Исследование стеклометаллокомпозита на сопротивление термическим нагрузкам

Теоретические и экспериментальные исследования свидетельствуют о перспективности разработки многослойных конструкционных материалов на основе стекла и металла (стали, алюминия и титана) ‒ стеклометаллокомпозитов [3]. Материалы такого типа могут эффективно применяться в судостроении, химическом машиностроении и строительной индустрии. На текущем этапе материал находится в стадии экспериментальной разработки, исследуются технологические параметры получения экспериментальных образцов на основе стекла и стали, и стекла и алюминия, и их физикомеханические свойства.

Целью данной работы является экспериментальное исследование поведения стеклометаллокомпозитных стержней под действием термических нагрузок.

При расчете напряжений в слоистом композите вводится несколько упрощающих предпосылок: оба материала – стекло и металл – изотропны и подчиняются закону Гука; напряжения по секущей плоскости (разрезу) постоянны; в сечении нет температурного градиента (медленное охлаждение).

Термическая прочность стекол это способность изделия выдерживать резкую смену температур и определяется их температурным коэффициентом. Чем меньше термический коэффициент, тем выше термостойкость.

Для теоретического определения термостойкости для стеклянного покрытия необходимо знать максимальное осевое напряжение на границе стек-ло-металл. Если осевое напряжение становится равным прочности стекла на растяжение СТ , тогда

значение

—

0 оказывается равным термостойко-

сти, аналитическое выражение для расчета теоретического значения термостойкости для стекломе-таллокомпозита по аналогии с расчетом термостойкости слоистой трубы [1-2] имеет вид

т -^T о

P + 5 (а 2 — а^Т, — 0) 0 =----^-------------

a E1   е/

+ <5(а2

1 — д

—

а1)

здесь

r2 m = —

r2

c

—

R

—

,

Г 1 + -Т

-о2 к

— +

г) E, c 1

1—

R2 kf

к

r2

c

А

E

' 2   Ак

—

' Е

—

f, R2к 1

1 + — —

к

r2

c

E 2

д -2 n = ——

E r2

1 c

— R2

—

r02

—^, к=

E2,

^r 0 ²

—

E r2

1 c

_R 2     ₁

—

—

r02    E2 ,

P=

,2 —

r

c r2 c

R2

—

r02

.

f m   кт.

21 — + n I P где Р - прочность на растяжение, д _ к 2     )  .

km — 2 n ²

Для планирования эксперимента было рассчитано теоретическое значение термостойкости, для стеклометаллокомпозитных образцов со следующими механическими характеристиками (индексы «1» -стекло и «2»  - сталь):   e = 0.67 . 10 5 МПа,

Кг = 2 • 105 МПа,а = 52-10—7 С Ааг = 115-10—7 СА д = 0.25, д = 0.27, T = 585 °С,

0 = 20 ° С , Р = 56.3 МПа, геометрические размеры: _- = 0 , _- = 4 мм, R = 5 мм. 0 c

Расчетное значение термостойкости составило T — 0 = 243° С .

При экспериментальном определении термостойкости было испытано 30 образцов, все образцы были разбиты на 10 групп и на каждом уровне нагружения испытывались по 3 образца. Группу 1 состоящую из 3-х образцов нагрели до 200ºС и выдержали в течение 30 минут. Для каждой последующей группы образцов увеличивали на единицу количество циклов нагрева и охлаждения и температуру на 10ºС, пока все образцы из группы не разрушились.

Из анализа микрографии видно, что при резком температурном скачке начинают появляться трещины. Появившиеся трещины были классифицированы по величине скачка. При разнице температуры менее чем 200 ° С микроскопические исследования не выявили существенных дефектов в стекле и зоне соединения, при температурном ударе 230 ° С в стекле появляются единичные продоль ные макротрещины замеченные и при микроскопических исследованиях, при температурном ударе в 240 ° С в стекле появляются множественные макротрещины и при микроскопических исследованиях отмечается окружная трещина по границе зоны соединения оксидного слоя с металлом. Дальнейшее увеличение температуры до 2900С проводилось для качественной оценки характери-, стики стекла в составе стеклометаллокомпозита, при увеличении нагрузки, замечено, что характер и количество трещин практически не изменяется после 2500С.

В результате проведения исследований выявлено, что при теоретическом значении термической стойкости в 243⁰С, экспериментальный предел термической устойчивости стеклометаллокомпозитных образцов составляет 230 ° С , разница в значениях составляет 5% и это позволяет считать предлагаемую расчетную формулу адекватной и применимой для оценки термической стойкости стеклометаллокомпозитных образцов.