материала с высокой окислительной стойкостью, нагреваемого индукционным нагревателем до температуры 200-1700°C, при этом образец располагают внутри нагревательного элемента.
Способ учитывает специфику применения материалов в изделиях с высокими тепловыми нагрузками и скоростями нагрева (10-100°С/с) в воздушной среде.
В качестве материала нагревателя могут быть использованы соединения на основе тугоплавких металлов, диборидов циркония и гафния, карбида кремния, силицидов молибдена и вольфрама, а также их различные комбинации.
Индукционный нагреватель позволяет осуществлять нагрев образца посредством промежуточного нагревательного элемента до 1700°С со скоростью нагрева до 100°С/с. Такие условия соответствуют условиям эксплуатации изделий. Размещая образец внутри промежуточного нагревательного, тем самым достигается прогрев образца на всю его высоту и толщину с высоким темпом.
Нагревательный элемент располагается на теплоизолирующей подложке, одетой на нижний пуансон, для исключения прямого теплового контакта с материалом испытательной оснастки.
Изобретение поясняется схемой определения предела прочности при сжатии конструкционных материалов, представленной на фиг. 1.
Образец 1 располагается внутри промежуточного нагревательного элемента 2 из высокотемпературной проводящей керамики с высокой окислительной стойкостью (диборида гафния). Испытания проводят на испытательной машине с индукционным нагревателем в виде индукционной катушки 3. Образец располагается между верхним 4 и нижним пуансонами 5, изготовленными из алюмооксидной керамики, а промежуточный нагревательный элемент располагается на теплоизолирующей подложке 6, изготовленной теплоизоляционного материала на основе оксида алюминия для исключения прямого теплового контакта с элементами испытательной оснастки.
Температура образца контролируется при помощи пирометра или термоэлектрического преобразователя.
Произведен расчет распределения температур в образце при нестационарном нагреве при помощи программного пакета ANSYS. Расчетной оценке подлежали следующие характеристики:
- необходимая длительность выдержки при скорости нагрева 10°C/с до достижения стационарного режима нагрева (фиг. 2);
- необходимая длительность выдержки при скорости нагрева 100°C/с до достижения стационарного режима нагрева (фиг. 3);
- распределение температур в образце (фиг. 4).
Расчет распределения температуры в образце, размещенном внутри промежуточного нагревательного элемента, проводился для скоростей нагрева 10°C/с и 100°C/с, который показал, что при последующей изотермической выдержке в 200 секунд перепад температур по толщине образца в условиях стационарного нагрева не превышает 20 градусов при температуре поверхности образца 1700°C, что составляет около 1%. Таким образом установлено, что изотермической выдержки в 200 сек. при температуре испытаний 1700°C достаточно для достижения равномерного прогрева образца.
сж
Предел прочности при сжатии σ, МПа определялся по формуле:
где  - разрушающая нагрузка,Н;
2
- площадь поперечного сечения, мм.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет определить с минимальными погрешностями предел прочности материала при сжатии в условиях, приближенных с эксплуатационным.