НОВАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ КЕРАМИК, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ МНОГООСНОГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
Автор: Александр Андреевич Попов
Соавторы: А.А. Попов, Н.Н. Берендеев, А.Н. Сысоев, М.С. Болдин, Е.А. Ланцев
Организация: Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Научно-исследовательский физико-технический институт
В работе обсуждается новый экспериментально-расчетный метод оценки прочности и трещиностойкости современных конструкционных керамик, эксплуатирующихся в условиях многоосного напряженно деформируемого состояния. В качестве параметров, оказывающих наиболее существенное влияние на степень и вид напряженного состояния в образце, рассматривались геометрические характеристики оснастки, образца и начального дефекта (трещины).
В основе новой методики испытаний на прочность лежит методика испытаний на изгиб по схеме b3b [1], при которой плоский цилиндрический образец располагается на трех точках опоры, образующих равносторонний треугольник, и нагружается до разрушения с заданной скоростью (рисунок 1). Опорные шары в оснастке располагаются в направляющих, что по сравнению с классическим вариантом [1] позволяет существенно варьировать размер шаров. Предварительно нанесенные на поверхность образца трещины позволяют дополнительно оценить истинный коэффициент интенсивности напряжений K1c [2].
В качестве объекта исследования выступали мелкозернистые керамики на основе оксида алюминия и ультрамелкозернистые твердые сплавы на основе карбида вольфрама, полученные методом электроимпульсного плазменного спекания (ЭИПС, в иностранной литературе используется термин «Spark Plasma Sintering», SPS).
В работе сформулированы пределы применения предлагаемой методики для исследования изгибной прочности и вязкости разрушения мелкозернистых керамик. Показано, что максимальное растягивающее напряжение расположено на противоположной нагружающему шару поверхности образца Проведен анализ влияния максимальных главных напряжений высоты образца при фиксированной опорной окружности, в ходе которого установлено, что геометрическая функция наиболее слабо меняется при уменьшении соотношения высоты образца к радиусу опорной окружности. Установлена зависимость коэффициента интенсивности напряжений от геометрических параметров исходного дефекта. Приведенные выше результаты были получены путем численного моделирования с применением метода конечных элементов.
Для объяснения полученных результатов для хрупких материалов был предложен критерий прочности напряженного состояния, в основе которого лежит расширенная модель
Друкера-Прагера [3], где учитывается влияние степени многоосности напряженного состояния и знака главных напряжений. Установлено, что предложенный критерий прочности дает хорошее согласие экспериментальных результатов новой методики и методики стандартных испытаний на изгибную прочность и коэффициент интенсивности напряжений (для выбранных структурных состояний).
Результаты испытаний с использованием новой методики сопоставлены с данными измерения твердости и трещиностойкости по Палмквисту для исследуемых образцов.
1. Borger A., The ball on three balls test for strength testing of brittle discs: stress distribution in the disc / Borger A., Supancic P., // Journal of the European Ceramic Society. – 2002. –P. 1425–1436.
2. Strobl S., Fracture toughness testing of small ceramic discs and plates / Strobl S., Rasche S. // Journal of the European Ceramic Society. – 2014. P. – 34.
3. Drucker D. C.Soil mechanics and plastic analysis or limit design / Drucker D. C., Prager W. // Brown University. – 1952. P. – 157-165.
