Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве
Приведены результаты исследования влияния температуры от 293 до 3300 К на прочность углерод-углеродных композиционных материалов при растяжении и сжатии. Исследован характер разрушения образцов в диапазоне температур 293...3300 К. Показано, что как при растяжении, так и при сжатии наблюдаются качест...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2005 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2005
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47343 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве / В.С. Дзюба, С.В. Оксиюк // Проблемы прочности. — 2005. — № 1. — С. 136-143. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859760612570038272 |
|---|---|
| author | Дзюба, В.С. Оксиюк, С.В. |
| author_facet | Дзюба, В.С. Оксиюк, С.В. |
| citation_txt | Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве / В.С. Дзюба, С.В. Оксиюк // Проблемы прочности. — 2005. — № 1. — С. 136-143. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Приведены результаты исследования влияния температуры от 293 до 3300 К на прочность углерод-углеродных композиционных материалов при растяжении и сжатии. Исследован характер разрушения образцов в диапазоне температур 293...3300 К. Показано, что как при растяжении, так и при сжатии наблюдаются качественно одинаковые изменения прочности материала.
Наведено результати дослідження впливу температури від 293 до 3300 К на міцність вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів при розтязі та стиску. Досліджено характер руйнування зразків у діапазоні температур 293...3300 К. Показано, що при розтязі і стиску мають місце якісно однакові зміни міцності матеріалу.
We present results of investigation of the effect of temperatures in the range 293-3300 K on strength of carbon-carbon composite materials under tensile and compressive loading conditions. We studied fracture behavior of specimens in the temerature range 293-3300 K. It is shown that qualitatively similar changes of the material strength are manifested both under tensile and compressive loading conditions.
|
| first_indexed | 2025-12-02T02:44:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ
РАЗДЕЛ
УДК 620.18(035)
Исследование прочности углерод-углеродных композиционных
материалов в условиях температур 293...3300 К при высоко
скоростном нагреве
В. С. Дзюба, С. В. Оксиюк
Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
Приведены результаты исследования влияния температуры от 293 до 3300 К на прочность
углерод-углеродных композиционных материалов при растяжении и сжатии. Исследован
характер разрушения образцов в диапазоне температур 293...3300 К. Показано, что как при
растяжении, так и при сжатии наблюдаются качественно одинаковые изменения проч
ности материала.
Ключевые слова : композиционные материалы, растяжение, сжатие, упроч
нение, разупрочнение, прочность, деформационные свойства.
Получение достоверных данных о механических свойствах углерод-
углеродных композиционных материалов (УУКМ) в условиях, максимально
приближенных к эксплуатационным, - один из определяющих факторов их
эффективного использования. Проведение применительно к таким условиям
испытаний на прочность - весьма сложная методическая задача. Сущест
вующие в настоящее время методики высокотемпературных испытаний
позволяют получать количественные экспериментальные результаты при
влиянии температур до 2300...2800 К [1, 2].
Для получения данных о термомеханических свойствах углерод-угле-
родных композиционных материалов в условиях, близких к эксплуатацион
ным (температура 2 9 3 .3 3 0 0 К, скорость нагрева порядка 1000 град/с), в
соответствии с описанной ранее [3] экспериментальной методикой про
ведены испытания на кратковременную прочность при растяжении и сжатии
в аргоне. При этом использовался созданный полностью автоматизирован
ный комплекс для испытаний УУКМ при высоких температурах в вакууме,
воздушной или инертной среде. Комплекс, изготовленный на базе испыта
тельной установки 1958У10-1 [4], оборудован современными средствами
управления экспериментом и измерений с применением ЭВМ. Для повы
шения надежности результатов при различных видах испытаний предло
жены оригинальные образцы для испытаний [5-7] (рис. 1).
Используемый способ нагрева пропусканием электрического тока с
дополнительным подогревом краев образца позволил провести указанные
исследования при скоростях нагрева примерно 1000 град/с с обеспечением
© В. С. ДЗЮБА, С. В. ОКСИЮК, 2005
136 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 1
Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов
равномерного поля температур по длине рабочей части образца. Режим
теплового нагружения определялся работой трех электрически не связанных
источников питания (рис. 2), программируемых от единой системы управле
ния нагревом. Оптимизация соотношения напряжений обеспечивает необхо
димую скорость нагрева, компенсацию оттока тепла в захваты и тем самым
минимизацию градиента температуры по длине образца. Контроль за равно
мерностью температурного поля по длине образца при температурах до
2473 К осуществлялся тремя вольфрам-рениевыми термопарами типа ВР
5\20, при более высоких температурах (2473...3273 К) - с помощью инфра
красного пирометра ШРИАТНЕКМ ЮЛ-100.
60*
20
б
Рис. 1. Образцы для испытаний на растяжение (а) и сжатие (б).
Для измерения нагрузки использовался датчик усилия (диапазон изме
рения составлял 0,002...100 кН, допускаемая относительная погрешность -
±1%). Удлинение рабочей зоны образца измерялось тензометром. Образец
для испытаний на растяжение кроме захватных участков 1 имеет две пары
крылышек 2, по взаимному перемещению которых определяется переме
щение рабочей зоны. Изменение расстояния между крылышками в четырех
точках (рис. 3,б) через четыре пары рычагов 4 с ножками из жаростойкой
керамики 3 преобразуется в электрический сигнал с помощью тензодатчиков
5. Призмы устанавливались на одной линии с концом рабочей части образца,
а расстояние между ними подбиралось так, чтобы по четырем точкам этой
линии можно было определить пятую точку, находящуюся на оси сим
метрии образца в конце рабочей зоны. В каждый момент с помощью ЭВМ
определялась форма линий выступов, в которую упираются призмы, и
вычислялось перемещение этой точки. Использование схемы измерений с
четырьмя независимыми каналами измерения перемещения позволяет су
щественно повысить достоверность получаемых данных о деформационных
свойствах материала, исключить в процессе подготовки эксперимента пере
кос или несоосность образца и захватов, минимизировать их влияние и
учитывать это при последующих расчетах.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 1 137
В. С. Дзюба, С. В. Оксиюк
£
#\/з <
Рис. 2. Схема нагрева и измерения температуры образцов при растяжении (а) и сжатии (б).
а б
Рис. 3. Схема измерения деформации рабочей зоны при растяжении.
При сжатии (рис. 4) деформация образца 1 отслеживается с помощью
изготовленных из материала последнего тонких штоков 2, касающихся гра
ниц его рабочей части. Противоположные торцы штоков упираются в дно
подпружиненных плунжеров 4, соединенных с коромыслами 3. Взаимное
перемещение коромысел через рычаги 5 трансформируется в деформацию
тензодатчиков 6.
Точность измерения перемещения рабочей зоны образца при растя
жении и сжатии в разработанном комплексе составила 0,1 мкм [3].
Исследовались образцы из УУКМ, наполненного углеродными волок
нами в трех ортогональных направлениях. В качестве связующего использо-
138 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 1
Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов
валась фенолформальдегидная смола (ФФС), которой пропитывался мате
риал. Затем проводилась карбонизация ФФС при Т = 1270 К в инертной
среде. При этом коксовый остаток составлял ~ 40%, летучие элементы -
~ 60%. Такая технологическая операция осуществлялась многократно с целью
достижения 100%-ного коксового остатка по всему объему.
Рис. 4. Схема измерения деформации рабочей зоны при сжатии.
При проведении испытаний соблюдались следующие программы по
механическому нагружению и нагреву. Для устранения люфтов вначале
образец нагружался до 100 Н в условиях комнатной температуры. При
скоростном нагреве образца программа нагружения корректировалась про
порционально увеличению его тепловой деформации. Данная коррекция
проводилась исходя из отдельного эксперимента при нагреве методического
образца. Благодаря этому в процессе нагрева поддерживалась нагрузка
~ 100 Н. По достижении заданной при испытаниях температуры осущест
влялось активное нагружение образца со скоростью 12 мм/мин до его
разрушения с поддержанием T = const.
С целью оценки влияния температуры на свойства УУКМ проводились
испытания на растяжение и сжатие в среде аргона при температурах 293,
1773, 2273, 2473, 2773, 3073 и 3273К. При каждой из этих температур
испытывалось по пять образцов. Диаграммы деформирования УУКМ при
растяжении и сжатии представлены на рис. 5.
Испытания на растяжение (рис. 5,а) показали, что при температуре 293 К
диаграмма деформирования близка к линейной. При заданных значениях
напряжений порядка ~ 70 МПа материал обладает высоким модулем упру
гости и небольшой деформацией при разрушении (— 0,16%). В случае воз
действия температуры в материале одновременно происходят конкуриру
ющие процессы упрочнения (вследствие физико-химических превращений)
и разупрочнения (накопление повреждений от теплового и механического
нагружения). При разных уровнях температуры вклад каждого из процессов
различен, поэтому общее поведение материала определяется соотношением
между ними. Так, при T = 1773 К в результате упрочнения прочность УУКМ
при разрушении увеличилась до —110 МПа по сравнению с таковой при
комнатной температуре. Заметно увеличились также деформационные ха
рактеристики - среднее значение деформации при разрушении составило
— 0,6%, т.е. в — 4 раза больше, чем при 293 К. С повышением температуры
до 2273...2473 К происходит дальнейшее небольшое упрочнение (до
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2005, № 1 139
В. С. Дзюба, С. В. Оксиюк
~ 125 МПа при 2473 К). Деформация при разрушении почти не изменилась и
составила ~ 0,65%. Представляет интерес тот факт, что с повышением тем
пературы растет нелинейность кривых деформирования, которая проявля
ется даже при небольших нагрузках (30...40% разрушающей). Это свиде
тельствует о начале накопления повреждений в материале.
а, МПа
а, МПа
Рис. 5. Изменение диаграммы а —е при растяжении (а) и сжатии (б) в зависимости от
температуры.
В случае высоких температур (2773...3273 К) наблюдаются разупроч
нение материала и увеличение деформационных характеристик. Так, при
температурах 2773 и 3273 К прочность материала существенно снижается и
составляет соответственно примерно 105 и 96 МПа, деформация при разру
шении - соответственно ~ 0,8 и ~ 0,98%.
Аналогичная тенденция в поведении УУКМ имеет место в случае сжа
тия (рис. 5,б). При Т = 293 К прочность при разрушении составляет пример
но 70 МПа, деформация---- 0,25%. С повышением температуры до 1773 К
прочностные характеристики увеличиваются до ~ 105 МПа, деформацион
ные - до ~ 0,6%. При температурах 2273 и 2473 наблюдается дальнейший
рост прочности (до 110 МПа), в то время как деформация почти не изме
няется (0 ,65 .0 ,75% ). С повышением температуры отмечается резкое сниже
ние прочностных и существенное увеличение деформационных характерис
тик. При температуре 2773 К прочность составила ~ 77 МПа, деформация -
~ 1,2%. Повышение температуры до 3073 К и выше приводит к изменению
механизма разрушения путем потери устойчивости образцов, поэтому для
более высоких температур испытания при сжатии не проводились.
140 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 1
Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов
На рис. 6 представлены зависимости разрушающего напряжения, де
формации при разрушении и модуля упругости исследуемого материала от
температуры, полученные по кривым деформирования.
Как видно, с качественной точки зрения материал при различных видах
испытаний ведет себя одинаково.
а б
Е0, МПа
в
Рис. 6. Влияние температуры на разрушающее напряжение (а), деформацию при разрушении
(б) и модуль упругости материала (в) при растяжении (1) и сжатии (2).
На рис. 7 и 8 представлены образцы после испытаний на растяжение и
сжатие соответственно. Практически во всем диапазоне температур для
обоих видов испытаний наблюдалось хрупкое разрушение. У большинства
образцов как в случае растяжения, так и сжатия при температурах до 2473 К
плоскость излома расположена перпендикулярно к оси образца. После рас
тяжения (рис. 7) у образцов в зоне разрушения наблюдаются продольные
нити, вытянутые на длину 1,5—6,0 мм в рабочей части. При этом чем выше
температура, тем короче выступы. Несмотря на то что испытания про
водились в инертной среде (аргон), при высоких температурах имеет место
унос массы с поверхности образца и утонение его сечения. При растяжении
образцов разрушение в основном происходило в рабочей части. В то же
время при сжатии (рис. 8) часто разрушение отмечалось одновременно по
обоим краям рабочей части образца.
0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 1 141
В. С. Дзюба, С. В. Оксиюк
Рис. 7. Образцы после испытаний на растяжение при температурах 293 (а), 2273 (б) и
3273 К (в).
а б в
Рис. 8. Образцы после испытаний на сжатие при температурах 293 (а), 2273 (б) и 3073 К (в).
Р е з ю м е
Наведено результати дослідження впливу температури від 293 до 3300 К на
міцність вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів при розтязі та стиску.
Досліджено характер руйнування зразків у діапазоні температур 293...3300 К.
Показано, що при розтязі і стиску мають місце якісно однакові зміни
міцності матеріалу.
1. Hatta Hiroshi, Aoi Tatsuji, Kawahara Itaru, et al. Tensile strength of
carbon/carbon composites // JSME Int. J. A. - 2003. - 46, № 3. - P. 290 -
296.
2. Fajun Y., Jiecai H., and Shanyi D. Опытное исследование механических
свойств гибридных композитов углерод-углерод при сверхвысокой тем
пературе // Реф. журн. - 2004. - № 3. - С. 22.
142 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2005, № 1
Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов
3. Дзюба В. С., Оксиюк С. В. Установка для исследования прочности и
долговечности композиционных материалов при программном тепло
вом и силовом нагружении в условиях температур до 3300 К // Пробл.
прочности. - 2004. - № 5. - С. 113 - 116.
4. Дзюба В. С., Высоцкий А. В., Зубик С. В. Установка и методика для
прочностных испытаний композиционных материалов при температу
рах до 3300 К // Пробл. прочности. - 1994. - № 9. - С. 86 - 90.
5. Патент України № 2003098506, МПК7 в01Ш /00. Зразок для випробу
вання композиційних матеріалів на міцність при розтягуванні в умовах
високих температур / В. С. Дзюба, Л. В. Кравчук, В. А. Токарський, С. В.
Оксіюк. - Опубл. 15. 04. 2004, Бюл. № 4.
6. Патент України № 2003087440, МПК7 в01Ш /00. Зразок для випробу
вання неметалевих матеріалів осьовими навантаженнями / В. С. Дзюба,
Л. В. Кравчук, В. А. Токарський, С. В. Оксіюк. - Опубл. 15. 03. 2004,
Бюл. № 3.
7. Патент Росії № 2003135341, МПК7 в01Ш /00. Образец для испытания
неметаллических материалов осевыми нагрузками / В. С. Дзюба, Л. В.
Кравчук, В. А. Токарський, С. В. Оксіюк (Україна). - Опубл. 10. 04.
2004, Бюл. № 10.
Поступила 05. 08. 2004
0556-171Х. Проблемы прочности, 2005, № 1 143
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-47343 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T02:44:25Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Дзюба, В.С. Оксиюк, С.В. 2013-07-11T19:39:40Z 2013-07-11T19:39:40Z 2005 Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве / В.С. Дзюба, С.В. Оксиюк // Проблемы прочности. — 2005. — № 1. — С. 136-143. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47343 620.18(035) Приведены результаты исследования влияния температуры от 293 до 3300 К на прочность углерод-углеродных композиционных материалов при растяжении и сжатии. Исследован характер разрушения образцов в диапазоне температур 293...3300 К. Показано, что как при растяжении, так и при сжатии наблюдаются качественно одинаковые изменения прочности материала. Наведено результати дослідження впливу температури від 293 до 3300 К на міцність вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів при розтязі та стиску. Досліджено характер руйнування зразків у діапазоні температур 293...3300 К. Показано, що при розтязі і стиску мають місце якісно однакові зміни міцності матеріалу. We present results of investigation of the effect of temperatures in the range 293-3300 K on strength of carbon-carbon composite materials under tensile and compressive loading conditions. We studied fracture behavior of specimens in the temerature range 293-3300 K. It is shown that qualitatively similar changes of the material strength are manifested both under tensile and compressive loading conditions. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Производственный раздел Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве Strength study of carbon-carbon composite materials at temperatures of 293-3300 K under high-speed heating condition Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве Дзюба, В.С. Оксиюк, С.В. Производственный раздел |
| title | Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве |
| title_alt | Strength study of carbon-carbon composite materials at temperatures of 293-3300 K under high-speed heating condition |
| title_full | Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве |
| title_fullStr | Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве |
| title_full_unstemmed | Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве |
| title_short | Исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 К при высокоскоростном нагреве |
| title_sort | исследование прочности углерод-углеродных композиционных материалов в условиях температур 293...3300 к при высокоскоростном нагреве |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47343 |
| work_keys_str_mv | AT dzûbavs issledovaniepročnostiugleroduglerodnyhkompozicionnyhmaterialovvusloviâhtemperatur2933300kprivysokoskorostnomnagreve AT oksiûksv issledovaniepročnostiugleroduglerodnyhkompozicionnyhmaterialovvusloviâhtemperatur2933300kprivysokoskorostnomnagreve AT dzûbavs strengthstudyofcarboncarboncompositematerialsattemperaturesof2933300kunderhighspeedheatingcondition AT oksiûksv strengthstudyofcarboncarboncompositematerialsattemperaturesof2933300kunderhighspeedheatingcondition |