Способ определения модуля упругости при растяжении керамических и композиционных материалов при индукционном нагреве
METHOD FOR DETERMINING THE TENSILE MODULUS OF CERAMIC AND COMPOSITE MATERIALS DURING INDUCTION HEATING

Изобретение относится к методам определения деформационных (механических) характеристик конструкционных материалов с учетом условий их применения.
Известен метод определения предела прочности и модуля упругости при растяжении керамических и композиционных материалов при повышенной температуре (ГОСТ Р 57706-2017. Композиты керамические. Метод испытания на растяжение при повышенной температуре), включающий равномерный нагрев образца в испытательной герметичной камере и его растяжение c последующим определением прочностных и деформационных характеристик.
Недостатком этого способа является то, что определение модуля упругости материала при растяжении в инертной среде или вакууме при его нагреве испытательной камере не соответствует тепловым условиям эксплуатации некоторых высокотемпературных керамических и композиционных материалов, работающих в современных высокотеплонагруженных изделиях авиационной и ракетнокосмической техники. Для таких изделий характерна работа в воздушной среде. Испытания в инертной среде могут повлиять на измеряемые деформационные характеристики вследствие химической или физической нестабильности материала в воздушной среде. Также условия нагрева материала в таких испытательных камерах отличаются достаточно низкой скоростью нагрева (как правило, не более 10 °С/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 повышение точности определения модуля упругости при растяжении керамических и композиционных материалов за счет приближения условий испытания изделий к эксплуатационным тепловым нагрузкам.
Поставленная задача решается тем, что предложен способ определения модуля упругости при растяжении керамических и композиционных материалов при индукционном нагреве, включающий нагрев образца до заданной температуры, его растяжение и определение модуля упругости, отличающийся тем, что нагрев образца выполняют со скоростью нагрева 10-100 °С/с посредством промежуточного нагревательного элемента из тугоплавкого электропроводящего материала, установленного вблизи образца, и нагреваемого индукционным нагревателем, измеряют деформацию образца бесконтактным лазерным экстензометром, размеры рабочей зоны которого совпадают с размерами зоны нагрева, по величине которой определяют модуль упругости материала.
Способ учитывает специфику применения материалов в изделиях с высокими тепловыми нагрузками и скоростями нагрева (10 - 100°С/с) в воздушной среде.
Определение деформации при растяжении образца выполняют путем измерения деформации бесконтактным лазерным экстензометром, размеры рабочей зоны которого совпадают с размерами зоны нагрева. В качестве материала промежуточного нагревательного элемента могут быть использованы соединения на основе диборидов циркония и гафния, карбида кремния, силицидов молибдена и вольфрама, а также их различные комбинации. Индукционный нагреватель позволяет осуществлять быстрый нагрев промежуточного нагревательного элемента.
Индукционный нагреватель в виде индукционной катушки покрыт графитовой смесью для того, чтобы минимизировать паразитные отражения от нее на образец и, в таком случае, лазерная система экстензометра регистрирует только специально установленные метки на образце.
Безконтактный лазерный экстензометр позволяет измерять деформацию в рабочей зоне образца в широком диапазоне температур. При этом его измерительная часть может находиться на удалении не менее одного метра от индуктора, что исключает влияние мощного высокочастотного поля-индуктора, а также высокой температуры промежуточных нагревательных элементов.
Изобретение поясняется конкретным примером определения модуля упругости при растяжении композиционного материала на основе построенной диаграммы деформирования образцов при различных температурах, представленных на фиг.1.
Испытания проводят на испытательной машине, которая представлена на фиг.2. Испытательная машина 1 дополнительно оборудована индукционным нагревателем 2 для нагрева промежуточного нагревательного элемента 3 из высокотемпературной проводящей керамики в форме пластин и бесконтактным экстензометром 4 для регистрации деформационных характеристик. Температура образца контролируется при помощи пирометра 5.
2
3
Объектом исследования был выбран образец 6 из композиционного материала ХАФСкв (ТУ 1-596-559-2020), изготовленный методом контактного формования из алюмохромфосфатного связующего с добавлением порошка AlO, которое наносится на кварцевую ткань.
Испытания на растяжение проводились на установке УТС-111 при температурах 800, 900, 1100, 1200, 1300 °С. Скорость нагружения 5 мм/мин. Контроль температуры проводился пирометром Modline 5 частичного излучения. Скорость нагрева составляла 10°С/сек. По достижении необходимой температуры производилась изотермическая выдержка в течение 100 сек. После изотермической выдержки проводилось испытание на растяжение.
Модуль упругости при растяжении E ГПаопределялся по полученным данным кривой деформирования и рассчитывался по формуле:
,
P
Н
где  - максимальная нагрузка при испытании на растяжение, ;
S
мм
2
- площадь поперечного сечения рабочей зоны образца, ;
l
0
- измерительная база, мм;
l
- продольная деформация на «кривой деформирования», мм.
В таблице представлены результаты определения модуля упругости при растяжении образца из материала ХАФСкв при различных температурах.
Таблица
T, °C
Е, ГПа
800
13
900
11
1100
11
1200
6
1300
5
Также был произведен расчет распределения температур в образце при нестационарном нагреве при помощи программного пакета ANSYS. Расчетной оценке подлежали следующие характеристики:
1 - условие достижения стационарного режима нагрева, необходимая длительность выдержки (Фиг.3);
2 - распределение температур в образце (Фиг.4).
Расчет показал, что длительность выдержки на уровне 200 секунд достаточна для достижения стационарного режима нагрева. Расчет распределения температуры в образце показал, что перепад температур по толщине слоя в условиях стационарного нагрева не превышает 10 градусов вплоть до температуры поверхности образца до 1800 °C.
На фиг.5 представлены образцы после проведения испытания.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществить динамический нагрев рабочей части образца по заданному режиму, и тем самым обеспечить имитацию температурного режима, соответствующего эксплуатации изделий авиационной и ракетно-космической техники, и корректно провести испытания образца при осевом растяжении для определения деформационных характеристик.