Разработка устройства для механических испытаний образцов из кремнеземистой керамики

0

Физический факультет

Кафедра физики конденсированного состояния

 

 

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Разработка устройства для механических испытаний образцов из кремнеземистой керамики

 

ЗАДАНИЕ

на выпускную квалификационную работу

 

1 Тема работы   «Разработка устройства для механических испытаний образцов из кремнеземистой керамики»

  • Срок сдачи студентом законченной ВКР               Исходные данные к ВКР

- начальный список литературных источников; образцы нативной монтмориллонит содержащей глины, модернизированный твердомер ТШ-ВМ; необходимая элементная база для изготовления устройства регулирования скорости нагружения, необходимое для изготовления образцов оборудование.

4 Содержание текстовой части ВКР (перечень подлежащих разработке вопросов)

Хрупкое разрушение керамики:

  • Проблемы и методы изучения прочности хрупких керамических материалов;
  • модели зарождения и распространения трещин в хрупкой керамике;
  • составление блок-схемы устройства управления скоростью нагружения;
  • проведение испытания модернизированной установки;
  • изготовление керамических образцов для апробации установки.
  • Перечень графического (иллюстративного) материала

функциональные и электрические схемы, иллюстрирующие устройство, возможности использования и приемы работы на модернизированном устройстве.

 

 

 

Аннотация

 

 

Выпускная квалификационная работа посвящена модернизации твердомера ТШ-ВМ за счет введения датчика скорости нагружения и последующей апробации модернизированного твердомера. Модернизация позволила расширить приборную базу устройства, спектр функциональных возможностей прибора для экспериментальных исследований хрупких материалов.

Структура выпускной квалификационной работы: Первый раздел - обзор литературы по проблеме исследования процессов разрушения хрупких керамических материалов. Во втором разделе представлены материалы, исследуемые в работе и методы их исследования.

В третьем разделе представлены и обсуждены результаты, полученные при выполнении поставленной задачи. В заключении сделаны следующие выводы: устройство управления скоростью нагружения работает стабильно, с малой погрешностью. С его помощью получены новые интересные данные о прочности и разрушении кремнеземистой керамики.

Выпускная квалификационная работа выполнена печатным способом на 50 страницах, с использованием 15 литературных источников, содержит 3 таблицы, 22 рисунок и 1 приложение.

Устройство управления скоростью нагружения было представлено на Областной выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2012».

 

 

 

 

 

The summary

 

 

Final qualifying is dedicated to the modernization hardness TS-VM through the introduction of the speed sensor loading and subsequent testing of the upgraded hardness. The modernization has improved the instrument base unit, the range features an instrument for experimental studies of brittle materials.

The structure of the final qualifying works: The first section - a review of the literature on the investigation of fracture of brittle ceramic materials. In the second section the materials investigated in the work and methods of their investigation.

The third section presents the results of work and their obtaining. Next conclusions have been done: the device of loading rate control works stable, with a small error. New interesting data described the strength and fracture of silica ceramics were received with using this device.

Final qualifying work was printed way to 50 pages with 15 references, 3 tables contains 22 figure and an application.

The device of loading rate control was presented on the Regional exhibition of scientific and technical creativity of youth "NTTM 2012."

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение……………………………………………………………………………...6

1 Механические свойства материалов……………………………………………...8

1.1 Прочность………………………………………………………………………...8

1.1.1 Определения прочности на сжатие………………………………………….11

1.2 Твердость………………………………………………………………………..14

1.3 Триботехнические характеристики…………………………………………...20

1.4 Кинетические модели разрушения……………………………………………22

1.4.1 Модель журкова……………………………………………………………....23

1.5 Постановка задачи…………………………………………………………….24

2 Материалы и методы исследования………………………………………..……26

2.1 Материалы для исследования………………………………………………….26

2.2 Методы разрушения хрупкой кремнеземистой керамики…………….……..28

3 Обсуждение результатов……………………………………………………...….33

3.1 Устройство для механических испытаний образцов из кремнеземистой керамики……………………………………………………………………...……..33

3.1.1 Устройство твердомера ТШ-ВМ……………………………….……………33

3.1.2 Устройство регулятора скорости нагружения для ТШ-ВМ……………….36

3.2 Апробация устройства……………………………………………………..…..44

Заключение………………………………………………………………………….49

Список используемых источников………………………………………………..50

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

В настоящее время активно развиваются технологии получения керамики с заданными свойствами. Для их разработки необходимо получать качественные образцы с нужными параметрами. Чаще всего для этого используют разные виды прессования.

На территории ингрессионный (медленный) характер распространения вод, когда заполнялись лишь древние крупные долины рек способствовал накоплению пелитового (тонкозернистого, состоящего более чем на 50% из частиц размером менее 0.005 мм) материала. Это привело к доминированию высокодисперсных монтмориллонитовых глин на обширных территориях .

Чистые монтмориллонитовые глины относятся к полезным ископаемым, имеющим большое практическое значение, и добываются в больших количествах. Они применяются в нефтеперерабатывающей промышленности; как компонент глинистых растворов при бурении; в металлургии - в качестве связки при производстве железорудных окатышей и для приготовления формовочных земель; в пищевой, химической, фармацевтической промышленности, однако практически нет работ, в которых бы исследовалась возможность использования тонкодисперсных монтмориллонитовых глин Оренбуржья в качестве основы для тонкой, конструкционной или установочной керамики.

Но так как керамика из таких глин очень хрупкая и при небольших нагружениях разрушается то исходя из этого была поставлена цель модернизировать установку ТШ-ВМ, расширить его функциональные возможности за счет введения датчика скорости нагружения хрупких керамических материалов. Для достижения этой цели необходимо выполнить следующие задачи:

- Изучение устройства ТШ-ВМ;

- Разработка плана модернизации;

- Модернизация блока управления;

- Разработка схемы скорости нагружения;

- Монтаж модернизированной установки ТШ-ВМ;

- Испытание установки.

Актуальность работы обусловлена необходимостью расширения приборной базы для экспериментальных исследований в области разработки новых керамических материалов.

 

 

1 Механические свойства материалов

 

 

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение твердых тел под действием приложенных внешних механических сил. Механические свойства материалов характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии внешних нагрузок. Основными показателями свойств материалов являются:

- прочность;

- твердость;

- триботехнические характеристики.

Их параметры существенно зависят от формы, размеров и состояния поверхности образцов, а также режимов испытаний (скорости нагружения, температуры, воздействия окружающих сред и других факторов) [1].

 

 

1.1 Прочность

 

 

Прочность твердого тела — это его способность сопротивляться разрушению под действием внешних сил (нагрузок). В зависимости от характера действия этих сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, а также усталость материалов [1,2].

Для испытания на растяжение из металла или сплава изготовляют образцы, форма и размеры которых установлены ГОСТом. Испытание прочности труб и проволоки производится в натуральном виде, т. е. без изготовления образцов. Испытание производится на разрывных машинах (Рисунок 1.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1- шкала самописца, 2- станина, 3- образец, 4- верхний и нижний захваты.

Рисунок 1.1 - Разрывная машина  

 

В верхний и нижний захваты закрепляют головки образца. Верхний захват закреплен неподвижно, а нижний с помощью специального механизма медленно опускается, растягивая образец до его разрыва. Развиваемое усилие достигает 50 т.

При испытании на растяжение показатели прочности могут быть получены из диаграммы растяжения, которая автоматически вычерчивается на барабане разрывной машины. Эта диаграмма характеризует поведение материала при разных нагрузках. По горизонтальной линии диаграммы откладывается абсолютное удлинение образца в миллиметрах, а по вертикальной линии — нагрузка в килограммах.

Наибольшая нагрузка , когда образец металла начинает сужаться (образуется шейка), называется нагрузкой предела прочности при растяжении, а напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, называется пределом прочности при растяжении — определяется как отношение наибольшей нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения образца , т. е.

 

                                                                (1.1)

 

где       — наибольшая нагрузка, при которой образец разрушается, кг;

— площадь поперечного сечения образца до разрыва, мм2.

Пластичность — это способность материала, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять измененную форму после снятия нагрузки. Пластичность определяется также при испытании на растяжение. По величине удлинения образца и величине уменьшения его поперечного сечения судят о пластичности материала. Чем больше удлиняется образец, тем более он пластичен. Пластичные металлы и сплавы хорошо подвергаются обработке давлением.

 Характеристикой пластичности металлов является относительное удлинение и относительное сужение.

Относительным удлинением δ называется отношение величины приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах:

 

,                                                                 (1.2)

 

где l1 — длина после разрыва, мм;

     l0 — первоначальная длина расчетной части образца, мм.

Относительное сужение Ψ — отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после испытания к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:

 

,                                          (1.3)

 

где       — площадь поперечного сечения образца до начала испытания, мм2;

F1 — площадь поперечного сечения в месте разрыва образца после испытания, мм2 [3].

 

 

1.1.1 Определение прочности на сжатие

 

 

         Испытания на сжатие σ проводили по схеме рис.1.2.

1

6

4

5

7

 

 

 

 

Рисунок 1.2 - Прибор - пробник для механических испытаний горных пород в лабораторных и полевых условиях

 

Испытываемый образец размещается между нагрузочными инденторами 2. Настройка на размер образца осуществляется вращением верхнего маховичка 10 при открытых замках 7, что обеспечивает свободное траверсы 6 по втулкам 8. Вращением маховичка 10 передается винту 4. в результате чего шток 5 благодаря шпонке 11 перемещается вверх или вниз, увлекая траверсу 6. Настройка заканчивается доведением инденторов до легкого касания с образцом. После настройки на размер образца в зависимости от вида испытания на прочность или на деформируемость - замки 7 либо остаются открытыми (определение прочности), либо закрываются (определение деформируемости).

Предел прочности при сжатии R керамических ма­териалов зависит от их состава и структуры и уменьша­ется с увеличением размера образца. Наиболее важное значение Rсж имеет для изделий стеновой керамики, ко­торые воспринимают большие нагрузки в зданиях и со­оружениях. По этому показателю стеновые изделия маркируют, принимая за марку среднюю величину по результатам испытания пяти образцов.

Для изделий строительной керамики Rсж находится в пределах 7,5—70 МПа.

Между прочностью керамического материала R и его объем­ной массой g прослеживается зависимость, имеющая вид кубической параболы:

 

.                                              (1.4)

 

А между прочностью пустотелых изделий R`сж и их объемной массой (брутто) g` отмечается зависимость вида квадратичной параболы (рисунок 1.3.)

 

.                                                            (1.5)

 

Предел прочности при сжатии пустотелых изделий определяют с учетом их «рабочего» положения в стене.

 

1 - пустотелых керамических изделий; 2- образцов-кубиков пористой керамики.

Рисунок 1.3 - Зависимость прочности от объемной массы

 

Общую разрушающую нагрузку делят на площадь брутто.

Деформирование — изменение относительного расположения частиц в материале (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг). Таким образом, деформация — изменение формы и размеров изделия или его частей в результате деформирования. Деформацию называют упругой, если она исчезает после снятия нагрузки, или пластичной, если она не исчезает (необратима).

Реальные материалы обладают технической прочностью, основные характеристики которой удобно рассмотреть с помощью диаграммы растяжения образца из пластичного материала (рисунок 1.4).

- предел упругости; - предел текучести; - предел прочности

(временное сопротивление).

Рисунок 1.4 - Зависимость нормального напряжения σ в образце от его относительного удлинения ε при растяжении

 

Предел прочности — напряжения или деформации, соответствующие максимальному (в момент разрушения образца) значению нагрузки. Отношение наибольшей силы, действующей на образец, к исходной площади его поперечного сечения называют временным сопротивлением (разрушающим напряжением) и обозначают σв [4].

 

 

1.2 Твердость

 

 

Твердость является механической характеристикой материалов, отражающей их прочность, пластичность и свойства поверхностного слоя изделия. Она выражается сопротивлением материала местному пластическому деформированию, возникающему при внедрении в материал более твердого тела — индентора. В зависимости от способа внедрения и свойств индентора твердость материалов оценивают по различным критериям, используя несколько методов [1]:

- вдавливание индентора;

- динамические методы;

- царапанье.

Вдавливание индентора в образец с последующим измерением отпечатка является основным технологическим приемом при оценке твердости материалов. В зависимости от особенностей приложения нагрузки, конструкции инденторов и определения чисел твердости различают методы [3]:

- метод Бринелля (вдавливание шарика из твердой стали);

- метод Роквелла (вдавливание вершины алмазного конуса или стального шарика);

- метод Виккерса (вдавливание вершины алмазной пирамиды).

 

 

 

 

Рисунок 1.5 - Определение твердости металлов методами: а) Бринелля, б) Роквелла, в) Виккерса

 

Метод Бринелля [3,5-7] заключается в том, что шарик из закаленной стали под действием нагрузки вдавливается в зачищенную поверхность твердого тела.

Испытание на твердость металла по методу Бринелля проводят на приборе ТБ (рисунок 1.6). Стальной шарик закрепляется в шпинделе прибора. Испытуемый образец ставят на предметный столик, который подводят к шпинделю вращением маховика. При включении электродвигателя наложенный груз опускается и стальной шарик с помощью рычажной системы вдавливается в образец. Сначала вдавливание производится медленно, затем нагрузка постепенно увеличивается и выдерживается определенное время для получения четких границ отпечатка. Испытуемый образец снимают со столика и измеряют диаметр полученного отпечатка (лунки) при помощи специальной лупы со встроенной шкалой (цена деления 0,1 мм).

 

 

 

 

а - общий вид пресса, б - схема испытания, в - отпечаток на мягком материале, г - отпечаток на твердом материале, д - проверка результатов испытания; 1 - шпиндель, 2 - испытуемый образец, 3 - столик, 4 - маховик, 5 - электродвигатель, 6 - груз.

Рисунок 1.6 - Определения твердости по Бринеллю

 

Твердость по Бринеллю обозначается буквами НВ и определяется как отношение нагрузки Р (кг), приходящейся на 1 мм2 сферической поверхности отпечатка S, по формуле:

.                                                                                       (1.6)

Метод Роквелла [3,5-7] отличается от метода Бринелля тем, что измеряется не диаметр отпечатка (лунки), а его глубина. Чем больше глубина вдавливания, тем меньше твердость испытуемого образца (рисунок 1.7).

Алмазный конус (или стальной шарик) вдавливается в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной нагрузки, равной 10 кг, а затем полной (предварительная плюс основная) нагрузки 60 кг (шкала А) или 150 кг (шкала С).

На приборе ТР величину вдавливания определяют непосредственно по шкалам А, В и С циферблата индикатора (без измерения отпечатка и математических расчетов).

При измерении твердости стандартной нагрузкой 150 кг значение твердости HR отсчитывается по шкале С индикатора, к обозначению твердости добавляется индекс шкалы, т. е. HRC. При измерении твердости тонких образцов или поверхностного слоя металла со стандартной нагрузкой 60 кг отсчет ведется по шкале А; к обозначению твердости добавляется индекс данной шкалы, т. е. HRA.

 

 

 

 

 

a — прибор ТР, б — схема испытания вдавливанием алмазного конуса; 1 — маховик, 2 — столик, 3 — алмазный конус, 4 — шпиндель, 5 — испытуемый образец, 6 — индикатор, показывающий величину вдавливания, 7 — ручка, 8 — грузы, 9 — подъемный винт; I-I — углубление конуса под действием предварительной нагрузки, II—II— углубление конуса под действием полной нагрузки, III—III — углубление конуса при уменьшении полной нагрузки до значения предварительной нагрузки.

Рисунок 1.7 - Определение твердости металла по Роквеллу

 

При измерении твердости мягких металлов стальным шариком со стандартной нагрузкой 100 кг отсчет ведется по шкале В и к обозначению твердости добавляется индекс данной шкалы, т. е. НRB.

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Метод Виккерса [3,5-7] применяется для испытания металлов и сплавов высокой твердости, деталей малых сечений и твердых поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой (цементированных, азотированных и др.). Этот метод дает очень точные показатели и применим к металлам любой твердости. Преимуществом метода Веккерса является возможность испытания тонкого поверхностного слоя металла после различных видов обработки. Твердость металла определяется отношением нагрузки Р в кг, создаваемой прибором, к площади отпечатка F в мм2, вычисленной по его диагонали, и обозначается HV.

.                                                                                      (1.7)

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Способ определения микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс.

Усталость металлов — это явление их разрушения при многократном нагружении. Повторение нагрузок значительно уменьшает прочность металлов и сплавов. В технике для характеристики усталости металлов принято понятие выносливость — это наибольшее напряжение, которое выдерживает металл, не разрушаясь после заданного числа переменных нагрузок (циклов). Причиной разрушения металлов от усталости является охрупчивание, которое объясняется появлением в ослабленных местах металла постепенно увеличивающихся микротрещин.

Усталостному разрушению под действием часто повторяющихся переменных нагрузок подвержены шатуны двигателей, коленчатые валы, поршневые пальцы, поршни и др.

Динамические методы [1] измерения твердости не приводят к возникновению дефектов поверхности изделий. Распространен способ определения твердости в условных единицах по высоте отскакивания легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытуемого материала с определенной высоты. Применяется и метод измерения твердости с помощью ультразвуковых колебаний, основанный на регистрации изменения частоты колебаний измерительной системы в зависимости от твердости исследуемого материала.

Путем царапанья [1] сравнивают твердость исследуемого и эталонного материалов. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастания их твердости: 1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — ортоклаз, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз.

 

 

1.3 Триботехнические характеристики

 

 

Триботехнические характеристики определяют эффективность применения материалов в узлах трения. Под триботехникой понимают совокупность технических средств, обеспечивающих оптимальное функционирование узлов трения.

Основные триботехнические характеристики материалов:

- износостойкость;

- прирабатываемость;

- коэффициент трения;

- ударная вязкость.

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения. Отношение величины износа к интервалу времени, в течение которого он возник, или к пути, на котором происходило изнашивание, представляет собой соответственно скорость изнашивания и интенсивность изнашивания. Износостойкость материалов оценивают величиной, обратной скорости и интенсивности изнашивания.

Прирабатываемость — свойство материала уменьшать силу трения, температуру и интенсивность изнашивания в процессе приработки. Обеспечение износостойкости напрямую связано с предупреждением катастрофического изнашивания и прирабатываемостью.

Коэффициент трения — отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу. Его значения зависят от скорости скольжения, давления и твердости материалов трущихся поверхностей.

Ударная вязкость — это способность металлов и сплавов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок.

Для испытания материала на ударную вязкость изготовляют стандартные образцы с надрезом в виде брусков с квадратным сечением и определенных размеров. Испытания проводят на специальном устройстве — маятниковый копер. Маятник с закрепленным грузом, массой 10, 15 и 30 кг поднимают на определенную высоту и закрепляют в этом положении защелкой. После освобождения маятник падает и производит удар по образцу со стороны, противоположной надрезу.

Разрушение образцов имеет различный характер. У хрупких металлов образцы разрушаются без изменения формы, у вязких металлов они подвергаются значительному изгибу в месте излома.

Ударная вязкость является важной характеристикой материала деталей, которые в процессе работы того или иного механизма испытывают кратковременную ударную нагрузку (например, коленчатые валы двигателей, валы и шестерни коробок передач, полуоси колес и др.). Вязкость — свойство, противоположное хрупкости.

Триботехнические характеристики материалов зависят от следующих основных групп факторов, влияющих на работу узлов трения:

- внутренних, определяемых природой материалов;

- внешних, характеризующих вид трения (скольжение, качение);

- режима трения (скорость, нагрузка, температура);

- среды и вида смазочного материала.

Совокупность этих факторов обусловливает вид изнашивания: абразивное, адгезионное, эрозионное, усталостное и др. Основная причина всех видов изнашивания — работа сил трения, под действием которых происходит многократное деформирование поверхностных слоев трущихся тел, изменение их структуры [1], и т. д.

 

 

1.4. Кинетические модели разрушения

 

 

С повышением температуры вязкость увеличивается (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

 

Предел текучести Sт существенно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву Sот не зависит от температуры. При температуре выше Тв предел текучести меньще сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии.

При температуре ниже Тн сопротивление отрыву меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур Тн - Тв.

Хладноломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Хладноломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку [6].

 

 

1.4.1 Модель Журкова

 

 

Согласно концепции, развиваемой школой С.Н. Журкова [8], время t, необходимое для разрушения, может служить рациональной мерой прочностных свойств:

                                                  (1.8)

где  tо=10-13с – фундаментальная постоянная, совпадающая с периодом колебаний атомов в твердых телах;

E=Eо-Ksi, – энергия активации разрушения.

Eо - энергия межатомной связи;

K - структурночувствительный коэффициент.

В случае предельной нагрузки энергия активации разрушения         E=0, exp(Eо-Ksi/kT)=1. Модули упругости пропорциональны энергиям связи; значения si - напряжения, при которых происходит полное разрушение. Изменение прочности происходит за счет изменения коэффициента К, приобретающего смысл коэффициента локальных перенапряжений на разрываемых связях. Несложный расчет показывает, что значение К1 (для кремнеземистой керамики) в 14 раз больше К2 (системы с 15% зеленого карбида).

Формула, связывающая время до разрушения с температурой и величиной разрывного напряжения s имеет вид: t=tоexp [(Eo-Ks)/kT];   kTln(t/tо)=Eо-Ksi. Понятие долговечности в кинетической теории разрушения вместо приобретающее фундаментальное значение для понимания механизма разрушения.

По экспериментальным значениям   t, Eо, K и si для образцов с минимальной и максимальной прочностью   определены соотношения   объемов дилатонов: D1/D2=0.48. Объем дилатона для системы с15% составляет 1.3·10-3мкм3, с радиусом 70 нм.

Выводы: армирование кремнеземистой керамики частицами карбида кремния изменяет скорость теплофизических процессов, происходящих при спекании, тип формирующейся структуры и, как следствие, характер разрушения системы. Существенное повышение прочности и долговечности обусловлено резким снижением концентрации локальных напряжений или скоростью образования дилатонов, в частности, за счет увеличения эффективного объема дилатона.

 

 

1.5 Постановка задачи

 

 

В последнее время большой интерес в технике представляют керамические материалы, одним из которых является кремнеземистая керамика. Основная проблема, препятствующая широкому использованию кремнеземистой керамики – это невысокая прочность при высокой хрупкости. Поэтому остро стоит проблема повышения прочности керамики при уменьшении хрупкости. Для ее решения необходимо развивать как новые математические модели процессов разрушения, так и методы экспериментальных исследований этих процессов.

Неоднородность и полифазность, присущая кремнеземистой керамике, не позволяют исследовать её методами наноиндентирования [9, 10], так как нет таких установок, а следовательно, необходимо разработать иные методы. Один из простых рациональных или перспективных путей – это изменение скорости механического одноосного нагружения образцов спеченной керамики.

Актуальность работы обусловлена необходимостью расширения приборной базы для экспериментальных исследований в области разработки новых керамических материалов.   Для создания методики, позволяющей варьировать время индентирования (вдавливания индентора в объем образца), была поставлена задача сконструировать и опробировать устройство, позволяющее регулировать скорость нагружения. Это позволит использовать для анализа развития разрушения уравнения динамики разрушения, предложенной Журковым [8]. Увеличение времени разрушения позволит надежнее интерпретировать измеренные значения и делать выводы о локальных состояниях структуры кремнеземистой керамики.

За основу нагружающего устройства был выбран твердомер ТШ-ВМ.           Целью работы является модернизация твердомера ТШ-ВМ, расширение его функциональных возможностей за счет введения датчика скорости нагружения для хрупких керамических материалов.

Для решения этой задачи необходимо решение следующих частных проблем:

  • Изучение устройства ТШ-ВМ;
  • Разработка плана модернизации;
  • Модернизация блока управления;
  • Разработка схемы скорости нагружения;
  • Монтаж модернизированной установки ТШ-ВМ;
  • Испытание установки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Материалы и методы исследования

 

2.1 Материалы для исследования

 

 

На территории Оренбургского Предуралья ингрессионный (медленный) характер распространения вод, когда заполнялись лишь древние крупные долины рек (Урал, Сакмара, Самара, Илек и др.), способствовал накоплению пелитового (тонкозернистого, состоящего более чем на 50% из частиц размером менее 0.005 мм) материала. Это привело к образованию высокодисперсных монтмориллонитовых глин со значительной фациальной неоднородностью (facies- облик) [11]. Глины с преобладающим содержанием монтмориллонита добываются в больших количествах. Они применяются в нефтеперерабатывающей промышленности - как компонент глинистых растворов при бурении; в металлургии - в качестве связки при производстве железорудных окатышей и для приготовления формовочных земель; в пищевой, химической, фармацевтической промышленностях.

Эксплуатационные свойства керамических материалов определяются структурными параметрами твердой фазы - фазовым составом, текстурой, морфологическими особенностями кристаллических и аморфных компонентов, формирующимися при интенсивном тепловом воздействии - спекании. Согласно современным представлениям, эволюцией структуры керамики можно управлять путем оптимизации внешних параметров (режимов спекания) и внутренних (вариации состава керамической массы – шихты).

Химический состав монтмориллонит содержащей глины, определенный по методикам силикатного анализа [12] (таблица 2.1).

 

 

 

 

Таблица 2.1 – Химический составы монтмориллонит содержащей глины

Глина

п.п.п.

SiO2

Fe2O3

TiO2

Al2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

∑ , %

М

7,08

55,90

9,51

0,86

18,63

0,72

2,05

1,90

3,24

99,89

 

Монтмориллонитовая глина является мелкодисперсной, со средним размером частиц менее 1мкм. Фазовый состав и фазовые превращения в монтмориллонитовой глине приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Фазовый состав и фазовые превращения в монтмориллонитовой глине при 900оС

Монтмориллонит

содержащая глина

Кремнеземистая керамика,

 

 

Компонент

Объем.

доля, %

Режим

Компонент

 

Тип решетки

Объем.

доля, %

 

β- кварц, Si02

54

900оС, 3 часа, скорость нагрева 5 град/мин

 

β-кварц, SiO2

Тригональ-ная

71

 

монтмориллонит

21

 

кордиерит железистый, Fe2Al3[AlSi5018]

Ромбичес-кая

10

 

хлорит

(Mg,Fe)62x(Al,Fe)2x[OH]8{Si42xAl2xO10}

9

 

тридимит, SiO2

Гексаго-нальная

14

 

кристобалит, Si02

9

 

α- корунд, Al203

Тригональ-нaя

5

 

α- корунд, Al203

7

 

 

 

 

 

 

Получали образцы по технологической схеме(рисунок 2.1):

 

Рисунок 2.1 – Технологическая схема получения образцов

 

Образцы керамики для исследований получали по традиционной технологии: готовили керамическую массу (шихту), добавляя в глину до 20% воды, с помощью пресса – твердомера ТШ-ВМ производили полусухое прессование образцов в форме дисков диаметром 25 и высотой 10мм. Сушили образцы сутки на воздухе при комнатной температуре, затем 2 часа при 160оС. После чего спекали образцы при температуре 900оС, 3 часа, со скорость нагрева 5 град/мин.

Для эксперимента мной было использовано 30 образцов из кремнеземистой керамики.

 

 

2.2 Методы разрушения хрупкой кремнеземистой керамики

 

 

Основной характеристикой кремнеземистой керамики является прочность на сжатие, эта характеристика не постоянна и зависит от различных факторов: режима спекания, фракционного состава, содержания армирующих частиц, и от воды затворения, а также от характера разрушения – распространения трещин. Для того чтобы исследовать прочность и характер разрушения хрупких керамических образцов мы использовали метод индентирования. За аналог мы выбрали откольный метод разрушения, которым пользуются для изучения разрушения в металлах при высокоскоростных нагружениях. Для того, чтобы увидеть «фокус напряжения» использовали метод внедрения индентора [13].

Индентирование (англ. indentation) — испытание материала методом индентирования (вдавливания в поверхность образца специального инструмента — индентора), применяемое к объемам [14].

Индентирование производится вдавливанием в изучаемый образец индентора, обладающего известными механическими свойствами — формой, модулем упругости и т. д., с заданным усилием. Далее либо исследуется форма и размер пятна контакта, либо строится кривая зависимости положения индентора от нагрузки. В первом случае требуется более простое оборудование, во втором удается получить больше информации о материале.

Методы вдавливания (индентирования) являются наиболее простыми, быстрыми, чувствительными и универсальными методами исследования механических свойств различных материалов [15].

В работе было произведено индентирование по методу Бринелля. Так как он является самым перспективным в нашем случае. За счет того что в качестве индентора выступает стальной шарик диаметром 10 мм, другие методы не подходят из-за того, что в них в качестве индентора выступают либо конус, либо пирамида. В качестве устройства для индентирования был взят твердомер ТШ-ВМ (Рисунок 2.2).

 

Рисунок 2.2 - Твердомер ТШ-ВМ

 

Твердость по Бринеллю.

При стандартном (ГОСТ 9012-92) измерении твердости по Бриннелю стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуемый образец под нагрузкой Р, приложенной в течение определенного времени, и после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности отпечатка (рисунок 2.3).

 

Рисунок 2.3 - Схема испытания твердости по Бринеллю

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В поверхностном слое под индентором идет интенсивная пластическая деформация а диаметр отпечатка

получается тем меньше, чем выше сопротивление материала образца деформации, производимой индентором.

Испытание материалов с использованием шариков различной величины следует проводить при постоянном отношении P/D2 . Поверхность образцов следует подготовить так, чтобы диаметр образующего отпечатка можно было измерить с достаточной точностью (0,01...0,05 мм). Минимальная толщина испытуемого образца должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка.

Разрушение кремнеземистой керамики, не сопровождается заметным пластическим течением. В образцах для зарождения микротрещин перед разрушением происходит небольшая пластическая деформация. Образующиеся при этом микротрещины растут до тех пор, пока одна из них, находящаяся в наиболее благоприятном для развития положении, не достигнет классического размера, что приводит к разрушению образца. При этом весь процесс разрушения можно разбить на три стадии: зарождение микротрещины; рост ее до критических размеров; катастрофическое распространение трещины, приводящее к дроблению образца (Рисунок 2.4).

 

Рисунок 2.4 - Процесс разрушения кремнеземистой керамики

 

Исходя из этого из-за того что у кремнеземистой керамики хрупкий характер разрушения, нельзя померить твердость классическим случаем (как у металлов), для этого было введена новая временная характеристика, скорость нагружения на образец. А согласно концепции развиваемой школой С.Н. Журкова [8], время t, необходимое для разрушения, может служить рациональной мерой прочностных свойств:

 

                                                                      (2.1)

 

где  tо=10-13с – фундаментальная постоянная, совпадающая с периодом колебаний атомов в твердых телах;

E=Eо-Ksi, – энергия активации разрушения;

Eо - энергия межатомной связи;

K -структурночувствительный коэффициент;

si - напряжения, при которых происходит полное разрушение.

Для того, чтобы получить возможность использовать для анализа процесса хрупкого разрушения образцов кремнеземистой керамики, необходимо в приборе ТШ-ВМ создать устройство, регулирующее скорость нагружения.

 

 


3 Обсуждение результатов

 

3.1 Устройство для механических испытаний образцов из кремнеземистой керамики

 

3.1.1 Устройство твердомера ТШ-ВМ

 

 

Твердомер ТШ-ВМ предназначен для измерения твердости по Бринеллю в пределах НВ100…300. Пределы измерения твердости – 8...300 НВ. Испытательные нагрузки -       187.5 (1838,75 Н); 250.0 (2451,66 Н); 750.0 (7354,99 Н); 1000.0 (9806,65 Н); З000.0 (29419,95 Н) кгс. Предел допускаемой погрешности нагрузок не должен быть более ±1% Предел допускаемого значения вариации нагрузок не должен быть более 1%.

Отклонение среднего значения числа твердости, полученного на поверяемом приборе, от средней твердости образцовой меры 2 разряда МТБ, ТУ25.06.1333-76 не должно быть:

при НВ 100±25 и нагрузке 1000 кгс +5%

при НВ 200±50 и нагрузке 3000 кгс ±4%

Вариация показаний прибора при поверке его образцовыми мерами твердости 2 разряда МТБ, ТУ25.06.1333-76 не должна быть:

при НВ 100±25 и нагрузке 1000 кгс 5%

при НВ 200±50 и нагрузке 3000 кгс 4%

Продолжительность выдержки испытуемого образца под нагрузкой 10±2; 30±4; 60+6 сек.

Диаметры стальных шариков 2, 5; 5, 0; 10, 0 мм. Допускаемые отклонения по ГОСТу 3722-60 степени точности 1 группы В.

Мощность, потребляемая от сети 3-х фазного напряжения 220 В и частотой 50 Гц, не более 0, 18 кВт.  

Прибор этого типа состоит из следующих механизмов (рисунок 3.1), смонтированных на литой чугунной станине:

  • Механизма привода, состоящего из электродвигателя и червячного редуктора.
  • Механизма подъема стола.
  • Механизма подъема рычажного устройства.
  • Механизма переключения движения (реверсирования).
  • Механизма нагружения.

В приборе применен механизм нагружения рычажного типа с передаточным отношением 1:50, расположенный в верхней части станины.

Механизм нагружения состоит из подвески с грузами, обеспечивающими создание необходимой испытательной нагрузки, рычагов, связующей их серьги, шпинделя и втулки, в которой винтом укрепляется оправка с шариком.

1 — станина, 2 — винт подъема, 3 — маховик, 4 — столик, 5 — шарик, 6 — шпиндель, 7 — пружина, 8, 9, 10 — рычажная система и гири, 11 — шатун, 12 — электромотор, 13 — червячная передача.

Рисунок 3.1 - Твердомер ТШ-ВМ

 

Пружина поджимает втулку и конусному гнезду втулки, установленной в станине прибора. Конусное направление служит только для предварительной ориентировки положения шпинделя. При проведении испытаний изделие, установленное на столе прибора, упирается в шарик и, сжимая пружину, сжимает втулку с конусного направления.

Следовательно, внедрение шарика в испытуемое изделие под нагрузкой происходит без трения, и если не считать малого трения в призмах механизма нагружения. Ограничитель позволяет шарику подняться до требуемой величины – пока втулка не коснется торца шпинделя. Весь процесс испытания осуществляется с помощью подъемного механизма, приводимого в действие через редуктор электродвигателем.

Включение механизма нагружения производится следующим образом:

  • Включение тумблера в сеть.
  • Включение контрольного тумблера.
  • Включение кнопки «пуск».

При нажатии кнопки «пуск» на двигатель подается напряжение 220В.

Вращение ротора электродвигателя через червячный двухступенчатый редуктор с общим передаточным отношением 1/1600 передается на кривошипошатунный механизм нагружения.

Шатун с укрепленным на нем роликом опускается, и освобожденная рычажная система нагружения передает через шарик на испытуемое изделие заданную нагрузку. Возврат механизма нагружения в исходное состояние осуществляется механизмом переключения вращения ротора электродвигателем (реверсированием).

Это происходит следующим образом: после подачи нагрузки на испытуемое изделие включается время паузы (время удержания нагрузки), спустя это время происходит переключение двигателя на обратный ход.

Правила эксплуатации, ухода и хранения.

Для обеспечения бесперебойной работы прибора необходимо соблюдать следующие основные правила эксплуатации:

  • Прибор должен содержаться в чистоте и порядке.
  • Работа на приборе с неисправными механизмами и электрооборудованием категорически воспрещается.
  • Ежедневно перед началом работы тщательно проверять прибор.
  • Необходимо оберегать прибор от случайных ударов и толчков.
  • Перед каждым испытанием поверхность столика тщательно протирается.
  • Периодически, раз в год, закладывать в редуктор и шарикоподшипник подъемного механизма смазку УС-2, ГОСТ 1033-51.
  • По окончанию работ прибор должен быть тщательно вытерт и закрыт чехлом.
  • Переносить прибор можно с помощью прутка диаметром 18-20мм, пропущенного через соответствующее отверстие в станине прибора при снятых грузах и закрепленных рычагах.

 

 

3.1.2 Устройство регулятора скорости нагружения для ТШ-ВМ

 

 

После освоения приемов работы на твердомере был разработал план его модернизации. Для этого необходимо было сначала рассмотреть электрическую схему твердомера (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Электрическая схема ТШ-ВМ

 

Изучение этой схемы позволило правильно выбрать место в цепи для включении в нее схемы для регулирования скорости нагружения и снятия нагрузки. На рисунке красным светом выделена схема управления скорости нагружения, которую необходимо было включить в цепь. Следующий этап работы связан с модернизацией и установкой блока управления скоростью нагружения. Для этого была составлена структурная схема ТШ-ВМ.

Термин "структурная схема" означает документальное отражение построенной модели ОТР (организационно – техническое решение), причем сам этот объект уже понимается в более широком смысле и моделирует все реальные объекты, для которых данное представление оказывается применимым.

Всякая система определяется не только составом своих частей, но также порядком и способом объединения этих частей в единое целое. Все части (элементы) системы находятся в определенных отношениях или связях друг с другом. Структурная схема создается непосредственно для блока управления (рисунок 3.3):

 

Рисунок 3.3 - Структурная схема для блока управления ТШ-ВМ

 

Структурная схема ТШ-ВМ состоит из двух основных частей: блок управления и электродвигатель. Блок управления в свою очередь состоит еще из нескольких составляющих таких как: тумблер "сеть", тумблер "безопасность", кнопка "пуск", таймер (печатная плата, с помощью которой устанавливается пауза или время нахождения образца под нагрузкой), время задающий резистор (переключатель, подсоединенный к таймеру, с помощь которого выставляется необходимая пауза). Блок реверсирования электродвигателя меняет его полярность: электродвигатель начинает вращаться в обратном направлении и происходит снятие нагрузки с образца. Регулятор скорости вращения электродвигателя представляет собой печатную плату, подсоединенную к электродвигателю. С помощью этой платы регулируется скорость оборотов двигателя, а, значит, и скорость нагружения образцов. Резистор для регулировки скорости вращения двигателя – это переключатель, подсоединенный к регулятору скорости вращения электродвигателя. С его помощью устанавливается необходимая скорость вращения двигателя и скорость нагружения образца.

Для модернизации блока управления скоростью нагружения образца необходимо было помимо структурной схемы изучить алгоритм функциональной схемы.

Алгоритм функциональной схемы (рисунок 3.4) служит для разъяснения определенных процессов, происходящих в отдельных частях устройства или в целом устройстве; используется для изучения принципов их работы, а также при наладке, регулировании, контроле и ремонте прибора.

 

Рисунок 3.4 - Алгоритм функциональной схемы

 

Прибор предназначен для измерения твердости изделий и изготовления образцов способом полусухого прессования.

  • Установить на рычажную систему нужное количество грузов.
  • Убедиться в том, что тумблеры «сеть», «блокировка» находятся в нижнем положении.
  • Убедиться, что регулятор «время нагрузки» находится в крайнем левом положение.
  • Подключить прибор к сети 220В.
  • Перевести тумблер «сеть» в верхнее положение, при этом должна загореться лампа «сеть».
  • Для прессования установить прессформу с заготовкой на платформу. Для измерения твердости необходимо установить образец на платформу.
  • Повернуть маховик по часовой стрелке до упора.
  • Установить регулятор «время нагрузки» в необходимое положение.
  • Перевести тумблер «блокировка» в верхнее положение.
  • Нажать кнопку «пуск», при этом должна загореться лампа «вниз» и произойти нагружение прессформы с заготовкой.
  • После окончания нагружения, должна погаснуть лампа «вниз» и загореться лампа «время нагружения», при этом двигатель должен остановиться.
  • По окончанию времени нагрузки установленного регулятором «время нагрузки» должна погаснуть лампа «время нагрузки» и загореться лампа «вверх» и начаться снятие нагрузки с прессформы.
  • По окончанию разгрузки должна погаснуть лампа «вверх» и прекратиться работа двигателя.
  • Перевести тумблер «безопасность» в нижнее положение.
  • Вращением маховика против часовой стрелки освободить при прессовании прессформу с заготовкой, а при измерении твердости испытуемый образец.
  • Снять прессформу с платформы при прессовании, убрать образец с платформы при измерении твердости
  • При необходимости повторных прессований повторить действия, начиная с пункта 5.
  • После окончания работы перевести тумблер «сеть» в нижнее положение.
  • Выключить установку из сети 220В.

Примечание: В случае обнаружения каких-либо неисправностей, необходимо немедленно перевести тумблер «безопасность» в нижнее положение и выключить твердомер из сети.

Для соблюдения техники безопасности при измерении твердости, образец необходимо поместить в пакетик, чтобы предотвратить разлет и попадание осколков в людей.

После изучения структурной схемы и алгоритма функциональной схемы была произведена модернизация блока управления, которая позволила в дальнейшем закрепить на нем плату скорости нагружения и вывести переключатель скорости на панель установки.

После этого необходимо перейти к разработке схемы скорости нагружения (рисунок 3.5).

 

Рисунок 3.5 – Электрическая схема скорости нагружения

 

Разработанную схему необходимо было перенести на печатную плату.

В твердомерах, аналогичных описанному, не регулируется скорость нагружения. Но кремнеземистая керамика разрушается хрупко, при высокой скорости распространения трещин, отследить процесс разрушения при одной высокой скорости невозможно. Было принято решение ввести несколько скоростей нагружения. В результате проделанной работы существенно расширен спектр использования прибора.

Модернизация твердомера позволяет использовать 5 скоростей нагружения на образец: 0,054±0,002; 0,188±0,002; 0,230±0,002; 0,260±0,002; 0,273±0,002 мм/с.

В процессе выполнения работы была сконструирована печатная плата и нанесены необходимые элементы такие как: тиристор BTA 06-600 C, динистор DB-3, резистор и несколько соединений (рисунок 3.6). Она позволяет регулировать скорость нагружения на образец. Главное назначение работы этой платы - регулировать скорость вращения двигателя за счет резисторов, внедренных в переключатель. Резисторы оказывают разное сопротивление электродвигателю в различных положениях переключателя.

Нагрузка обеспечивается двигателем, поэтому если скорость вращения двигателя меньше, то и скорость нагружения тоже меньше и, наоборот. Для того чтобы плата управляла скоростью движения нагружающего устройства, необходимо подключить ее к электродвигателю и к переключателю, с помощью которого устанавливается необходимая скорость.

 

 

Главным элементом на этой плате является тиристор BTA 06-600 C (рисунок 3.7). Именно за счет него производится регулировка скорости нагружения.

Рисунок 3.7 - Тиристор BTA 06-600 C

 

Принцип работы и описание тиристора BTA 06-600 C
           Тиристор серии BTA06 подходит для общего назначения переключения переменного тока. Он может быть использован для регулирования отопления, индукции запуска двигателя в цепи, скорости вращения двигателя. Специально рекомендован для использования в индуктивной нагрузке, благодаря своим высоким коммутационным свойствам. С помощью внутренней керамической панели серия ВТА обеспечивает напряжение изолированной вкладки (мощностью 2500VRMS), что соответствует стандартам.

После нанесения элементов на плату, они были соединены в определенной последовательности (произведена трассировка).

Трассировка заключается в определении конкретной геометрии печатного или проводного монтажа, реализующего соединения между элементами схемы. Исходные данные для трассировки: список цепей, метрические параметры, топологические свойства типовой конструкции и ее элементов, результаты решения задачи размещения, по которым находят координаты выводов элементов конструкции. Формальная постановка задачи трассировки и методы ее решения в значительной степени зависят от вида монтажа и конструкторско-технологических ограничений, определяющих метрические параметры и топологические свойства монтажного пространства. Трассировка печатной платы приведена на рисунке 3.8.

 

Рисунок 3.8 - Трассировка печатной платы

 

Для размещения элементов на плате   выбран размер платы 60×40 мм, толщина стеклотекстолита 1,5 мм марки СФ-1-35, шаг координатной сетки 1,25 мм. После трассировки платы был произведен монтаж модернизированной установки, то есть плата была встроена в блок управления и подключена к переключателю и электродвигателю.

Модернизированный твердомер прошел испытания на серии образцов из кремнеземистой керамики, изготовленных полусухим прессованием на этом же прессе.

 

 

3.2 Апробация устройства

 

 

Модернизированный ТШ-ВМ, получивший дополнительную функцию был переименован в ТШ-ВМК. Устройств, регулирующее скорость нагружения, было представлено на Областной выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2012», о чем свидетельствует сертификат (см. Приложение №1). После модернизации многофункциональный прибор ТШ-ВМК прошел испытания в лаборатории «Физика перспективных материалов».

Для испытания было взято 30 образцов из кремнеземистой керамики, приготовленных следующим образом: готовили керамическую массу (шихту), добавляя в глину до 20% воды, с помощью пресса – твердомера ТШ-ВМ производили полусухое прессование образцов в форме дисков диаметром 25 и высотой 10мм. Сушили образцы сутки на воздухе при комнатной температуре, затем 2 часа при 160оС. После чего спекали образцы при температуре 900оС, 3 часа, со скоростью нагрева 5 град/мин.

Готовые образцы механически нагружали и в конце испытания разрушали на этом же приборе. Во всех случаях нагружение производилось при постоянной нагрузке, равной 250.0 кгс (2451,66 Н), но при разной скорости нагружения. Схема нагружения не изменялась – одноосное сжатие, при этом индентор (шарик диаметром 10мм) являлся источником локальных напряжений. Было принято решение произвести нагружения при двух скоростях: самой большой, равной 0,273±0,002 мм/с и самой маленькой - равной 0,054±0,002 мм/с. При каждой скорости было произведено по 15 экспериментов.

Все образцы разрушались при нагрузке хрупко. О различиях в процессах их разрушения судили по времени разрушения и по числу получающихся при этом осколков. После экспериментов были подсчитано количество осколков для одинаковых объемов исходных целых образцов: при скорости нагружения 0,273±0,002 мм/с получилось 44 осколка, а при скорости 0,054±0,002 мм/с получилось 37 осколков. Отсюда можно сделать вывод о том, снижение скорости разрушения в 5 раз приводит к изменениям в характере распределения механических напряжений в образце. Диаграмма времени разрушения при разных скоростях нагружения приведена на рисунок 3.9,а,б. Среднее время разрушения составил 0,45 секунд (рисунок 3.9а) для максимальной и 6,15 секунд (рисунок 3.9 б) для минимальной скоростей. При снижении скорости нагружения в 5 раз, время разрушения увеличилось в 14 раз. При большой скорости разрушения образцы разрушались мгновенно, а при маленькой образцы разрушались медленно, причем некоторые после завершения нагружения еще некоторое время находились под нагрузкой, а лишь потом разрушались. Результаты измерений, приведенные на диаграмме (рисунок 3.9) свидетельствуют о вполне удовлетворительном совпадении результатов и надежной стабильной работе регулятора скорости нагружения. Погрешность оценки времени составляет не более ±0.01 секунды. Скорости распространения трещин разрушения равны 318 мм/с и 22.5мм/с соответственно. В первом случае разрушение идет за счет проскакивания магистральных трещин, а во втором – путем значительного ветвления, при котором твердофазным каркасом существенно рассеивается механическая энергия.

а)

б)

Рисунок 3.9 – Время разрушения при скорости нагружения: а) 0,273мм/с, б) 0,054 мм/с

После этого определили средние объемы фрагментов, это необходимо для измерения эффективной длины трещин. Объём образцов кремнеземистой керамики находили по формуле:

 

.                                                 (3.1)

 

Линейные размеры образцов кремнеземистой керамики V=5см3, погрешность измерения 1%. Объём фрагментов керамики находили по формуле:

 

.                                                           (3.2)

 

Средний объём фрагментов при скорости нагружения 0,273мм/с равен Vфр=1см3, а при скорости нагружения 0,054 мм/с - Vфр=1.8см3 , некоторая часть керамических образцов обращается в пыль. Осколки имеют произвольную форму которая подчитывается по формуле:

 

,                                                     (3.3)

 

где fфактор формы, чаще всего f≠1; abc. Однако в первом приближений считаем, что осколки имеют форму куба. Такой метод дает нам большую погрешность - до 20%.

От лунки, полученной при вдавливании с большой скоростью, расходятся радиальные трещины (рисунок 3.8), эффективная длина которых оценивалась по формуле:

 

.                                                       (3.4)

 

После подсчетов оказалось что средняя длина трещины при скорости нагружения 0,273мм/с около 2мм, а при скорости 0,054 мм/с около 4мм.

 

Рисунок 3.10 - Траектории трещин при максимальной (жирные линии) и минимальной (пунктирные линии) скоростях нагружения

 

При расчете длины трещины воспользовались данными об объеме фрагментов, которая имеет большую погрешность – 20%, тогда погрешность эффектной длины трещины составит – 30%. Тем не менее, можно утверждать, что с уменьшением скорости нагружения трещина проходит в 2 раза больший путь до слияния со следующей. Распределенное во времени хрупкое разрушение выполняет роль дополнительного фактора, рассеивающего в образце внешнюю механическую энергию и вызывает ветвление трещин.

Отсюда можно сделать, вывод что изменение скорости вдавливания индентора в объем образца приводит к перераспределению характера напряжений в образце и способов их релаксации.

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

 

После завершения модернизации устройства ТШ-ВМ необходимо сделать ряд основных выводов.

В твердомерах, аналогичных описанному, не регулируется скорость нагружения. Но так как кремнеземистая керамика разрушается хрупко, при высокой скорости распространения трещин отследить процесс разрушения при одной высокой скорости невозможно. В результате включения в функциональную схему твердомера блока управления скоростью нагружения, существенно расширен спектр использования прибора и возможности экспериментального исследования процессов хрупкого разрушения образцов из кремнеземистой керамики.

Модернизация твердомера позволяет использовать 5 скоростей нагружения на образец: 0,054±0,002; 0,188±0,002; 0,230±0,002; 0,260±0,002; 0,273±0,002 мм/с.

Модернизированный твердомер прошел испытания на серии образцов из кремнеземистой керамики, изготовленных полусухим прессованием на этом же прессе. Испытания проводили при двух скоростях нагружения: самой большой (0,273±0,002 мм/с) и самой маленькой   (0,054±0,002 мм/с).

Установлено, что блок управления скоростью нагружения работает стабильно, измеренные значения показывают удовлетворительное совпадение, ошибка измерения времени разрушения не превышает ± 0.01 секунды.

Во время испытания прибора были получены интересные результаты::

При изменении скорости нагружения в 5 раз скорость распространения трещин (время разрушения) увеличивается в 14 раз. При этом образец разрушается на меньшее число частей, эффективная длина трещин увеличивается в 2 раза. Изменение скорости вдавливания индентора в объем образца приводит к перераспределению характера напряжений в образце и способов их релаксации.

Список использованных источников

 

 

  • http://schoolru/index.php?option=com_zoo&task=category&category_id=15&Itemid=17
  • http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-181-4/24.htm
  • http://schoolru/index.php?option=com_zoo&task=category&category_id=134&Itemid=17
  • http://www.nestudent.ru/download.php
  • http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-153-stroitelnaya-tehnika/37.htm
  • http://nwpi-fsap.narod.ru/lists/materialovedenie_lect/7.html#_Toc57004593
  • http://www.fast-const.ru/articles.php?article_id=25
  • Журков С.Н. Временная зависимость прочности твердых тел./ Б.Н. Назуллаев.-M. : ЖТФ т. 23, вып 10, 53г.
  • Боярская Ю.С. Физика процессов микроиндентирования. /Грабко Д.З., Кац М.С.Кишинев: Штиница 1986, 256 с.
  • Головин Ю.И. Кристаллография 35, 2, 440, 1990
  • Староверов В.Н. Фациальная модель формирования глинистых пород акчагыла юго-востока Русской плиты./ В.Н. Староверов, А.Д. Савко// Вестн. Воронеж. ун-та. Геология. 2004. - №1: Литология, палеонтология, стратиграфия. -С.14-29.
  • Крешков А.П. Основы аналитической химии - М.: Химия, 1976. Т.2: Теоретические основы. Количественный анализ. 1976. - 480 с.
  • Глушак Б.Л. Численное моделирование откольного разрушения металлов./ И.Р. Трунин, С.А. Новиков, А.И. Рузанов.
  • http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1275
  • Бикбаева З.Г. Микротвердость керамических материалов. /В.В. Полисадова, А.А. Панина.

Скачать: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Категория: Дипломные работы / Дипломные работы по физике

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.