Разрушение вольфрама под действием термического удара

15.11.2019

Введение


Вольфрам благодаря своей тугоплавкости и прекрасным механическим свойствам при высоких температурах стал основным материалом для изготовления ракетных сопел. Однако одним из самых больших его недостатков при этом является плохое сопротивление термическому удару. Было затрачено много усилий для устранения этого недостатка как путем оптимизации присущих вольфраму свойств, так и путем подбора формы и размеров сопла с целью максимального ослабления термических напряжений.

При проведении настоящего исследования была разработана установка для воспроизведения жестких условий термического удара, создающихся в реальных условиях запуска управляемого снаряда. Подобная установка позволила сопоставить термостойкость различных сортов вольфрама без проведения натурных огневых испытаний. Установка (фиг. 21.1) включает источник постоянного тока на 8000 а, обеспечивающий быстрый нагрев графитового трубчатого элемента вплоть до 3400° С. Образец в виде полого цилиндра устанавливался концентрично по отношению к графитовому элементу и нагревался изнутри. При необходимости на наружную поверхность образца можно было подавать воду для увеличения температурного градиента. На верхнем и нижнем торцах образца устанавливали керамические или вольфрамовые цилиндры для сведения к минимуму торцевых эффектов нагрева. Для регулирования температуры наружной поверхности, деформации и скорости деформации использовались термопары и специально разработанная емкостная система измерения перемещений.

Условные обозначения


а — внутренний радиус;

b — наружный радиус;

оr — радиальное напряжение;

o0 — тангенциальное напряжение;

оz — осевое напряжение;

оразруш — разрушающее напряжение;

е — деформация;

а — коэффициент линейного расширения;

v — коэффициент Пуассона;

E — модуль Юнга (модуль упругости);

T — температура;

T0 — начальная температура;

К — теплопроводность;

р — плотность;

С — теплоемкость;

D = Л/pC;

ф — скорость повышения температуры.

Вычисление упругих термических напряжений на более холодной наружной поверхности образца (где обычно возникают трещины) проводят по уравнениям закона Гука, в которые подставляют данные измерений.

А. Для неограниченного цилиндра бесконечной длины.

Б. Для полого круглого диска (плоское напряженное состояние).

По этим формулам можно вычислить напряжение но данным измерения деформации и температуры поверхности и по значениям Е, v и a (T), взятым при сравнительно низкой температуре наружной поверхности. Для этого не нужно знать распределение температур, степень пластической деформации на более горячих участках стенки цилиндра или температурную зависимость различных присущих материалу свойств вплоть до температуры плавления вольфрама.

Результаты


На фиг. 21.2 иллюстрируется характер данных, получаемых по данному способу. Температура наружной поверхности и вычисленное напряжение даны в зависимости от времени для цилиндра из пропитанного серебром вольфрама (внутренний диаметр 18 мм, наружный 38 мм, длина 51 мм), испытывавшегося под действием теплового потока 1,16*10в6 кал/см2*час с подачей воды на наружную поверхность.

Этот образец через 8 сек растрескался с громким шумом. Это хорошо согласуется с данными на фиг. 21.2, где кольцевое напряжение в это время приближается к пределу прочности материала при данной температуре на наружной поверхности.

Относительную величину термостойкости различных материалов можно узнать экспериментально даже при отсутствии точных данных по свойствам материалов путем воздействия на цилиндры из соответствующего материала возрастающего теплового потока (или соответственно нарастающей скорости нагрева). При этом определяется величина теплового потока, вызывающего растрескивание цилиндра. Таким методом были испытаны различные сорта вольфрама. Экспериментально установленные показатели термостойкости приведены в табл. 21.1. Здесь показаны два параметра термостойкости, смысл которых будет выяснен ниже.

Наилучшей термостойкостью обладают образцы вольфрама, пропитанного серебром и медью. Некоторые примеры вольфрама с трещинами, появившимися в результате термического удара, приведены на фиг. 21.3. Здесь показаны цилиндры из вольфрама пяти разных сортов с одинаковыми надрезами, подвергнутыми в воздействию приблизительно одинакового теплового потока (около 10в6 кал/см2*час). Как видно, два прессованных и спеченных образца растрескались у надрезов, в то время как прессованный горячим выдавливанием вольфрам растрескался на участке, удаленном от надреза, возможно, по внутренним трещинам. Образцы вольфрама, пропитанные серебром и медью (содержащие приблизительно 80% вольфрама), при данной величине теплового потока еще не растрескались.

Обсуждение результатов


Как правило, целесообразно уметь вычислять непосредственно параметр термического удара или термическое напряжение, чтобы сравнивать разные материалы по их теоретической термостойкости и выявить наиболее важные с этой точки зрения свойства материала. Обычные параметры термического удара учитывают только форму образцов и разрушающее напряжение, а также следующие свойства, которые, как полагают, не зависят от температуры: модуль упругости, коэффициент Пуассона, теплопроводность, коэффициент линейного расширения. Однако эти характеристики не полностью характеризуют поведение «хрупкого» материала при термическом ударе. Помимо этих свойств, приходится учитывать еще и следующие: 1) порог хрупкости; 2) чувствительность к скорости деформации; 3) пластичность; 4) состояние поверхности и чувствительность материала к надрезу; 5) тин напряжения; 6) металловедческую структуру; 7) наконец, там, где это важно, изменения коэффициента линейного расширения, коэффициента Пуассона, теплопроводности, модуля упругости, предела текучести и разрушающего напряжения в зависимости от температуры.

Эти факторы по большей части связаны друг с другом сложными зависимостями, что затрудняет количественную формулировку параметра термостойкости. Роль этих переменных величин будет рассмотрена при обсуждении уравнений упругих термических напряжений.

Из-за температурной зависимости свойств материала уравнения термических напряжений для полых цилиндров бесконечной длины не поддаются точному решению. Однако их можно выразить в сравнительно точной (по сравнению с точностью большинства зависящих от температуры параметров) форме, для которой независимым от температуры считается только один коэффициент Пуассона 121. Уравнения (для больших кольцевых напряжений) сводятся при этом к следующим выражениям для внутренней (r = а) и наружной (r = b) поверхностей цилиндра:

Параметр термостойкости P можно вывести из формулы (7), если предположить: а) что скорость повышения температуры выражается линейной зависимостью, т. е. dT/dt = ф = const (что приблизительно соответствует значениям, полученным экспериментально); б) что критерием разрушения является превышение разрушающего напряжения; в) что значения а и D (коэффициент температуропроводности) не зависят от температуры; г) что напряжение на наружной поверхности имеет максимальную величину перед тем, как температура наружной поверхности заметно повысится. В этом случае

Ясно, что, чем больше P', тем хуже термостойкость. Пo данной формуле величина P' была подсчитана для вольфрама нескольких видов, включая спеченный и прессованный вольфрам с плотностью 80, 85 и 90%, рекристаллизованный вольфрам 100%-ной плотности, кованый вольфрам и вольфрам, пропитанный серебром. Значения этого параметра были приведены наряду с экспериментально установленной термостойкостью в табл. 21.1.

Между характеристиками термостойкости, полученными экспериментально и вычисленными с помощью параметра P', существует отличная корреляция. Однако разница между экспериментальными характеристиками термостойкости вольфрама, пропитанного серебром, и кованого вольфрама больше, чем в случае значений, вычисленных посредством параметра P', в то время как различие между плотностью кованого и спеченного вольфрама невелико. Это несоответствие, возможно, в значительной степени обусловлено влиянием пластичности в более нагретой внутренней зоне цилиндра. В этой зоне возникают сжимающие напряжения, которые для цилиндра данных размеров значительно превышают растягивающие напряжения на наружной поверхности. Следовательно, у внутренней поверхности цилиндра материал потечет еще до того, как растягивающие напряжения на наружной поверхности достигнут величины разрушающего напряжения. Эта текучесть приведет к снижению наружных растягивающих напряжений, и, следовательно, материал с низким пределом текучести при данной температуре внутренней поверхности будет иметь лучшую термостойкость даже тогда, когда температура наружной поверхности не достигает порога хрупкости. Некоторое представление о том, как пластичность влияет на различные материалы, можно составить, выбрав новый параметр Р" так, что
Разрушение вольфрама под действием термического удара

где o*п. тек — предел текучести при r = а и о0b = 0,5oразруш.

Значение предела текучести при температуре внутренней поверхности, взятой при P' = 0,5, использовано потому, что вычисленное напряжение на внутренней поверхности, вызывающее упругую деформацию, при данном значении параметра P', как установлено, равно или превышает предел текучести для всех исследованных видов материала и всех размеров. Как видно из табл. 21.1, значения Р" (нормированные путем деления на некоторую постоянную величину, например, P'Ag-w = P'Ag—w) указывают на более значительную разницу в термостойкости вольфрама, пропитанного серебром, и кованого вольфрама, чем разница, даваемая параметром P'. Таким образом, параметр Р" отображает экспериментально полученные данные лучше, чем параметр P'. Столь большая разница свидетельствует еще и о том, что пластичность способна в значительной степени повлиять на сопротивление термическому удару.

О влиянии утолщения стенки цилиндра на параметр термостойкости P' для вольфрама разных сортов можно судить по фиг. 21.4. Из этого графика видно, что параметр P' быстро возрастает по мере того, как стенка становится толще. Ho когда толщина стенки велика, довести скорость повышения температуры до максимума за сравнительно короткий срок испытательного запуска ракетного двигателя или огневых испытаний ракеты нельзя. Следовательно, надо ожидать, что параметр P' достигает максимума с увеличением размера b.

Параметр P' возрастает почти линейно с повышением скорости нагрева. Полагая, что пластичность отсутствует и что растрескивание наступает при Р'>1, можно подсчитать, что скорость нагрева, требующаяся для растрескивания цилиндра из пропитанного серебром (20%) вольфрама с внутренним диаметром 51 мм и наружным диаметром 102 мм, составляет 1650 град/сек. Для растрескивания такого же цилиндра из рекристаллизованного вольфрама скорость повышения температуры должна составлять 750 град/сек.

Анализ формулы (8) дает представление о том, как некоторые из перечислявшихся факторов влияют на термостойкость. Как можно видеть, уменьшение значений коэффициента диффузии D и разрушающего напряжения oразруш или увеличение коэффициента линейного расширения а, модуля упругости Е, скорости повышения температуры ф и коэффициента Пуассона v приводит к росту параметра P' и, следовательно, к снижению термостойкости материала. Влияние коэффициента температуропроводности D (= X/pC) не так заметно, когда теплопроводность X зависит от температуры (как это наблюдается в случае вольфрама, пропитанного серебром или медью). Ho все же можно сделать вывод, что повышение этих значений приводит к улучшению термостойкости. Величины, стоящие в формуле (8) в скобках, сводятся к чисто геометрическому или масштабному фактору, если E = f(T). Ho когда модуль упругости E значительно уменьшается с повышением температуры, тогда можно добиться существенного ослабления термических напряжений, хотя это и не очевидно из формулы (8). Есть еще и другие факторы (кроме пластичности), в значительной степени влияющие на термостойкость материала, но явно в формуле (8) не фигурирующие. Перечислим их.

Порог хрупкости. Хотя этот параметр в формуле (8) в явном виде не фигурирует, он может сильно влиять на термостойкость. Если порог хрупкости Ttr, например, достаточно высок, то на наружном диаметре возникает максимальное растягивающее напряжение (которое, как было показано, возникает примерно тогда, когда отношение (Tb—T0)/(Tb(макc) — T0) достигает приблизительно одной десятой своего максимального значения), в то время как для вольфрама все еще наблюдается хрупкое разрушение (если величина Ttr достаточно низка, то происходит снятие напряжений текучести).

Скорость деформации. Скорость деформации Sz способна сильно влиять как на предел текучести, так и на порог хрупкости. Повышение скорости деформации может, например, привести к повышению предела текучести при сжатии в горячей внутренней зоне цилиндра. Если внутренние напряжения достаточно велики, то это приведет к повышению растягивающих напряжений на наружном диаметре. Повышение скорости деформации приводит также к повышению порога хрупкости материала на наружной поверхности цилиндра, понижая тем самым его термостойкость. Скорость повышения температуры ф связана со скоростью деформации и при некоторых условиях прямо пропорциональна ей. Таким образом, повышение ф приводит к уменьшению термостойкости, так как величины е и o0b возрастают.

Микроструктура. Влияние микроструктуры на термостойкость не всегда очевидно. Однако ясно, что дефекты структуры, которые могут действовать как концентраторы напряжений, вредны Установлено, например, что трещины при термическом ударе возникают и распространяются по гетерогенным участкам с высокой пористостью в спеченном и прессованном вольфраме, а также в вольфраме, пропитанном серебром. При экспериментах с вольфрамом последнего вида была достигнута отличная корреляция между результатами контроля, полученными перед испытаниями (с использованием методов ультразвуковой дефектоскопии и капиллярной дефектоскопии проникающими красителями) и после испытаний на термическое растрескивание.

Состояние поверхности также имеет довольно большое значение для термостойкости. Например, тщательно отшлифованные образцы кованого вольфрама имели лучшую термостойкость, чем тот же самый материал, поверхность которого после механической обработки не подвергалась другим видам обработки. Число концентраторов напряжений можно снизить еще путем предварительного окисления поверхности.

Заключение


В заключение можно отметить, что в результате экспериментального исследования термостойкости различных видов вольфрама установлена корреляционная зависимость между термостойкостью и двумя выведенными параметрами Найдено, что из всех исследованных материалов наивысшей термостойкостью обладает вольфрам, пропитанный серебром и медью.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна