Прочность жаропрочных композитных оксидных волокон Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.168.001

С. Т. Милейко, В. И. Глушко

ПРОЧНОСТЬ ЖАРОПРОЧНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ОКСИДНЫХ ВОЛОКОН

Оксидные волокна нового типа обещают определенные надежды в качестве армирующего средства для получения волокнистых композитов. Волокна имеют композитную структуру и могут быть получены из расплава с использованием относительно простой технологической схемы. Прочность при комнатной температуре таких волокон определена путем нагружения композитных образцов с металлической матрицей и единичным волокном. Далее используется сравнение кривых деформирования этих образцов и кривых деформирования матрицы. Показано, что прочность волокна на длинах, типичных для композитов с металлической матрицей, составляет примерно 1000 МПа.

Монокристаллические оксидные волокна [1], будучи жаропрочными, имеют естественные ограничения, если их рассматривать в качестве армирующего средства для жаропрочных композитов

[2]. Ползучесть таких волокон при относительно низких температурах [3] ограничивает рабочую температуру соответствующих материалов. Кроме того, если такого типа волокна выращиваются из расплава с использованием технологии Степанова [4], - и в этом случае оказываются удобными для получения композитов жидкофазными технологическими методами, - они, по-видимому, оказываются слишком дорогими для реального использования.

Следовательно, композитная структура волокна доставляет очевидные преимущества волокнам

[3]. Новый тип композитных волокон на базе оксидов, патентуемых в настоящее время, делает обнадеживающим достижение цели получения жаропрочных композитов.

Реальное использование жаропрочного материала требует определения большого количества свойств этого материала. Предварительная оценка таких механических свойств композита как прочность, трещинностойкость, ползучесть и длительная прочность должна производится главным образом расчетным путем. Это можно сделать, только если использовать как надежные механические модели, так и соответствующие входные параметры, характеризующие компоненты материала.

Модель разрушения композита с металлической матрицей и хрупким волокном, описанная в [1, 5], может быть использована для определения проч-

ности ст композитов:

(1)

где р ст * (I ) >— средняя прочность волокна на критической длине I, получающаяся путем последовательных обрывов волокна в матрице, ст* - кри-

тическое напряжение в матрице, а - константа, vf

и vm - объемные содержания волокна и матрицы.

* *

Обычная процедура определения р ст у (I ) > ,

включает либо прямое измерение прочности волокн различной длины, либо оценку разброса прочности волокон постоянной длины, и затем, в предположении справедливости Вейбулова распределения прочности волокна, определение масштабной зависимости прочности волокна (см., например, [6]). Такие подходы имеют недостаток, если определенная на их основе прочность волокна исполь -зуется для расчетной оценки прочности композита. В частности, масштабная зависимость прочности, полученная одним из этих методов, не обязательно совпадает с масштабной зависимостью, фигурирующей в (1), поскольку последняя зависимость определяется удалением из игры дефектов волокна, существующих в некоторой определенной окрестности обрывов волокна. Следовательно, величина константы а должна выбираться по существу, подгонкой тангенса угла наклона кривой *

ст (уу), соответствующей (1), определенному набору экспериментальных данных. Поэтому для исследуемых волокон соответствующая техника оказывается непригодной, а естественно, выбор в пользу испытания композитных образцов с единичным волокном оказывается неизбежным. Такая процедура может быть очень похожей на ту, которая обычно называется "изучением фрагментации волокна" [7], хотя такого типа испытание обычно используется для определения прочности границы раздела.

Предложеная схема определения прочности волокна основывается на сравнении кривой дефор-мырования неармированной металлической матрицы и той же самой матрицы, содержащей единичное волокно. В первом варианте схемы это сравнение дает зависимость прочности волокна от средней эффективной длины волокна, остающейся в

© С. Т. Милейко, В. И. Глушко 2006 г.

- 0219яшВестникяИвигателестроенияя1 4/т006

139

композите после серии обрывов. Процедура дает также среднюю величину прочности границы раздела. В дополнение к этому варианту может быть использована также его модификация , в которой необходимо знание прочности границы раздела, полученой, например, в обычном испытании на выдергивание волокна [8].

Во втором варианте схемы исходные данные используются для подбора статистических параметров прочности волокна, наилучшим образом описывающих масштабную зависимость прочности волокна, претерпевающего последовательные обрывы в композите.

Образцы с единичным волокном для всех этих испытаний имели медную матрицу, Все образцы были получены диффузионной сваркой при температуре 600 °С, давлении 80 МПа и времени 30 мин. Образец с единичным волокном, средний диаметр которого 0,38 мм, имеет рабочую длину 35 мм, объемное содержание волокна - около 5 %. Толщина образца около 0,5 мм, поверхность образца полируется для того, чтобы можно было визуально наблюдать обрывы волокна.

В процесе испытаний на растяжение после каждого обрыва волокна, регистрируемого по соответствующему звуку, поверхность образца фотографируется. Пример заключительной картины и последовательность обрывов волокна в образце показаны на рис. 1.

Образцы для испытаний на фрагментацию имеют тот же вид и те же размеры.

Испытания на растяжение проведены на относительно жесткой машине, для того, чтобы, используя обычный динамометр, и подавая его сигнал на У-вход двухкоординатного самописца, зарегистрировать падения нагрузки, соответствующие обрывам волокон.

Примеры исходных кривых деформирования матрицы и композита показаны на рис. 2, 3.

1 Определение характеристик зависимости прочности волокна от эффективной длины

Для того чтобы следить за реальным развитием событий в композите в процессе его нагружения, представляется естественным оценивать напряжение в волокне в момент его обрыва и соотносить величину полученной прочности к длине волокна, находящейся под максимальной нагрузкой.

Мы начнем с анализа зависимости прочности волокна от эффективной длины волокна. Далее мы представим экспериментальные данные, полученные на серии волокон.

2 Анализ

Пусть полная длина волокна до нагружения есть Ь1. С ростом приложения нагрузки напряжение на волокне о у достигает величины наименьшей проч-

Рис. 1. Поверхность образца после испытаний

ности волокна, например о*(Ь1), на длине волокна. Предположим что первый обрыв при о у = возникает в точке Х1. Тогда о(х1) = 0 и вокруг точ-

, (1)

ки х1 возникает некоторая зона, где о у р о у .

Предполагая, как обычно, что касательное напряжение т однородно распределено на поверх-

I/

ности раздела по длине у^ по обе стороны от точки обрыва, получим

_|, (2)

где Б и Э - площадь поперечного сечения и периметр волокна.

Таким образом, после первого обрыва волокна

(3)

Если точка х1 с равной вероятностью может попасть в любую точку на длине ^, тогда средняя длина, вырезанная из полной длины первым обрывом волокна, будет

С дальнейшим ростом приложения нагрузки вырезанная длина растет в соответствии с (2), напряжение ст у достигает следующей критической

(2)

величины ст у> , а вырезанная длина накануне второго обрыва достигает величины

Таким образом, второй обрыв волокна имеет место на средней длине

Аналогично

(4)

, кпУ.т* I... 11/.-1 К

Рис. 2. Кривая деформирования матрицы

I) ггнУвд^

Рис. 3. Кривая деформирования композита

если 1п /Ьп-1 <<1. Заметим, что 1п зависит от ст^.

Мы будем теперь называть длину Ьп эффективной остающейся длиной или просто эффективной длиной.

Предположим теперь, что кривая деформирования матрицы дается кривой ст О) и модуль Юнга

волокна есть Еу. Для определения ст^ с использованием экспериментальных данных такого типа необходимо принять во внимание, что средняя деформация на кривой деформирования композита не совпадает с деформацией матрицы в том поперечном сечении образца, где должен произойти обрыв волокна, поскольку имеется концентрация продольной деформации в матрице в окрестности существующего обрыва волокна. Для оценки необходимой деформации используется соответству-ющаяя процедура последовательных приближений.

Если напряжения на композите в момент п-го обрыва волокна есть ст(п) и /-ое приближение для напряжения в волокне есть сту" , то

и мы имеем

. Следовательно,

Следующий шаг вычислений дает длину волокна соответствующую п-му обрыву волокна. Выберем в качестве нулевого приближения величину □ прочности границы и далее будем следо-

и

- 0т19яаяВестникя)вигателестроенияя1 4/т006 # 141 -

вать процедуре, даваемой соотношением (4).

Определение прочности волокна соотносит величину прочности к средней критической длине I соотношением

|, (5)

где 13 - средняя длина фрагмента в конечном состоянии образца, коэффициент 4/3 учитывает распределение величины 13 между I*/ 2 и 13.

Очевидно, полученные таким образом данные дают низкий предел прочности, поскольку фрагменты волокна в заключительном состоянии не могут нагружаться до разрушения, Это объясняет относительно низкие величины прочности, зарегистрированные в этих испытаниях, а именно < о*» > = 355 МПа для образца №17 и 499 МПа для образца № 23.

Если наибольшая величина п есть М, то мы вычисляем зависимость Ьм (т). Эта зависимость

имеет либо точку ь*м(т*)= 0 , либо

т* = т^п(т). Величина т*, полученная таким образом, считается прочностью границы раздела.

Свойства волокон

Зависимости прочности волокна от эффективной длины волокна в композите представлены на рис. 4. Следует заметить, что после того, как наиболее грубые дефекты на большой длине волокна сработали, дальнейший процесс обрывов идет таким образом, что зависимость о " (Ь„) может быть

аппроксимирована степенной функцией.

Все испытания волокна взяты из одной партии. Поскольку эта партия была экспериментальной, структура волокна изменялась от образца к образцу. Это приводит к изменению объемного содержания молибдена в волокнах. Будучи одной из

причин разброса прочности волокон, это обстоятельство в то же время доставляет возможность получения зависимости прочности волокна от содержания молибденовой проволоки в волокне, рис. 5. Следует обратить внимание на разницу в величинах прочности крупногабаритных образцов, содержащих те же компоненты, рис. 6, и волокон (рис. 5), которая может быть объяснена масштабным фактором.

Испытания на фрагментацию волокон, скомбинированные с испытаниями на вытягивание

Обычно испытания на фрагментацию комбинируются с данными по прочности волокна и имеют целью определение прочности границы раздела. Исходя из сделанного выше замечания относительно условной справедливости характеристик прочности волокна, полученных путем испытания отдельных волокон, мы определяем прочность границы раздела в нормальном испытании на вытягивание и затем используем испытание на фрагментацию для определения характеристик прочности волокна.

Используется обычная процедура с длиной волокна, заделанной в матрицу, между 1,0 и 1,5 мм. В этой серии было испытано 10 образцов. В предположении однородного распределения касательных напряжений на границе раздела определена ве-*

личина т = 28,0 ± 3,6 МПа.

Образцы для испытания на фрагментацию имеют тот же вид и те же размеры, что и описанные выше. Последовательность обрывов волокна в двух образцах (№17 ) иллюстрируется на рис. 1.

Сравнение предварительных результатов испытаний композитов при комнатной и высоких температурах с прочностью при комнатной температуре нового типа оксидных волокон укрепляет надежду получения жаропрочных композитов с металлической матрицей. Модификация испытания на фрагмен-

Рис. 4. Зависимость прочности волокна от эффективной длины волокна в композите

Рис. 5. Зависимость прочности волокна при комнатной температуре от содержания молибденовой проволоки в волокне

Рис. 6. Зависимость прочности композита (крупногабаритные образцы) от объемного содержания волокна. Экспериментальные точки А!203+7г02+Мо

тацию волокна дает возможность получения надежных характеристик прочности волокна в композите.

Список литературы

1. Mileiko,S.T., Oxide fibres, in: Strong Fibres, Watt,W.W. and Perov,B.V. (eds.), Norh-Holland, Amsterdam (1985), 87-114.

2. Mileiko,S.T., and Kazmin, V.I., Crystallization of fibres inside of matrix-a new way of fabrication of composites. J. Mater. Science 27 (1992), 21652172.

3. Mileiko,S.T., and Kazmin, V.I., Structure and mechanical properties of oxide fibre reinforced metal matrix composites produced by the internal crystallization method, Comp. Sci. & Tech. 45 (1992) 209-220.

4. LaBelle,H,E., Jr. and Mlavsky, A.I., Growth of sapphire filaments from the melt. Nature, 216(1967), 574-575.

5. Mileiko,S.T., Fabrikation of metal-matrix composites, in: Fabrikation of Composites, Kelly, A. and Mileiko,S.T., (eds), North Holland, Amsterdam (1983), 221-294.

6. Street, K.N., and Ferte, J.P., On the strength-length dependence of boron fibres, in: Proc. ICCM-1, Scala,E., Anderson,E., Toth,I., Noton, B.R., (eds.), Vol.!, The Metallurgical Soc. of AIME, New York, (1975), 137.

7. Figueroa,J.C., Carney,T.E., Schadler,L.S., and Laird ,C, Micromechanics os single filament composites. Composites Sci and Tech., 42 (1991), 77-101.

8. Desarmot, G., and Favre,J.-P., Advances in pull-out testing and data analysis. Composites Sci and Tech., 42 (1991), 151-187.

9. Kelly, A., and Tyson,W.R., Tensile properties of fibre reinforced metals: copper/tungsten and copper/molybdenum. J. Mech. Phys. Solids, 13 (1965), 329-350.

Поступила в редакцию 05.07.2006 г.

Оксидн1 волокна нового типу об1цяють певн надИ'як армувальний засб для одержан-ня волокнистих композитiв. Волокна мають композитну структуру и можуть бути одержaнi i3 розплаву з використанням вiдноcно просто!'технологiчноl схеми. Мiцнicть при кiмнaтнiй темперaтурi таких волокон визначено шляхом навантаження композит-них зразкв з металевою матрицею та одиничним волокном. Дал'1 використовуеться порiвняння кривих деформування цих зразкв кривими деформування матриц. Показано, що мiцнicть волокна на довжинах, типових для композитiв з металевою матрицею, складае приблизно 1000 МПа.

The new type oxide fibres promise certain hope as arming means for obtaining the fibre composites. Fibres have composite structure and can be obtained from the melt using relatively simple technological scheme. Strength at room temperature is defined by loading composite specimens with metal matrix and singular fibre. Then the comparison of deformation curves of these specimens and matrix is used. It is shown that the strength of fibre at lengths that are typical for composites with metal matrix makes approximately 1000 MPa.

—Отй 9яшВестникяИвигателестроенияя1 4/mD06

- 143 -