Способ обработки однонаправленного композиционного материала

 

Способ обработки однонаправленного композиционного материала. Использование: металлообработка и отрасли промышленности, связанные с ней. Цель: повышение механических характеристик однонаправленного композиционного материала при растяжении в направлении армирования с одновременным определением этих свойств. Сущность изобретения: полуфабрикат нагружают с постоянной скоростью до нагрузки, вызывающей в образце напряжение σ < σ_b- Δσ, где σ_b - среднее значение предела прочности композиционного материала в направлении армирования; где S - среднеквадратичное отклонение при определении предела прочности композиционного материала в направлении армирования, t_пр - коэффициент Стьюдента; n - количество испытанных образцов при определении σ_b с одновременной записью диаграммы "нагрузка-абсолютное удлинение", после чего образец разгружают. Нагрузку с последующей разгрузкой повторяют до тех пор, пока кривая нагрузки совпадет с кривой разгрузки. 1 ил.

Изобретение относится к способам повышения механических характеристик однонаправленных композиционных материалов и их оценке.

Известен способ обработки металлов и сплавов, включающий сжатие до предела текучести с последующим растяжением [1]. Однако этот способ обработки не позволяет повысить механические характеристики.

По общей совокупности признаков наиболее близким к изобретению является способ обработки металлов и сплавов с целью повышения условного предела текучести, включающий двукратное нагружение с записью диаграммы нагрузка - абсолютное удлинение [2]. Причем в первом цикле к образцу прикладывают нагрузку, вызывающую напряжение σ₁ выше предела текучести материала, после чего образец разгружают, а повторное нагружение осуществляют до нагрузок, вызывающих напряжение не менее σ₁. Однако этот способ не позволяет повысить модуль упругости, вызывает значительные пластические деформации и, кроме того, его сложно реализовать на композиционном материале.

Цель изобретения - повышение механических характеристик (модуль упругости, напряжение предела пропорциональности, напряжение условного предела упругости) однонаправленного композиционного материала при растяжении в направлении армирования с одновременным определением этих свойств.

Это достигается благодаря тому, что при способе, включающем растяжение образца с записью диаграммы нагрузка - абсолютное удлинение и обработку результатов, полуфабрикат из композиционного материала многократно нагружают с постоянной скоростью до нагрузок, вызывающих напряжения σ < (-Δσ), где - среднее значение предела прочности композиционного материла в направлении армирования; Δσ = , где S - среднеквадратичное отклонение при определении предела прочности композиционного материала в направлении армирования; t_n,р. - коэффициент Стьюдента; n - количество испытанных образцов при определении , с последующим разгружением, нагружение прекращают при совпадении кривой нагрузки с кривой разгрузки.

На фиг. 1 представлена экспериментальная зависимость нагрузка-удлинение (1-4 - циклы нагружения).

Способ осуществляют следующим образом.

Первоначально методами стереометрической металлографии определяют характеристики композиционного материала (коэффициент заполнения, ориентации структуры и средний диаметр волокна). На основе полученных характеристик с учетом свойств матрицы определяют форму и размеры образцов, с помощью которых экспериментально находят среднее значение предела прочности композиционного материала в направлении армирования . Затем полуфабрикат нагружают с записью диаграммы нагрузка - абсолютное удлинение с постоянной скоростью до нагрузки, вызывающей в образце напряжение σ < (-Δσ), а Δσ определяют из выражения Δσ = , где S - среднеквадратичное отклонение при определении предела прочности композиционного материала в направлении армирования; t_n,р. - коэффициент Стьюдента; n - количество испытанных образцов при определении , после чего образец разгружают. Нагрузку полуфабриката с последующей pазгрузкой повторяют до тех пор, пока кривая нагрузки, контролируемая по диаграмме растяжения, совпадет с кривой разгрузки. Механические характеристики полуфабриката определяют, обрабатывая диаграмму нагрузка - абсолютное удлинение, записанную в последнем цикле.

Пример. Реализацию способа осуществляли на композиционном листовом материале Аl-В толщиной 1,5 мм. С помощью металлографических шлифов определяли коэффициент заполнения ζ = 0,5, коэффициент ориентации структуры ω = 0,5, средний диаметр волокна d = 0,15 мм. На основе полученных характеристик композита с учетом механических свойств матрицы и волокон образцы имели следующие основные параметры: отношение ширины лопатки к ширине рабочей части, вычисленной по формуле Θ ≥ - - 1 , где Т - величина, обратная коэффициенту запаса прочности К (Т = 1/К), К = 1,3; f = 0,2 - коэффициент трения композита по материалу захватов; η - отношение толщины а_о полуфабриката К = 0,05 к длине h₁лопатки; η = 0,05; μ - 0,08 - отношение предела текучести σ_о матрицы к трансверсальной прочности σ_х при растяжении в направлении армирования композита, равно 2, радиус перехода от лопатки к рабочей части, вычисленный по формуле R = , где b_о - ширина рабочей части; C = (σ_х/τ)²; τ - прочность на сдвиг матрицы композита, С = 36, R = 60 мм.

Партию из 11 образцов растягивали на усовершенствованной разрывной машине УМЭ-10т. Среднее значение предела прочности составило = 108 кг/мм², а его предельная ошибка Δσ по результатам испыта- ния 11 образцов для вероятности Р = 0,95 составила 12 кг/мм². После этого полуфабрикат растягивали с постоянной скоростью вдоль направления армирования до нагрузки, вызывающей напряжение σ = 91 кг/мм². Затем осуществляли его разгрузку. Контроль нагрузки и вызываемой ею деформации проводили по диаграмме нагрузка - абсолютное удлинение. Масштаб по нагрузке составлял 3,8 кг/мм, а по деформации 2˙10^-3 мм/мм.

После трех циклов нагрузка-разгрузка кривая нагружения совпадала с кривой разгрузки.

Модуль упругости однонаправленного материала по известному способу 19200 кг/мм², по предложенному 22500 кг/мм².

Используя зависимость нагрузка - абсолютное удлинение, записанную в последнем четвертом цикле, вычислили значение модуля упругости композита, подвергнутого обработке по предложенному способу. Его величина составила 22500 кг/мм².

Таким образом, предложенный способ позволяет повысить механические характеристики полуфабриката из однонаправленного композиционного материала и оценить их значение.

Формула изобретения

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, по которому полуфабрикаты упрочняемого материала подвергают циклическому растяжению с постоянной скоростью и записывают диаграмму нагружение - абсолютное удлинение на стадиях нагрузки и разгрузки для каждого цикла, отличающийся тем, что, с целью повышения механических характеристик, предварительно определяют на нескольких образцах среднее значение предела прочности композиционного материала в направлении армирования, к обрабатываемому полуфабрикату при растяжении прикладывают нагрузку до обеспечения напряжения σ , выбираемого из соотношения σ < (-) Δσ = , где S - среднеквадратичное отклонение при определении предела прочности композиционного материала в направлении армирования;
t_пр - коэффициент Стьюдента;
n - количество испытанных образцов при определении ,
и циклическое приложение нагрузки прекращают при совпадении в цикле на диаграмме нагружения кривой нагрузки с кривой разгрузки.

РИСУНКИ

Рисунок 1