Способ определения предела прочности при растяжении керамических и композиционных материалов при индукционном нагреве
METHOD OF DETERMINING ULTIMATE TENSILE STRENGTH OF CERAMIC AND COMPOSITE MATERIALS DURING INDUCTION HEATING

Изобретение относится к методам определения механических характеристик конструкционных материалов с учетом условий их применения.
Известен способ определения предела прочности при растяжении диэлектрических материалов при индукционном нагреве (патент РФ №2538419, МПК G01N 3/18, от 06.08.2013), включающий индукционный нагрев образца до заданной температуры посредством промежуточных металлических элементов и определение предела прочности при растяжении образца.
Недостатком этого способа является применение металлических нагревателей, вследствие этого испытания ограничиваются температурами не более 1300°С, что не соответствует тепловым условиям эксплуатации некоторых высокотемпературных керамических и композиционных материалов в современных высокотеплонагруженных изделиях авиационной и ракетнокосмической техники.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения предела прочности при растяжении керамических и композиционных 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 керамических и композиционных материалов, включающий индукционный нагрев до заданной температуры со скоростью 10-100°С посредством промежуточного нагревательного элемента и определения предела прочности при растяжении образца, отличающийся тем, что нагрев образца осуществляют промежуточным нагревательным элементом из тугоплавкого проводящего материала нагреваемого индукционным нагревателем до температуры 1300-1700°С.
Способ учитывает специфику применения материалов в изделиях с высокими тепловыми нагрузками и скоростями нагрева (10-100°С/с).
Сущность способа заключается в определении предела прочности при растяжении образцов при высокоинтенсивном индукционном нагреве промежуточного нагревательного элемента изготавливаемого из тугоплавкого проводящего материала. В качестве материала нагревателя могут быть использованы соединения на основе диборидов циркония и гафния, карбида кремния, силицидов молибдена и вольфрама, а также их различные комбинации. Промежуточный нагревательный элемент может использоваться как в условиях термического контакта с испытываемым образцом, так и без него. Индукционный нагрев позволяет осуществлять быстрый нагрев нагревательного элемента с возможностью точного автоматического управления нагревом, что является существенным для реализации динамического нагрева по заданному режиму изделия.
Изобретение поясняется конкретным примером определения предела прочности при растяжении конструкционных материалов. На фиг. 1 показано, что испытания проводят на испытательной машине 1, дополнительно оборудованной индукционным нагревателем 2 для нагрева промежуточного нагревательного элемента из высокотемпературной проводящей керамики (в частности диборида гафния) в форме трубки 3. Температура образца контролируется при помощи пирометра или термоэлектрического преобразователя 4.
2
3
2
2
3
Объектом исследования был выбран композиционный материал 8 (фиг. 2), изготовленный методом контактного формования из алюмохромфосфатного связующего с добавлением порошка АlO, которое наносится на кварцевую ткань (материал ХАФСкв). Испытания на растяжение проводились на установке ИР5047-50 при температурах 1100, 1200, 1300, 1500°С. Скорость нагружения 5 мм/мин. Испытывалось по 5 образцов на каждую температурную точку. Контроль температуры проводился пирометром Modline 5 частичного излучения. На фиг. 2 видно как между захватами 5 помещался нагреватель 6 из HfB, помещенный в теплозащиту 7 из пористого АlO. Скорость нагрева составляла 10°С/сек. По достижении необходимой температуры производилась изотермическая выдержка в течение 180 сек. После изотермической выдержки проводилось испытание на растяжение.
Прочность при растяжении σ, МПа определяется по формуле
где Р - максимальная нагрузка при испытании на растяжение, Н;
S - площадь поперечного сечения рабочей зоны образца, мм. В таблице 1 представлены результаты определения прочности при растяжении ХАФСкв при различных температурах.
На фиг. 3 представлены образцы после проведения испытания. Полученные результаты характеризуются низким разбросом значений прочности - до 10% при температуре испытаний до 1500°С.
Так же, был произведен расчет распределения температур в образце при стационарном и нестационарном нагреве при помощи ANSYS Fluent. Геометрия задачи и элементная сетка приведены на фиг. 4, где 9 - воздух, 10 - теплоизоляция, 11 - образец (1/2 часть), 12 - металлические неохлаждаемые захваты, 13 - нагревательный элемент. Для границ расчетных областей введены следующие обозначения: 14 - граница теплоизоляция-воздух, 15 - ось симметрии задачи, 16 - образец-воздух, 17 - захваты-воздух, 18 - внешняя граница расчетной области для воздуха, 19 - нагреватель - воздух, 20 - внешняя граница расчетной области для захватов.
Расчетной оценке подлежали следующие характеристики: условия достижения стационарного режима нагрева, необходимая длительность выдержки (Фиг. 5). Распределение температур в образце видно на фиг. 6.
Расчет показал, что длительность выдержки на уровне 180 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 ~1700°С. Оценка термических напряжений возникающих в образце показала, что их относительная доля при испытании образцов не превышает 2%.
Таким образом, рассматриваемая конструкция образца и системы нагрева позволяет осуществить динамический нагрев рабочей части образца по заданному режиму, и тем самым обеспечить имитацию температурного режима соответствующего изделию и корректно провести испытания образца при осевом растяжении.
Данное техническое предложение позволяет приблизить условия испытания керамических и композиционных материалов к тепловым условиям эксплуатации современных высокотеплонагруженных изделиий авиационной и ракетнокосмической техники.