Механика композитных материалов 2 1980

Как следует из (5.2), вероятность прохождения импульса через барьер сильно зависит от длительности последнего и от его превышения

100 раз. Такой же результат получился бы при возрастании в четыре раза величины Uo— E t или интенсивности сопротивления волны р. Пре­ одоление барьера при Et<iUo является туннельным эффектом для мощ­ ных импульс-поверхностей.

Из (5.3) следует, что если </>* — среднее значение по времени в об­ ласти барьера потока заторможенности импульса удовлетворяет соот­ ношению </*> = tinfit/to (п= 1, 2, ...) , то барьер для импульса является полностью прозрачным. Отсюда с учетом (3.7) и равенства 2я/Г = о) по-

щиеся в направлении е° оси х. Пусть накачка второй волны со стороны

где V* — характерный объем импульс-поверхности; ео — деформация сжатия второго импульса; a(t) — релаксирующее напряжение растяже­ ния после прохождения первого импульса с деформацией —ZEQ. Для o(t) примем:

Г —EZeо; т<СТо; т=//,0;

I — EZEOAT? - 1exp ( —(3Tv); то= ^о/0»

где Е — модуль упругости; А, а, р, у — параметры ядра Колтунова [3];

деформация сжатия в импульс-поверхности. Такую импульс-поверхность назовем пресс-элементом. Тогда Z — целое. В случае волн, отталкиваю­ щихся при сильном сближении, Чг* (0 )= 0 . Отсюда следует, что в (6.2) интервалом малых времен т<До можно в первом приближении прене­ бречь. При рассмотрении состояния волн при конечном промежутке можно положить 4я/(оо) = 0 . Так как история накачки (6 .1), (6.2) в точке х выбрана так, что она равна нулю при t = оо, то связанным в среднем по времени состояниям волн соответствует отрицательная энергия вто­ рой волны Et<i 0.

Рассмотрим два частных случая функции (6.2). Во-первых, для экс­ поненты а = 1 , у=1 и, во-вторых [4], |3 = 0, а ~ 0 . Решение уравнения (3.2) при нулевых условиях для t = 0 и t = оо в первом случае будет иметь вид [5, с. 985]:

УДК 539.4:678.067.5:620.1

Т.Д. Каримбаев, Ю. А. Ножницкий, В. И. Гундаров, Л. С. Рысин,

В.Г Лютцау, И. А. Тарасов

РАЗРУШЕНИЕ И ИЗНОС КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПОТОКОМ АБРАЗИВНЫХ ЧАСТИЦ

Абразивная эрозия является сложным процессом, на который влияют как физико-механические свойства изнашиваемого материала, так и усло­ вия взаимодействия с потоком абразивных частиц [1—4]. Механизм аб­ разивной эрозии изучен недостаточно даже для однородных материалов, а известные расчетные методы [1, 5— 11] не позволяют с требуемой точ­ ностью предсказывать величину эрозионного износа натурных конструк­ ций без проведения специальных испытаний. Особенности же эрозион­ ного разрушения и износа конструкционных композитных материалов и находящих все более широкое применение композитных покрытий [12, 13] до настоящего времени почти не были изучены.

В данной работе экспериментально исследовалась абразивная эрозия ряда композитных материалов и покрытий на основе полимеров, угле­ рода, металлов, армированных стекло-, угле-, боро-, органоволокнами, лентами и тканями из этих волокон, нитевидными кристаллами, части­ цами, металлическими сетками. Для сопоставления были также испы­ таны некоторые широко применяемые в машиностроении металлические сплавы (1Х17Н2, ВТ8, Д16Т) и полученные различными методами твер­ дые керамические (SiC, Si3N4, AI2O3 и др.) и эластичные (на основе кау­ чука, полиэтилена, пленочных клеев и т. д.) покрытия.

Эрозионные испытания были проведены на специальном газоабразнвном стенде с достаточно длинным (1,7 м) участком для разгона частиц воздушным потоком. Уста­ новки такого типа [4, 10] по сравнению с распространенными струйными [14], центро­ бежными [15] и гравитационными [15] ускорителями частиц обладают более широкими возможностями для регулирования основных параметров потока, оказывающих влияние на процесс абразивной эрозии, и контроля за этими параметрами. Кроме того, конструк­ ция установки обеспечивает равномерный износ при заданном угле атаки всей рабочей поверхности образца, что позволяет использовать результаты лабораторных испытаний для оценки износа натурных конструкций. В качестве абразива использовались получен­

р= 2650 кг/м3). Для анализа влияния на эрозионный износ размеров, формы и свойств

Износ образцов определяли по результатам их взвешивания до и после обдувки или по измерениям их линейных размеров с помощью микроскопа (по микрошлифам). Срав­ нительную оценку износа материалов проводили по коэффициенту е (м/кгс/м2) — отно­ шению изменения толщины образца в результате обдува к среднему расходу абразива, прошедшему за испытание через единичную площадку, перпендикулярную направлению потока. Для материалов, износостойкость которых изменяется в процессе обдувки, экс­ периментальное значение е является усредненным и характеризует унос материала при определенном расходе абразива. Продолжительность работы (Т, с) до допустимого

материала к твердости абразива. Шаржирование частиц в образцы из легких эластичных материалов при малых удельных расходах пыли вызывало привес этих образцов. Шаржировавшие абразивные частицы, обладая более высокой по сравнению с изнашиваемым материалом твер­ достью, могут, вообще говоря, способствовать повышению его износо­ стойкости [18]. Однако, одновременно являясь концентраторами напря­ жений, они способствуют хрупкому разрушению материала и снижают его прочность при переменных нагрузках, что и наблюдалось в испыта­ ниях. При увеличении удельного расхода абразивных частиц интенсив­ ность изнашивания этих покрытий резко возрастала. Разрушение их при упругом контакте с абразивными частицами происходило путем среза при малых и отрыва при больших углах атаки.

Проведенные исследования показали, что армированные пластмассы (стекло-, угле-, органо-, боропластики), углерод-углеродные материалы (карбонизованный углепластик), углеалюминий, армированные борными волокнами материалы на алюминиевой и магниевой матрицах значи­ тельно, особенно при больших углах атаки, уступают по стойкости к аб­ разивной эрозии испытанным металлическим сплавам (см. рис. 1). Так, например, при обдуве молотым кварцевым песком и а = 70° износостой­ кость бороалюминия примерно в 1,5, углеалюминия в 5, органопластика в 7, угле- и стеклопластиков более чем в 25, а карбонизованного угле­ пластика в 150 раз ниже, чем у сплава ВТ8. Износ армированных пласт­ масс и карбонизованных углепластиков максимален при углах атаки, близких к 90°.

Как показали испытания, износостойкость композитных материалов в большей степени, чем эрозионная стойкость металлических сплавов, за­ висит от кинетической энергии и твердости абразивных частиц. Так, при использовании в качестве абразива вместо кварцевого песка корунда с частицами, близкими по форме частицам кварцевого песка, но более крупными по размерам (80— 100 мкм) и более твердыми, износ металли­ ческих сплавов при угле атаки 70° повысился в 2,3—2,7 раза, стекло­ пластика на эпоксифенольном связующем — в 7, а боропластика при объемном содержании наполнителя 80% — более чем в 40 раз. Износ материалов природной пылью несколько ниже, чем частицами того же размера, полученными помолом и имеющими более острые грани, однако инверсий в ряду относительной износостойкости не наблюдалось.

Взаимодействие с запыленным потоком материалов на основе поли­ меров или углерода, армированных не стойкими к удару волокнами, со­ провождается интенсивным шаржированием абразивных частиц (рис. 2—а), пробивающих армирующие слои (рис. 2—б). Это объясняет причину низкой износостойкости таких материалов, так как при шаржи­ ровании абразивных частиц на деформирование и разрушение материала расходуется значительно большая часть их кинетической энергии, чем при отскоке. Вследствие низкой межслоевой прочности этих материалов трещины в дальнейшем распространяются между слоями, обусловливая износ путем послойного скалывания (рис. 2—г). При таком характере разрушения стойкость материала к абразивной эрозии практически не зависит от ориентации армирующих элементов в плоскости слоя, оказы­ вающей существенное влияние на его основные физико-механические свойства.

Если компоненты материала отличаются по эрозионной прочности, то при взаимодействии с потоком абразивных частиц происходят преиму­ щественные разрушения и износ менее стойкой к абразивной эрозии со­ ставляющей. В частности, в армированных борными волокнами мате­ риалах на полимерной, алюминиевой, магниевой матрице при обдуве кварцевым песком в первую очередь изнашивается связка (рис. 3—а, 4—а ) , в углеалюминии — наполнитель (рис. 3—б, 5—а, б ) .

В этих случаях износостойкость армированного волокнами материала повышается при увеличении содержания в изнашиваемом слое более стойкого к эрозии компонента. Например, при обдуве молотым кварце­ вым песком боропластиков в направлении армирования коэффициент

ув= 43% — 0,288 •10-6 и 0,896 •10—6 м/кгс/м2. Ориентация армирующих элементов в плоскости слоя и в этом случае относительно слабо сказы­ вается на износостойкости материала (см., например, результаты испы­ таний боропластиков — рис. 1—а). Так, при обдуве в направлении, пер­ пендикулярном ориентации армирующих элементов, износ менее стойкой к эрозии компоненты ниже, чем при обдуве в направлении армирования. Однако в этом случае становятся наименее благоприятными условия из­ нашивания бороволокон, а в углеалюминии облегчается разрушение об­ разующихся на поверхности алюминиевых гребешков (см. рис. 5—а, б). Таким образом, износ менее стойкой к абразивной эрозии компоненты может ухудшить условия износа второй составляющей.

Испытания показали, что абразивная эрозия армированных части­ цами А1г03 (размером 5 мкм) или TiC (2—3 мкм) КЭП на никелевой матрице обусловлена разрушением связки, после износа которой проис­ ходит унос армирующих частиц (см. рис. 3—в). Таким же был механизм износа армированных нитевидными кристаллами SiC покрытий на поли­ мерной или алюминиевой матрице. При увеличении размеров упрочняю­ щих элементов происходит не только их выкрашивание из связки, но и разрушение. Избирательный характер эрозионного износа ранее был от­ мечен при испытаниях спеченных твердых сплавов [19—21] и армирован­ ных частицами огнеупорных обмазок [22].

Таким образом, износостойкость армированных частицами материа­ лов существенно зависит от свойств связующего, и армирование не стой­ ких к эрозии матриц недостаточно эффективно. Износостойкость этих материалов повышается при увеличении содержания наполнителя. Од­ нако, как отмечено в [23], предельное упрочнение матрицы приводит ее в состояние весьма малой пластичности и способствует хрупкому разру­ шению. В этом случае армированный частицами материал будет обла­ дать наибольшей износостойкостью при оптимальном содержании упроч­ няющей фазы [19, 24].

Механизм разрушения и износа компонентов композитного материала в одних и тех же условиях может быть различен. Изменение условий взаимодействия с абразивом также по-разному сказывается на их изно­ состойкости.

Армирующие волокна, как и полимерные и углеродная матрицы, раз­ рушаются хрупко. Пробой углеродных жгутов (см. рис. 2—б, 5—в) вы­ зывает унос крупных, до 100 мкм, осколков моноволокон (рис. 2—в, 5— д, е). Бороволокна при обдуве кварцевым песком значительно превос­ ходят по прочности стекло-, угле- и органические наполнители и обла­ дают относительно высокой эрозионной стойкостью. В этом случае износ бороволокон незначителен и происходит путем откола небольших фраг­ ментов (рис. 3—а). При обдуве в направлении армирования поверхность волокна, имеющая первоначально форму «кукурузного початка», сгла­ живается, приближаясь к цилиндрической. При соударении с более круп­ ными (80— 100 мкм) и более твердыми частицами корунда волокна бора также начинают интенсивно разрушаться; имеются случаи пробоя воло­ кон и их продольного растрескивания.

Разрушение в тех же условиях металлических матриц и металличе­ ских сеток, как и неармированных металлических сплавов, обусловлено

Ь основном микрорезанием при малых углах атаки и малоцикловой уста­ лостью при пластическом деформировании (рис. 4—б, г; 5—в).

Взаимодействие с потоком абразивных частиц сопровождается ло­ кальными перегревами материала мишени. Об этом в частности свиде­ тельствует интенсивное сгорание продуктов износа при испытании образ­ цов из обладающих относительно низкой теплопроводностью титановых сплавов. На рис. 4—в хорошо заметно оплавление микрообъемов маг­ ниевой матрицы материала магний—бор при обдуве молотым кварце­ вым песком. Для оплавления одного такого микрообъема достаточно 3% кинетической энергии частицы основной фракции (20 мкм) при скорости ее 200 м/с. Микроанализ показал, что часть расплавленного металла при­ липает к абразивным частицам.

Таким образом, подтверждается высказанное в [9] предположение о том, что возможен унос части материала за счет разбрызгивания рас­ плава или вследствие его прилипания к отскакивающим, либо удаляе­ мым при последующих ударах частицам. По-видимому, локальные пере­ гревы при соударении с частицами могут оказывать влияние и на про­ цесс разрушения полимерных материалов, способствуя снижению их эластичности и деструкции.

Из изложенного следует, что проведенные исследования позволили выявить некоторые особенности эрозионного разрушения композитных материалов. В частности, показано, что армированную волокнами композицию при взаимодействии с потоком частиц нельзя рассматривать как однородный материал, как это было сделано в работах [25, 26].

Относительно низкая эрозионная стойкость испытанных композитных материалов обусловлена низкой износостойкостью связки, а также хруп­ костью армирующих элементов и низкой межслоевой прочностью. При использовании не стойких к абразивной эрозии связующих не удается су­ щественно повысить износостойкость материала изменением ориентации или типа армирующих элементов. Так, например, замена углепластика поливолокнистым материалом-стеклоуглепластиком или органоуглеплас­ тиком, обладающим более высокой ударной вязкостью [27], позволяет существенно повысить их стойкость к удару крупным предметом, но, как показали наши исследования, не обеспечивает требуемой стойкости к аб­ разивной эрозии. Для повышения эрозионной стойкости деталей из композитных материалов более эффективным представляется использо­ вание полиматричных материалов [28] или специальных защитных по­ крытий [28, 29].

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Крагельский И. В ., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение

иизнос. М., 1977. 526 с.

2.Уэтц Г. Наиболее важные результаты исследований абразивной эрозии, прове­

денных в Штутгартском университете. — Тр. Таллин, политехи, ин-та. Сер. А, 1973,

вып. 347, с. 3— 21.

3.Клейс И. Р. О проблемах по определению эрозионного износа при соударении

спотоком твердых частиц. — В кн.: Теория трения, износа и проблемы стандартиза­

ции. Брянск. 1978, с. 219—230.

4. Бирюков В. И., Виноградов В. Н., Мартиросян М. М., Михайлычев В. Н. Абра­

зивное изнашивание газопромыслового оборудования. М., 1977. 207 с.

ВНИИПТУглемаш (Всесоюз. науч.-исслед. и проект.-технол. ин-т угольн. машинострое­

основы инж. расчетов, 1970, N° 3, с. 208—214.

9. Смелтзер, Гулден, Комптон. Механизмы эрозии металлов при ударном воздейст­

вии частиц пыли. — Теорет. основы инж. расчетов, 1970, № 3, с. 225—238.

10. Grant G., Tabakoff W. Erosion prediction in turborflachinery due to ertvironme solid particles. — AIAA Pap., 1974, N 16, 16 p.

12.Сайфуллин P. С. Композиционные электрохимические покрытия и материа, М., 1977. 270 с.

13.Гуняев Г. М., Сорина Т. Г., Владимирский В. Н., Куприянова Р. М. Эрозион стойкие покрытия на основе нитевидных кристаллов. — В кн.: Авиационные материа. 1977, вып. 2, с. 40—45 (М.).

14.Антонов А. А. Методика и некоторые результаты испытаний на износ стале! чугуна воздушно-абразивной струей. — Тр. Московск. ин-та нефтехим. и газо] пром-сти, 1961, вып. 20, с. 79—95.

15.Клейс И. Р., Ууэмыйс X. X. Новые механические установки для исследова! "абразивной эрозии. — Вести, машиностроения, 1971, № 9, с. 13— 15.

16.Клейс И. Р., Паппель Т. А. Исследование энергобаланса удара абразив! струей. — В кн.: Износ материалов при ударном воздействии твердых частиц. М., 1S

с.11— 12.

20. Ууэмыйс X., Клейс И., Туманов В., Тийдиман Т. Исследование абразивной э зии спеченных вольфрамовых твердых сплавов. — Порошковая металлургия, 1974, JST с. 98— 101.

21. Вальдм а Л. Э., Кудрявцев В. А., Каллас П. К. Влияние структуры и механи ских свойств твердых сплавов TiC—Ni—Со—Сг на гидроабразивный износ. — В i Износ материалов при ударном воздействии твердых частиц. М., 1976, с. 46—48.

22.Видерхорн, Фуллерма, Буковский, Роббинс. Влияние гидротермических сред эрозию огнеупорных обмазок. — Теорет. основы инж. расчетов, 1977, № 2, с. 48—

23.Самсонов Г В., Данькин А. А., Марков А. А., Богомол И. В. Прочность и гг абразивная износостойкость керметов на основе карбита титана. — Машиноведе] 1978, № 1, с. 88—93.

24.П огодаев Л. И., Н екоз А. И., Овчаренко В. В. Износостойкость двухфаз] материалов при ударном воздействии твердых частиц и кавитационном изнашивании

Вкн.: Проблемы трения и изнашивания, 1975, вып. 8, с. 18—21 (Киев).

25.Спрингер, Янг. Модель дождевой эрозии композиционных материалов, арм!

дина Н. П., Степанычев Е. И., Махмутов И. М. Поливолокнистые композиционные териалы. ■— В кн.: Авиационные материалы, 1977, вып. 2, с. 40—45 (М.).

28. Гундаров В. И., Каримбаев Т. Д., Ножницкий IO. А., Рысин Л. С. Эксперт тальное исследование эрозионной стойкости композиционных материалов и эффен