книги из ГПНТБ / Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами

Рис. 52. Кривые ползучести САП-1 (а) и САП-1 + 5,7 об.% Х18Н10Т (6) при

температуре 350° С

5 кГ/ мм2.

Микроструктурные исследования композиций показали, что в процессе нагружения материала при температуре 350° С в течение 330 ч и при температуре 450° С в течение 150 ч не происходит обра­ зования интерметаллидных соединений, что указывает на стабиль­ ность структуры композиции и отсутствие химического взаимодей­ ствия на границе раздела между волокнами и материалом матрицы при данных температурах.

Увеличение температуры до 500° С сопровождается образова­ нием переходной интерметаллидной прослойки толщиной 7 мкм, микротвердость которой составляет 1000 кГ/мм2 (рис. 53, ^.У вели ­ чение времени выдержки композиции от 1,5 до 49 ч при той же тем­ пературе приводит к утолщению интерметаллидного слоя до ЗБмкм (рис. 53, б), а при длительности 53 ч толщина интерметаллидного слоя составляет 42 мкм (рис. 53, в). При этом наблюдается образова­ ние трещин в интерметаллидном слое.

Г. Исследование свойств материала САП-1 и композиций на его основе при динамическсм растяжении

Для проведения испытаний образцы вырезались из листовых за­ готовок толщиной 1,5 мм. В качестве арматуры применялась не­ ржавеющая сталь Х18Н10Т с объемным содержанием 5,7%. Перед испытанием на растяжение образцы размечались на специальном приспособлении нанесением рисок с шагом 5 мм. Расстояния между рисками до и после испытаний замерялись на универсальном инст­ рументальном микроскопе УИМ-21 с точностью 0,01 мм.

Пластичность материалов оценивалась вычислением относитель­ ного бІ0, равномерного 6 Р и сосредоточенного 6 Шудлинений. Полное относительное удлинение определялось по расчетной длине образца,

128

в — / — 53 ч

равной 80 мм, как отношение абсолютного удлинения расчетной длины образца после растяжения к первоначальной его длине. Рав­ номерное относительное удлинение вычислялось на отрезке длиной 25 мм, отложенном от края расчетной длины большей части разор­ ванного образца по формуле

0р= /кР ~ /ор. -1 0 0 %,

Рис. 54. Установка для динамического растяжения образцов

где /0р — начальная длина участка, на котором определялось рав­ номерное относительное удлинение; /кр — конечная длина этого же участка после разрыва.

Сосредоточенное относительное удлинение 6 Шопределялось в зо­ не развитой шейки на базе 15 мм.

Описание установки для динамического растяжения образцов. Статические испытания образцов на растяжение со скоростью 0,2 см!мин производились на 10-тонной машине «Инстрон». Для получения больших скоростей деформирования применялась уста­ новка, разработанная в Белорусском политехническом институте. Энергоносителем в ней является порох. В установке использован принцип непосредственного воздействия на подвижной захват (пор­ шень) расширяющихся пороховых газов. Она компактна и проста в изготовлении, надежна в эксплуатации, позволяет регистриро­ вать процесс растяжения в координатах усилие — время с помощью осциллографа.

На рис. 54 представлена принципиальная схема (а) установки и ее общий вид (б). В цилиндре 3, связанном резьбовым соединением

130

с основанием 2, перемещается поршень 4. В шток завинчивается подвижной захват 6. Образец 7 через неподвижный захват 8 со­ единен с динамометром 9, который через сферическую гайку 11 опи­ рается на сферическую шайбу 10. Гайка и шайба предназначены для установки образца без перекоса. Шайба опирается на стакан 5, соединенный резьбой с цилиндром. Крышка 13 через резиновую прокладку 12 устраняет осевое перемещение гайки с динамомет­ ром. В нижней части цилиндра и в основании выполнены отверстия для выхода воздуха. Для смягчения удара поршня на дно основа­ ния укладывается резиновая прокладка 1. Сбоку в цилиндре закреп­ ляется взрывное устройство 15, на конце которого расположен капсюль «Жевело». Через кронштейн 18 к взрывному устройству крепится электромагнит 17, якорь которого соединен с рабочей чекой 16 взрывного устройства. Рабочая чека и предохранитель­ ная 19 вставлены в отверстия бойка 20, при ударе которого про­ исходит воспламенение капсюля. Боек приводится в движение пружиной, расположенной во взрывном устройстве. Заряд поро­ ха 14 в бумажной оболочке устанавливается на торце поршня на­ против капсюля. Скорость деформирования регулируется изме­ нением заряда пороха и объемом камеры сгорания.

14 г; максимальное усилие 16000 кГ\ высота — 600 лиг, диаметр основания — 255 лиг, вес установки — 16 кг.

Установка позволяет производить испытания со скоростью де­ формирования 0,1—6,0 м/сек. После сборки установки и полной ее готовности вынимается предохранительная чека. При включе­ нии записи на осциллограф срабатывает электромагнит, соединен­ ный с электросхемой осциллографа, и выдергивает рабочую чеку. Боек ударяет по капсюлю; последний воспламеняет заряд пороха. Расширяющиеся пороховые газы создают в цилиндре за короткий промежуток времени значительное давление, которое заставляет поршень перемещаться вниз. Перемещение поршня приводит к де­ формации и разрушению образца. Усилие, прилагаемое к образцу, передается динамометру с наклеенными на нем проволочными тензо­ датчиками, с помощью которых величина усилия фиксируется на осциллографе.

Осциллографирование процесса динамического растяжения и определение прочностных характеристик образцов. Измерение уси­ лий деформирования образцов производилось при помощи спе­ циальной тензометрической аппаратуры и упругого динамометра с датчиками сопротивления. Блок-схема аппаратуры, предназна­ ченной для записи диаграммы растяжения в координатах усилие — время, представлена на рис. 55.

Датчики являются плечами уравновешенного моста. Два рабо­ чих датчика наклеивались вдоль оси динамометра, а два компен­ сационных выводились отдельно. Упругий динамометр изготав-

5* 131

-220

Рис. -55. Блок-схема аппаратуры для записи диаграмм Р = / (/)

/ — стабилизирующий блок питания; 2 — усилитель ТА -5; 3 — упр угий динамометр; 4 — электромагнит; 5 — осциллограф Н-102

ливался из стали 65Г и обрабатывался термически до твердости HRC 45—50. После термообработки участок динамометра, пред­ назначенный для наклейки датчиков, шлифовался. Рабочий диа­ метр динамометра рассчитывался так, чтобы максимальное разрыв­ ное усилие испытываемых образцов вызывало только упругую деформацию динамометра. Допустимое напряжение в рабочей части динамометра составляло 35—40% от предела текучести стали 65Г. Наклеивание датчиков и последующая термическая обработка динамометра с датчиками проводилась, согласно общепринятым рекомендациям, по наклейке проволочных тензодатчиков. Для предохранения от повреждений участок динамометра с датчиками заливался парафином и покрывался защитной оболочкой.

Выходные клеммы измерительного моста с помощью экрани­ рованного кабеля подключались к усилителю типа ТА-5. Сигнал, усиленный усилителем, подавался с проволочных датчиков на осциллограф типа Н-102. От блока питания, соединенного экрани­ рованным кабелем с усилителем, подавался постоянный ток на измерительный мост и разбаланс моста. Усилие, возникающее при растяжении образца, вызывает упругую деформацию динамометра, которая преобразуется датчиками в электрический сигнал, фикси­ руемый осциллографом на чувствительную пленку. Скорость дви­ жения пленки составляла 2 0 0 0 мм/сек.

132

Для определения изменения усилия во времени использовался отметчик времени с частотой 500 гц, с помощью которого на пленке записывалась синусоида с той же частотой.

По результатам обработки осциллограмм определялись предел текучести оу и временное сопротивление сгв. Вычислялась также величина истинного предела прочности апч, не зависящая от фор­ мы и размера образцов и связанная с интенсивностью напряже­ ний оу и деформаций е,- уравнением

/ da, \

<3пч —• (іе т ) = °в^ — öp)>

где бр — равномерное относительное удлинение.

По осциллограммам определялись также временные характе­ ристики процесса деформации: общее время та0щ, время дости­ жения максимальной нагрузки тм, время достижения предела текучести тт и время, в течение которого происходила пластиче­ ская деформация образца тПл — тм — тх. После этого вычислялась скорость деформации по уравнению

б„

в = —— Мсек.

"’'п л

Влияние скорости деформации на пластические характеристики.

Результаты исследования изменения характеристик пластичности (относительного равномерного бр, полного б1 0 и относительного сосредоточенного удлинения 6 Ш) в зависимости от скорости де­ формации представлены на рис. 56 и 57 для материала САП-1

висходном состоянии при испытании образцов, вырезанных вдоль

ипоперек направления прокатки, а на рис. 58 — для образцов материала САП-1 после импульсного нагружения.

Общим для приведенных зависимостей является то, что харак­

теристики пластичности плавно увеличиваются с ростом скорости деформации.

При испытании образцов из материала САП-1, вырезанных вдоль направления прокатки, со скоростью деформации 65 Мсек равномерное относительное удлинение бр повышается на 43%, относительное б1 0 — на 63%, а сосредоточенное 5Ш— на 11,5%.

Аналогично изменяются пластические характеристики образ­ цов материала САП-1, вырезанных поперек направлений прокат­ ки. При скорости деформации 65 Мсек относительное б1 0 и равно­ мерное бр удлинения возрастают по сравнению со статическими значениями на 65 и 46% соответственно. Величина сосредоточен­ ной деформации бш при той же скорости повышается по сравнению со статическим значением на 1 1 ,8 %.

Повышение скорости деформации до 132 Мсек при испытании образцов, вырезанных вдоль направления прокатки (см. рис. 56), приводит к увеличению равномерного удлинения на 72%, относи­ тельного— на 90% и удлинения в шейке — на 12,5%.

133

Рис. 56. Зависимость характеристик пластичности материала САП-1 от скорости деформации (образцы вырезаны вдоль направления прокатки)

Рис. 57. Зависимость характеристик пластичности материала САП-1 от скорости деформации (образцы вырезаны поперек направления прокатки)

<?%

Б

3

Рис. 58. Зависимость характеристик пластичности от скорости деформации материала САП-1 после импульсного нагружения

Рис. 59. Зависимость характеристик пластичности от скорости деформации САП-1, армированного 5,7 об.% стальной проволоки

С ростом скорости деформации интенсивно увеличиваются также характеристики пластичности материала САП-1 после импульс­ ного нагружения (см. рис. 58). При скорости 141 Мсек равномер­ ное удлинение в 2 , 2 раза больше, чем равномерное при статическом растяжении, относительное — в 2,5 раза, а сосредоточенное — в 1,37 раза.

Из представленных данных следует, что наиболее интенсивно повышаются с ростом скорости деформации относительное и равно­ мерное удлинения. Значительно менее чувствительна к скорости характеристика сосредоточенной пластической деформации.

Иной характер имеет зависимость пластических характеристик от скорости деформации материала САП-1, армированного 5,7% проволоки из стали Х18Н10Т с пределом прочности 175 кГІмм2 (рис. 59). Видно, что увеличение скорости деформации от статиче­

134

ской до 80 Нсек не приводит к изменению равномерного, относи­ тельного и сосредоточенного удлинений. Значения указанных ха­ рактеристик пластичности остаются на уровне величин при стати­ ческом растяжении. Это можно объяснить на основании анализа механизма деформации и разрушения материалов, армированных непрерывными волокнами. Деформационные характеристики ком­ позиции определяются соответствующими характеристиками во­ локон. Это значит, что при достижении на волокнах допустимой деформации и последующем их разрушении тотчас же происходит разрушение всего композита. Следовательно, изменение пластиче­ ских характеристик материалов, армированных волокнами, при изменении скорости деформации может произойти в том случае, если при этом в ту или иную сторону меняются пластиче­ ские характеристики волокон. Как показывают авторы ряда ра­ бот [81, 82], пластические характеристики высокопрочных и отно­

к проволоке из стали Х18Н10Т. Поэтому, несмотря на значитель­ ное увеличение пластичности материала матрицы САП-1 при уве­ личении скорости деформации, существенного изменения плас­ тичности армированного материала на основе САП-1 при динами­ ческом растяжении не обнаружено.

Влияние скорости деформации на сопротивление деформирова­ нию. Зависимость прочностных характеристик материала САП-1 вдоль прокатки и поперек, а также после импульсного нагружения от скорости деформации представлена соответственно на рис. 60, 61 и 62.

На всех приведенных графиках видно повышение прочностных свойств с увеличением скорости деформации. Характер изменения прочностных свойств при динамическом растяжении образцов, вырезанных в различных направлениях, и образцов после импульс­ ного нагружения практически одинаков. Так, при скорости дефор­ мации 65 1/сек предел текучести образцов, вырезанных вдоль на­ правления прокатки, увеличивается от 25 кГ/мм2 при статическом растяжении до 34,6 кГ/мм2] образцов, вырезанных поперек направ­ ления прокатки,— от 25,4 до 35 кГІмм2, а образцов САП-1 после импульсного нагружения — от 25 до 34,5 кГ/мм2.

При растяжении образцов материала САП-1 вдоль направле­ ния прокатки с этой же скоростью предел прочности crDи истинный

предел текучести материала САП-1 вдоль прокатки больше, чем статическое значение в 1,43 раза, предел прочности ов — в 1,27 ра­ за, а сгпч — в 1,3 раза. Динамическое растяжение упрочненных взрывом образцов САП-1 со скоростью деформации 141 1/сек при­ вело к повышению предела текучести по сравнению со значением

135

Рис. 60. Влияние скорости деформации на прочностные свойства материала САП-1 (растяжение вдоль направления прокатки)

Рис. 61. Влияние скорости деформации на прочностные свойства материала САП-1 (растяжение поперек направления прокатки)

Рис.62. Влияние скорости дефор­ мации на прочностные свойства материала САП-1 после импульсно­ го нагружения

Рис. 63. Зависимость от скорости деформации отношений aD (1),

апч (2), ст (3) (динамических на­

пряжений) к статическим напряже­ ниям (коэффициент динамичности)

Рис. 64. Влияние скорости деформации на прочностные характеристики САП-1, армированного стальной проволокой

1 —°ПЧ» ^ аВ' 3 °т

деформации наиболее интенсивно растет предел текучести. Это приводит к увеличению отношения предела текучести к пределу

ния к статическому, для предела прочности, текучести и истинного предела прочности при различных скоростях деформации. На гра­ фике видно, что с ростом скорости деформации наиболее интенсив­ но повышается предел текучести и в меньшей мере предел проч­ ности, промежуточное положение занимает апч, что связано с уве­ личением предельной равномерной деформации при увеличении скорости растяжения.

Повышение прочностных свойств с ростом скорости деформации наблюдается и у материала САП-1, армированного 5,7% проволоки из стали Х18Н10Т (рис. 64). Здесь так же, как и для неармированного САП-1, наиболее интенсивно повышается предел текучести. Интенсивность повышения ав и сгпч одинакова. Это связано с тем, что, как указывалось ранее, повышение скорости деформации не приводит к увеличению предельной равномерной деформации ком­ позиции.

Представляет интерес сравнение интенсивности повышения прочностных характеристик неармированного и армированного САП-1 при различных скоростях деформации (табл. 16).

Данные табл. 16 показывают, что отношение динамических характеристик прочности к статическим армированного материала САП-1 при всех скоростях деформации меньше, чем неармирован-

137