АКАДЕМИЯ НАУК ЛАТВИЙСКОЙ ССР

механика

композитных

материалов

Март — апрель

Журнал основан в 1965 г. Выходит 6 раз в год

МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, № 2, с. 195—199

УДК 539.3:677

В.С. Ерасов, Е. Н. Пирогов, В. П. Конопленко, В. А. Акимкин,

А.П. Марухин, А. М. Цирлин, Е. А. Щетилина, Н. М. Балагурова

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НИТЕЙ БОРА

Известно, что процессы получения борных нитей и композитных ма­ териалов, в которых нити используются в качестве армирующего напол­ нителя, проходят при повышенных температурах. Поэтому для изучения и совершенствования этих процессов необходимо знание температурных зависимостей механических характеристик и структуры борных волокон. До настоящего времени из-за методических трудностей испытаний хруп­ ких нитей малого диаметра при повышенной температуре основное вни­ мание уделялось изучению их свойств в нормальных условиях. Это дало возможность провести широкие исследования только по влиянию от­ жига на механические характеристики борных нитей [1]. Работы, свя­ занные с изучением температурных зависимостей временного сопротив­ ления и модуля упругости Е борных волокон, немногочисленны [2—6], и их результаты не во всем согласуются друг с другом, что говорит о необ­ ходимости дальнейших исследований в данном направлении.

В настоящей статье представлены результаты исследования темпера­ турных зависимостей временного сопротивления, модуля упругости Е и максимальной остаточной деформации борных нитей без покрытия и нитей с покрытием из карбида кремния.

Испытанию были подвергнуты борные нити без покрытия диаметром 96 мкм и нити с покрытием из карбида бора диаметром 98 мкм. Толщина карбидного покрытия

инициируют разрушение. Преобладающими становятся поверхностные дефекты и дефекты на границе раздела борного слоя и подложки. В мес­ тах разрушения могут присутствовать и радиальные трещины, но они не инициируют разрыв образца. По-видимому, нагрев приводит к перерас­ пределению внутренних напряжений таким образом, что сжимающие напряжения в поверхностных слоях и на границе раздела уменьшаются. Это при наличии дефектов на поверхности волокон и границе раздела должно увеличить долю изломов с данными дефектами. Из-за неболь­ шого объема выборки при каждой температуре испытания (10—18 об­ разцов) результаты фрактографического анализа следует рассматривать как ориентировочные. По этой причине можно предположить, что слабая зависимость временного сопротивления от температуры в интервале 293—873 К связана в основном с изменением внутренних напряжений, вызывающих в свою очередь изменение спектра дефектов, ответственных за разрушение волокон.

Выше 873 К влияние температуры испытания начинает проявляться в снижении временного сопротивления. В интервале 873—973 К появля­ ются следы остаточной деформации (см. рис. 1), которая при дальней­ шем повышении температуры испытания быстро растет и достигает своего максимума 5,6% при 1073 К. Затем с повышением температуры величина остаточного удлинения падает и при 1273 К становится равной 0. При температуре выше 1273 К в местах разрушения волокон видны следы взаимодействия на границе между сердечником и оболочкой, а также следы коррозии на поверхности волокон. Разрушение волокон выше 973 К инициируют главным образом поверхностные дефекты, что связано как с увеличением коррозионного взаимодействия на поверх­ ности волокон и возросшим отрицательным влиянием перераспределения внутренних напряжений, так и с изменением структуры бора и боридов при высоких температурах испытания. Совокупность этих процессов, их усиление при высоких температурах, особенно изменение структуры во­ локон, приводят к резкому падению прочности и остаточного удлинения волокон.

Температурные зависимости временного сопротивления и максималь­ ного остаточного удлинения борных нитей с покрытием из карбида крем­

\

на испытанных образцах видны следы взаимодействия на поверхности и границе между сердечником и оболочкой. Причина взаимодействия, ве­ роятно, та же, что у волокон без покрытия.

Изменение характера зависимости временного сопротивления от тем­ пературы волокон бора с покрытием из карбида кремния по сравнению с зависимостью для волокон без покрытия, по-видимому, связано как с влиянием хрупкого покрытия на прочность борных волокон [8], так и с изменением распределения внутренних напряжений в волокне, вызван­ ного температурной обработкой при нанесении покрытия.

Остаточные деформации появляются при температуре ^873 К, до­ стигают максимума 1,6% при 1073 К (аналогично волокнам без покры­ тия) и в дальнейшем уменьшаются с повышением температуры испыта­ ния до 0,5% при 1373 К.

Влияние температуры на величину статического модуля упругости волокон с покрытием и без него представлено на рис. 4.

Для каждого вида волокон было проведено испытание трех образцов. Экспериментальные данные показывают, что модуль упругости с ростом температуры уменьшается по линейному закону во всем исследованном диапазоне температур. Обработка совокупности всех данных для каж­ дого вида волокон по методу «наименьших квадратов» дала следующие эмпирические зависимости величины модуля упругости от температуры:

где Т — температура в кельвинах.

Из соотношений (1) и (2) видно, что вид зависимости модуля упру­ гости от температуры для волокон с покрытием и без него аналогичен. Разница в величине свободного члена находится в пределах погрешности определения Е, равной 12%.

Выводы. 1. В температурном диапазоне 293—873 К борные нити с по­ крытием из карбида кремния и без него деформируются упруго, сохра­ няя при этом достаточно высокие значения прочностных характеристик.

2.Остаточная деформация появляется в интервале температур 873—973 К и достигает своего максимума при 1073 К. Постепенное охрупчивание материала при дальнейшем росте температуры вызвано его коррозией и изменением структуры.

3.Анализ изменения временного сопротивления и дефектов, иниции­ рующих разрушение волокон, с повышением температуры показал, что

вдиапазоне 293—873 К зависимость прочности от температуры опреде­ ляется в основном перераспределением внутренних напряжений, в интер­

вале 873—1473 К — коррозией и структурными изменениями, проходя­ щими в борных волокнах.

4. Модуль упругости исследованных волокон с ростом температуры уменьшается по закону, близкому к линейному, в интервале температур 293—1473 К. Получены эмпирические зависимости величины модуля от температуры.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Светлов И. Л., Л свинский Ю. В., Зайковская Т. Б. Влияние термической обра­ ботки на прочность волокон бора. — В кн.: Композиционные металлические материалы. М., 1972, с. 91—95.

2. Анциферов В. Н., Жигач А. Ф., Людаговский А. В., Рабинович А. И., Цирлин А. М. Исследование физико-механических свойств борных нитей без покрытия и с покрытием из карбида кремния при высоких температурах. — Механика полимеров,

4.Thornton H. R. Fabrication of metal matrix composite materials. — J. Composite Materials, 1968, vol. 2, N 1, p. 32—42.

5.Светлов И. Л., Чубаров В. М., Булыгина Т. И. Прочность при растяжении од­ нонаправленного боралюминиевого композиционного материала. — В кн.: Композици­ онные металлические материалы. М., 1972, с. 82—90.

6.Лифшиц Дж. М. Замедленное разрушение волокнистых композитов. — В кн.: Композиционные материалы. Разрушение и усталость. Т. 5. М., 1978; с. 267—332.

7.Ерасов В. С., Пирогов Е. Н., Конопленко В. П. Установка для испытания на растяжение армирующих волокон при повышенных температурах. — Завод, лаб., 1980,

N° 6, с. 555—556.

8. Устинов Л. М. Влияние хрупких покрытий на прочность борных волокон. — Фи­ зика и химия обработки материалов, 1979, N° 5, с. 82—86.

Московский инженерно-физический институт Поступило в редакцию 26.05.81

Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений, Москва

должны удовлетворять уравнению равновесия

дд

-Т—ТXZ + —— Т1/2 = 0.

ох ду

Система уравнений (1)—(3) записана для матрицы. Соответствующая система для волокон отличается от данной лишь значениями модулей в законе упругости (2). Все величины, относящиеся к волокнам, в даль­ нейшем будем снабжать индексом «О».

При исследовании краевой задачи, включающей уравнения (1)—(3), ограничимся такими ее решениями, которые обеспечивают одинаковое напряженное состояние в волокнах. В этом случае условия сопряжения матрицы с волокнами достаточно выполнить для одного произвольного волокна. Поэтому представим их в виде

где р, ф — полярные координаты, соответствующие декартовой системе Оху, показанной на рисунке.

Переформулируем краевую задачу (1)—(4), введя функцию напря­ жений Ф (х,у):

(5)

Уравнение равновесия (3) при этом удовлетворяется тождественно. Вы­ разив из (2) деформации через производные от функции напряжений и

подставив результат в уравнение совместности деформаций - ^ у уг—

дп

—-Qjj v^z==0, приходим к уравнению

комплексное перемещение выражается через функцию напряжений ра­ венством

Для записи условий (4) через функции напряжений заметим прежде всего, что TPZ= cos (pXxz+ sin фт^г, а это с учетом (5) преобразуется к виду

ние уравнения (6) с фиксированными действительными постоянными В и С. Таким образом, задача свелась к интегрированию уравнения (6) в бесконечной области, занятой композитной средой, с выполнением усло­ вий (8).