CC BY
13
УДК 678.6
В.Г. Бабашов1, Бутаков1, 0.5. Басаргин1, Никитина1, Т.М. Щеглова1
ОЦЕНКА АНИЗОТРОПИИ МАТЕРИАЛА ВТИ-16 ПУТЕМ СОПОСТАВЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ ОБРАЗЦОВ, ВЫРЕЗАННЫХ В ПРОДОЛЬНОМ И ПОПЕРЕЧНОМ НАПРАВЛЕНИИ
Приведены результаты экспериментов по определению прочности при растяжении образцов, вырезанных из матов ВТИ-16 в поперечном и продольном направлении. Целью работы было определение наличия анизотропии матов, связанной с операцией «прокатки».
Ключевые слова: прочность, продольное и поперечное направление, анизотропия.
The results of the tensile strength of the flexible samples cut off from the УП-16™ material in the longitudinal and cross direction, are presented in this paper. The aim of the investigation is to find out if the anisotropy presents in the material after rolling.
Key words: strength, longitudinal and cross direction, anisotropy.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Разработка новых изделий авиационной техники требует создания функциональных материалов, обеспечивающих высокие характеристики и надежность летательного аппарата [1].
Одним из видов материалов, используемых в системах теплозащиты летательных аппаратов, являются волокнистые высокотемпературные материалы [2-8], выгодно сочетающие низкую теплопроводность, малую плотность, высокую гибкость и упругость.
При разработке технологии изготовления гибких волокнистых материалов методом осаждения из водной пульпы исследователи столкнулись с явлением неконтролируемого изменения высоты и плотности мата в процессе термообработки, что делало проблематичным получение калиброванных изделий [9]. Для предотвращения этого явления было предложено ввести в технологический процесс изготовления мата прокатку влажного полуфабриката [10].
В процессе изготовления гибких матов после диспергирования волокнистой водной пульпы методом барботирования [11] влажную заготовку подвергали продольной прокатке, при этом удалялась часть жидкости, материал становился тоньше и выравнивался по толщине. Кроме того, при прокатке происходит и излом изогнутых и перекрученных волокон, заполнение пустот, возникших при вакуумном формовании и, возможно, более равномерное распределение по объему мата жидкости, содержащей связующее. Возникло предположение, что в ходе этой операции происходит также переориентация и вытягивание волокон в продольном направлении.
Материалы и методы
В работе изучены образцы, вырезанные в продольном и поперечном направлениях прокатки из гибких волокнистых матов. Образцы исследовали на оптическом микроскопе Olympus BX51 с цифровой камерой DP73 в отраженном свете.
Испытания при растяжении [12] проводили на установке 1п81хоп 5965 на образцах размером 300*30*10 мм и 300*30*4 мм, вырезанных из матов в продольном и поперечном направлениях прокатки. Ввиду малых значений замеряемой нагрузки использован датчик модели 2530-427 с пределом измерения 100 Н (класс точности 0,05) и захваты модели 2712-013 с усилием 5 Н.
Для каждого мата испытывали не менее 5 образцов каждой ориентации (в продольном и поперечном направлениях прокатки). В случае разрушения образца в захватах результат не учитывался.
Результаты
При попытках обнаружения неравномерности в ориентации волокон с помощью оптического микроскопа получить убедительную картину не удалось (рис. 1).
Рис. 1. Вид материала ВТИ-16 без прокатки (а) и в прокатанном состоянии (б) (оптический микроскоп, размер маркера 200 мкм)
Альтернативным методом установления структурной анизотропии является измерение прочностных свойств материала в продольном и поперечном направлениях прокатки. Этот метод позволяет получить интегральную качественную оценку однородности распределения волокон в материале.
В работе [13] описана методика испытания гибких волокнистых материалов, суть которой заключалась в снижении давления на образец со стороны захватов, что достигалось использованием ограничительных вкладышей. При этом необходимо выдерживать определенное соотношение толщин образца и вкладышей, зависящее от целого ряда параметров (плотность материала, прочностные характеристики волокон и т. п.), иначе происходит либо проскальзывание, либо разрушение в захватах.
В данной работе применительно к материалу ВТИ-16 предложен усовершенствованный способ крепежа, согласно которому волокнистый образец помещали между тонкими пластинами из листового металла, концы которых закрепляли с помощью пневматических зажимов (рис. 2). Такой способ крепежа пригоден для образцов в широком диапазоне толщин и, кроме того, обеспечивает постепенное увеличение сжимающих усилий по длине зажатой части образца, т. е. не создает концентрации напряжений в одном месте, что снижает вероятность разрушения по границе зажима.
На основании полученных данных определяли степень анизотропии (сцср/01.ср) и вычисляли статистические критерии (1табл и 1 - двойной критерий). Типичная экспериментальная кривая приведена на рис. 3. Результаты испытаний представлены в таблице.
Рис. 2. Вид образца, приготовленного к испытаниям на установке 1п81хоп 5965, при усовершенствованном способе крепежа
Рис. 3. Типичная экспериментальная кривая, полученная при растяжении образца материала ВТИ-16
Результаты испытаний при растяжении образцов из материала ВТИ-16
Условный номер мата
а.
Л£Е_
71ср
кПа
|СП/ст
ср'
^табл
1
(Ь=10 мм)
6,55 7,02 8,50 8,26 7,33 7,24
7,5
6,03 5,17 5,41 5,78 5,83 5,61
5,6
1,33
2,23
2
(Ь=10 мм)
7,77 8,49 8,83 6,65 6,88 6,96 6,69 7,09 8,96 9,86
6,18 6,78 6,28 6,22 6,37 6,05
6,3
1,24
2,14
3
(Ь=4 мм)
20,7 19,7
20.4
21.5 19,1
20,3
15,7 16,2 16,7
19.4
18.5
17,3
1,17
2,31
г
3
Маты 1 и 2 имели расчетную плотность 0,17 г/см , плотность мата 3 составляла 0,12 г/см . Существенно более высокие значения прочности образцов из мата 3 связаны, скорее всего, с различной толщиной матов: 10 мм - у матов 1 и 2; 4 мм - у мата 3. По-видимому, прочность образцов мата при растяжении в наибольшей степени определяется поверхностными слоями, поэтому при приблизительно равной величине разрывной нагрузки прочность образцов из толстых матов существенно ниже.
Обсуждение и заключения
Сразу отметим, что продольная текстура практически не влияет на теплозащитные свойства изделий, поскольку тепловой поток, как правило, направлен перпендикулярно плоскости мата. В то же время ее наличие может повысить технологичность материала на этапе монтирования гибких матов на объекте.
Каждый массив данных, приведенных в таблице, оценен на предмет резко выделяющихся значений по так называемому критерию типа r [14]:
r=|XCp-Xi|/(S-W(n-1)/n),
где S - среднее квадратическое отклонение (СКО).
Резко выделяющихся значений не обнаружено.
Значения a||cp/aicp показали, что для матов, прокатанных во влажном состоянии, уровень анизотропии прочности при растяжении составляет 1,33; 1,24 и 1,17 (в порядке возрастания номеров), т. е. можно сделать вывод, что прочностные характеристики образцов гибких волокнистых матов, вырезанных во взаимно перпендикулярных направлениях, свидетельствуют о наличии текстуры - преимущественной ориентации волокон в прокатанных матах.
Величины отношения a||cp/aicp небольшие, поэтому для подтверждения анизотропии материала проведен дополнительный анализ результатов с помощью статистических критериев [14].
Ввиду малых (непрезентативных) выборок использован упрощенный параметрический критерий - так называемый двойной t-критерий, где t^-A^-A^p) ^Vn^(S12 + S-2).
Выборка однородна, если t<t^, где t-габл - зависит от а-доверительного интервала (0,95) и n-числа измерений. Выборки независимы, если t>t^.
Из сравнения данных, представленных в двух последних столбцах таблицы, следует, что для всех испытанных матов для образцов, вырезанных вдоль и поперек мата, выборки независимы, таким образом, наличие текстуры подтверждается и статистическими критериями.
Параметром, более чувствительным к наличию преимущественной ориентации волокон в мате, может явиться минимальный (критический) радиус изгиба - радиус, при котором сохраняется целостность образца. Эта характеристика, кроме того, имеет и практическую значимость. В дальнейшем имеет смысл провести работы по изучению взаимосвязи степени анизотропии мата и критического радиуса изгиба.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
2. Каблов E.H., Щетанов Б.В., Абузин Ю.А., Ивахненко Ю.А. Металлические и керамические композиционные материалы /В сб. материалов Международной науч.-практич. конф. «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения». Казань. 2008. Т. 1. С. 181-188.
3. Каблов E.H., Гращенков Д.В., Исаева Н.В., Солнцев С.С. Перспективные высокотемпературные керамические композиционные материалы //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 20-24.
4. Ивахненко Ю.А., Бабашов В.Г., Зимичев A.M., Тинякова Е.В. Высокотемпературные теплоизоляционные и теплозащитные материалы на основе волокон тугоплавких соединений //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 380-386.
5. Тинякова Е.В., Гращенков Д.В. Теплоизоляционный материал на основе муллито-корундовых и кварцевых волокон //Авиационные материалы и технологии. 2012. №3. С. 43-46.
6. Гращенков Д.В., Балинова Ю.А., Тинякова Е.В. Керамические волокна оксида алюминия и материалы на их основе //Стекло и керамика. 2012. №4. С. 32-36.
7. Гращенков Д.В., Щетанов Б.В., Тинякова Е.В., Щеглова Т.М. О возможности использования кварцевого волокна в качестве связующего при получении легковесного теплозащитного материала на основе волокон Al2O3 //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 8-14.
8. Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Бабашов В.Г. Теплозащитные материалы //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 12-19.
9. Бабашов В.Г., Щетанов Б.В. Гибкий низкоплотный высокотемпературный материал на основе муллитокорундового волокна //Современные проблемы науки и образования. 2015. №1 (www .science -education.ru).
10. Способ получения волокнистого керамического материала: пат. 2433917 Рос. Федерация; опубл. 20.11.2011. Бюл. №32.
11. Способ получения гибкого теплоизоляционного материала: заявка на пат. 2014107962 Рос. Федерация; зарегист. 03.03.2014.
12. Ерасов B.C., Яковлев Н.О., Нужный Г.А. Квалификационные испытания и исследования прочности авиационных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С.440-448.
13. Колышев С.Г., Басаргин О.В., Бутаков В.В. Эксперименты по определению прочности при растяжении образцов из легковесных гибких волокнистых материалов //Все материалы. Энциклопедический справочник. Приложение к журн. 2014. №5. С. 8-11.
14. Зажигаев Л.С., Кишьян A.A., Романиков Ю.А. Методы планирования и обработки результатов физических экспериментов. М.: Атомиздат. 1978. С. 180-182.
