РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКИ И УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР
2.1. Методика и установка для испытаний композиционных материалов на кручение при температурах до 3300 К.
Стандартные методики высокотемпературных испытаний не пригодны для ВКМ из-за их специфического поведения, особенностей структуры и теплофизических свойств. Автором разработана [113] с учетом имеющегося опыта [114?118] методика и установка для высокотемпературных механи-ческих испытаний композиционных материалов на кручение при температурах до 3300 К. Использовался опыт создания систем высокотемпературного нагрева в других областях науки и техники. В электротермии [104, 106, 119] (электрические, индукционные печи, источники инфракрасного излучения) используются нагревательные элементы, работающие при температурах выше 2800 К. Материалом для нагревателей и других элементов служат различные марки графита.
Разработанная установка (рис. 2.1) (на рисунке в масштабе фактически представлен чертеж основного внутреннего содержимого камеры и конструктивные решения) включает в себя систему нагрева и измерения температуры на образце, захваты, систему измерения крутящего момента и угла закручивания. Испытания проводятся в специальной вакуумной камере 1 в среде аргона или в вакууме. Камера закреплена нижним фланцем на швеллере 2, расположенном между
Рис. 2.1. Установка для испытаний на кручение при температуре до
3300 К.
колоннами испытательной машины. Для создания установки использовались рама и силовой привод испытательной машины МК-50 Ивановского ПО "Точприбор". Система нагрева из двух половин симметрично смонтирована на съемных передней и задней крышках 4, 3. Через крышки в водоохлаждаемую камеру на изоляторах введены медные охлаждаемые тоководы 5 с башмаками 6, связанными с нагревателем 7 через подводящие пластины. Нагреватель окружен тепловыми экранами 8, 9 печи. Для изучения механических свойств неметаллических ВКМ в широком температурном диапазоне нагреватель и захваты образца 10 выполнены из плотного графита марки ВПП, экраны ? из имеющихся марок графита. При максимальных температурах элементы системы, особенно нагреватель, имеющий сложную цилиндрическую форму и состоящий из двух частей (рис. 2.2), работают на пределе своего агрегатного состояния. Так, температура нагревателя доходит до 3500 К, поэтому его разработке уделяется большое внимание. Верхняя 11 и нижняя 12 водоохлаждаемые тяги связаны через уплотнение Вильсона соответственно с неподвижной траверсой и нагружающим приводом машины. На тягах устанавливаются специальные захваты 13.
Нагреватель имеет вырезы для формирования равномерного температурного поля и наблюдения за образцом 10, а также для измерения его температуры пирометром 14. Согласно ГОСТу 9651-84 ограничение неравномерности температурного поля в рабочей зоне образцов при механических испытаниях составляет 1% при максимуме 1500 К. В нашем случае при тарировке поля для температуры 2790 К максимальное отклонение на краю рабочего участка образца составляла 22 град., что меньше 1%. На рис. 2.3 изображены: кривая 1 ? термопара установлена в
Рис. 2.2. Нагреватель для высокотемпературного нагрева до 3300 К.
2.3. Температурное поле в рабочей зоне образца.
центре образца; 2, 3 ? соответственно в верхней и нижней части рабочей зоны образца. До 2700 К температуратурное поле образца тарировалось внедрением в него термопарами типа ВР5/20. Периодически отрезая часть термопары, находящейся при максимальной температуре, предотвращали возможное науглераживание [120].
При 3270 К температура определялась по достижению точки плавления тантала (3269 К) в зоне образца и контролировалось при испытаниях термопарой ? свидетелем на захвате в непосредственной близости от образца. Температуру свыше 2000 К измеряли также пирометром 14 (рис. 2.1).
Известные затруднения в случае определения характеристик упругости и прочности при сдвиге [62, 66, 87, 88] значительно усложняются в условиях высоких температур испытаний, поэтому для повышения достоверности получаемых результатов разработана новая система записи диаграммы деформирования. На тяге, передающей крутящий момент, закреплена цилиндрическая втулка 15, профиль торца которой выполнен по винтовой линии (торцовый кулак) на токарном станке. По торцу втулки скользит специальный щуп, закрепленной на неподвижной части установки, упругой пластины 16 с наклеенными тензорезисторами, образующими схему полумоста. Перемещение щупа пропорционально углу поворота захвата. Далее через тензоусилитель сигнал подается на вход двухкоординатного потенциометра.
Измерение нагрузки в конструкции решено таким способом, чтобы свести к минимуму погрешности силоизмерения при высокой температуре. Для этого снизу вовнутрь камеры в силовую цепь введен тонкостенный, охлаждаемый извне по специальным каналам проточной водой, цилиндрический динамометр 17 с ориентированными по направлению главных напряжений тензорезисторами на образующей. Через тензоусилитель сигнал, пропорциональный скручивающему моменту, поступает на вход другой координаты потенциометра. Это позволяет повысить точность измерения и записи диаграммы Mкр ? ?, унифицируются усилительные каналы датчиков, обеспечивается удобство представления диаграммы в необходимом масштабе на записывающем приборе.
При испытаниях свыше 2273 К в конструкции силовой цепи необходимо обеспечивать переход от зоны максимальных температур в зоне образца к нормальной применением последовательно тугоплавких материалов, водоохлаждаемых металлов, металлов. При температурах до 1300 К нет необходимости использовать тугоплавкие материалы. На рис. 2.4 представлены типы сочленения, которые применялись. На рис. 2.4,а показана конструкция, где 1 ? нижняя водоохлаждаемая тяга, которая заканчивается тугоплавким (молибден) захватом на растяжение 2; 3 ? разъемная обойма; 4 ? обойма; на рис.