В процессе получения и переработки

 

Оптимизацию условий жидкофазного совмещения борного волокна с матричным сплавом можно осуществить путем протягивания индивидуальной борной нити (монофиламента) через слой жидкого металла, перегретого относительно ликвидуса примерно на 10 ˚ С. При протекании топохимических реакций (так называются реакции, протекающие на поверхности твердого тела), максимальная прочность связи достигается только при определенной толщине слоя продуктов реакции. Протягивание волокна осуществляли со скоростью, обеспечивающей длительность процесса, достаточную для установления физического контакта компонент и активации их взаимодействия. С этих позиций выбор наполнителя, выбор сплава и оптимизация условий совмещения компонентов композита играют определяющую роль в том выборе, который должен сделать разработчик изделия.

В домашнем задании используются результаты оригинального исследования, выполненного автором ДЗ совместно со специалистами ГНИИТХЭОС при оптимизации условий получения композитов системы бор-алюминий жидкофазным способом.

 Цель домашнего задания, выполняемого студентом в 4-м семестре, – приобретение навыков в обработке результатов измерений, нахождение корректного математического описания прочности хрупкого армирующего наполнителя на стадии входного контроля, оценка изменения характеистик филамента в  технологическом процессе, использованном для получения композита.

При выполнении домашнего задания используются результаты измерений прочности волокон, представленные в табл. 7 в виде упорядоченных рядов. Объектом индивидуального исследования (по заданию преподавателя) становится приобретаемое волокно (ряд под шифром 1, под шифром 2 или 3) и то же самое волокно после алитирования (например, ряд 1-2-1, или ряд 2-2-2, или ряд 3-1-3). По представленным в задании экспериментальным значениям разрушающих напряжений (табл. 7)требуетсяустановитьпаспортные характеристики  борной нити с номинальным диаметром 0, 14 мм в одном из трех состояний: исходном ( индекс 1, МПа, n_s=16, 3%, мм), после нормальной поверхностной обработки ( индекс 2, МПа, n_s=14, 3%, мм) и после глубокой поверхностной обработки ( индекс 3, МПа, n_s=15, 2%, мм). Затем, используя аналитические описания вероятности разрушения, оценить изменения в характеристиках, произошедшие при оптимизации условий совмещения компонентов композита – борной нити и алюминиевой матрицы, связать эти изменения с характеристиками вызвавших разрушение волокон дефектов (по аналогии с табл. 5) и дать прогноз о прочности волокна в композите на произвольной длине (по аналогии с рис. 5).

Цель домашнего задания, выполняемого в 5-м семестре – использование  результатов исследования и полученных знаний по основам термодинамики для анализа условий совмещения, выбора компонентов композиционного материала и оптимизации изготовлении КМ в используемом технологическом процессе методом статистического анализа.  

Пример работы с аналитическими описаниями экспериментальных данных приводится ниже. Иллюстрации результатов анализа – на рис. 14-30

Таблица 6

Экспериментальные значения разрушающих напряжений и частоты их попадания в указанные интервалы напряжений

Шифр опыта		Р а з р у ш а ю щ е е н а п р я ж е н и е, s х 10-1, МПа																									N
		140	160	180	200	220	240	260	280	300	320	340	360	380	400	420	440	460	480	500	520	540	560	580	600	620
1	n			4	¾	4	5	9	11	19	23	17	4	2	1	1	1										101
1-1-1	n				1	2	3	6	15	14	37	15	4	1	2												100
1-1-2	n			1	¾	1	2	4	12	20	33	7	5	3	¾	1											89
1-1-3	n		1	¾	¾	1	¾	9	19	26	31	11	1	1													100
1-2-1	n	1	¾	1	3	2	1	9	13	31	19	14	4	1													99
1-2-2	n					1	1	2	18	30	23	19	4	1	1	1											101
1-2-3	n			1	¾	3	1	8	23	27	30	12	1	1	1												108
1-3-1	n			1	¾	2	1	6	16	23	30	12	9														100
1-3-2	n								1	9	25	19	25	12	5	3											99
1-3-3	n	1	¾	¾	¾	¾	2	1	4	4	14	24	30	11	2	1	3	¾	¾	¾	1						98
2	n									1	4	4	7	10	6	10	13	18	9	10	4	3	2	¾	1		102
2-1-1	n	1	¾	3	2	1	3	7	4	14	16	21	17	5	1	¾	1										96
2-1-2	n			1	6	5	3	9	5	16	30	11	4	2	2	1											95
2-1-3	n		2	3	5	11	12	8	10	12	25	5	1	¾	1												95
2-2-1	n					3	2	3	8	9	11	15	16	14	7	6	3	1									98
2-2-2	n				2	2	2	2	4	17	16	18	21	7	7	¾	1	1									100
2-2-3	n				1	8	2	2	7	17	33	13	5	5	1	¾	1	1									96
2-3-1	n							5	2	8	8	23	15	15	10	5	2	3	1								97

 

 

Шифр опыта		Р а з р у ш а ю щ е е н а п р я ж е н и е, s х 10-1, МПа																									N
		140	160	180	200	220	240	260	280	300	320	340	360	380	400	420	440	460	480	500	520	540	560	580	600	620
2-3-2	n					3	¾	5	9	16	12	8	7	8	8	5	4	4	¾	2	¾	1					92
2-3-3	n								3	1	9	6	16	15	30	11	5	1	1	¾	¾	1					99
3	n									3	9	2	8	5	8	6	7	14	13	19	9						103
3-1-1	n							3	7	11	19	25	12	8	11	3											99
3-1-2	n					2	¾	2	4	11	18	31	22	4	2												96
3-1-3	n					4	1	5	6	11	28	17	5	12	4	3	1										97
3-2-1	n					1	¾	1	2	3	8	21	8	11	11	3	8	5	3	9	1	3	1	¾	¾	1	100
3-2-2	n				1	¾	¾	¾	2	4	9	16	18	14	16	5	3	2	¾	2	1	2	1	1			97
3-2-3	n					3	7	4	¾	10	19	22	18	7	2	2											94
3-3-1	n							2	3	5	9	19	13	10	7	11	11	5	4	¾	1						101
3-3-2	n				1	2	¾	1	1	6	7	13	17	13	12	7	8	3	1								92
3-3-3	n			1	¾	3	1	2	3	8	9	18	10	13	20	2	3	2									95

 

В качестве матричных материалов, которые в виде тонкой пленки жидкофазным методом наносились на поверхность нити, были выбраны промышленные сплавы, составы которых приведены в таблице 7. Примерное равенство условий теплового воздействия обеспечивалось тем, что жидкий металл был минимально перегрет: АД1 до температуры 943 К (670°С), АД33 до температуры 943 К (670°С) и АЛ2 до температуры 873 К (600°С). Таким образом, перегрев относительно ликвидуса составлял 10-20°С. Во всех случаях скорость протягивания была такой, что время нахождения волокна в тигле с расплавом равнялась 0, 25, 0, 4 и 0, 5 секунды. Каждый вариант условий совмещения компонент КМ зашифрован тремя цифрами. Способ индексации каждого ряда показан в таблице 8. Здесь в первом столбце – индекс состояния нити до совмещения, во втором – индекс сплава покрытия, в третьем – длительность контактирования волокна и расплава матрицы. Таким образом, достигнута возможность исследовать эволюцию прочности одной и той же борной нити в 30-ти различных состояниях: от стравливания поверхностного слоя без теплового воздействия до физико-химического взаимодействия с жидким металлом в условиях интенсивного нагрева. На 4-м семестре каждый студент выполняет индивидуальное задание, на 5-м семестре обобщаются и анализируются результаты 30-ти аналитических описаний состояния и производится выбор оптимального состава минимального объема бор-алюминиевого композиционного материала с учетом затрат на производство.

Таблица 7

Химический состав сплавов

Сплав	Al	Cu	Mg	Mn	Fe	Si	Zn	Ti	Cr	др. примеси
АД 1	не менее 99, 30	до 0, 05	до 0, 05	до 0, 025	до 0, 025	до 0, 3	до 0, 1	до 0, 15	¾	¾
АД 33	основа	0, 15-0, 48	0, 8-1, 2	до 0, 15	до 0, 7	0, 4-0, 8	до 0, 25	до 0, 15	0, 15-0, 35	до 0, 1
АЛ 2	основа	до 0, 6	до 0, 1	до 0, 5	до 1, 0	10, 0-13, 0	до 0, 3	до 0, 1		до 2, 1

 

Как видно из табл. 7, сплав АД1 – это технически чистый алюминий, в сплаве АД33 основным легирующим компонентом является магний, а в сплаве АЛ2 – кремний.

База испытаний образцов составляла 25 мм, количество образцов в каждом опыте – около 100 штук. Около 20% образцов каждой партии отобраны случайным образом для изучения характера излома и выявления источника разрушения. Результаты фрактографического исследования представлены в табл. 9. По экспериментальному значению вероятности разрушения G ( s ) при  можно оценить асимметрию гистограммы. Пустые графы должны быть заполнены в результате выполнения индивидуального задания и использованы в выводах с опорой на результаты фрактографии.

Таблица 8

Шифры опытов

1 / 4046-3-3/ - исходная нить нетравленная
2 / 4046-3-1 / - улучшенная нить нормального травления (стравливание поверхностного слоя толщиной 1, 5 мкм)
3 / 4046-3-2 / - улучшенная нить глубокого травления (стравливание поверхностного слоя толщиной 2, 2 мкм)
Время в расплаве Покрытие		0, 25 с	0, 4 с	0, 5 с
1.	АД 1(943 К)	1-1-1 2-1-1 3-1-1	1-1-2 2-1-2 3-1-2	1-1-3 2-1-3 3-1-3
2.	АЛ 2 (873 К)	1-2-1 2-2-1 3-2-1	1-2-2 2-2-2 3-2-2	1-2-3 2-2-3 3-2-3
3.	АД ЗЗ (943 К)	1-3-1 2-3-1 3-3-1	1-3-2 2-3-2 3-3-2	1-3-3 2-3-3 3-3-3

Индекс нити                               Длительность контактирования с

Индекс сплава                           жидким металлом

 

Таблица 9

Эволюция диаметров и свойств при технологическом воздействии и анализ источников разрушения исходной нити

№ п/п	Шифр опыта	Кол-во испытаний N, шт.	b	Диаметр нити, мм	Средняя прочность, МПа	Вариация прочности, %	Значения вероятности разрушений при	Доля изломов, %; средняя прочность дефектов, МПа			Параметры и вид функции вероятности разрушения G( s)
								внешние	внутренние
1	1-0-0	101		0, 1397	2920		44	83 2790	13 3420	4 2850
2	1-1-1	100		0, 1390				100 3020	¾	¾
3	1-1-2	89		0, 1396				94 2870	¾	6 2650
4	1-1-3	100		0, 1400				100 2910	¾	¾
5	1-2-1	99		0, 1395				96 2880	¾	4 2710
6	1-2-2	101		0, 1396				94 3170	¾	6 3090
7	1-2-3	108		0, 1400				90 3010	¾	10 2080
8	1-3-1	100		0, 1398				96 2990	¾	4 3080
9	1-3-2	99		0, 1394				95 3280	5 3750	¾
10	1-3-3	98		0, 1397				100 3170	¾	¾
11	2-0-0	102		0, 1368	4270		45, 6	10 3670	85 4220	5 2980
12	2-1-1	96		0, 1386				92 2770	—	8 3150

 

№ п/п	Шифр опыта	Кол-во испытаний N, шт.	b	Диаметр нити, мм	Средняя прочность, МПа	Вариация прочности, %	Вероятности разрушений при , %	Доля изломов, %; средняя прочность дефектов, МПа			Параметры и вид функции вероятности разрушения G( s)
								внешние	внутренние
13	2-1-2	95		0, 1386				100 2210	—	—
14	2-1-3	95		0, 1384				100 2070	—	—
15	2-2-1	98		0, 1385				100 3120	—	—
16	2-2-2	100		0, 1382				100 3240	—	—
17	2-2-3	96		0, 1380				100 3070	—	—
18	2-3-1	97		0, 1377				100 3250	—	—
19	2-3-2	92		0, 1381				92 3470	4 4150	4 2930
20	2-3-3	99		0, 1373				85 3320	5 4450	10 3100
21	3-0-0	103		0, 1352	4280		42, 5	7 2940	93 4300	¾
22	3-1-1	99		0, 1372				96 3180	¾	4 3070
23	3-1-2	96		0, 1371				100 3180	¾	¾
24	3-1-3	97		0, 1373				100 3030	¾	¾
25	3-2-1	100		0, 1367				69 3840	31 4200	¾
№ п/п	Шифр опыта	Кол-во испытаний N, шт.	b	Диаметр нити, мм	Средняя прочность, МПа	Вариация прочности, %	Вероятности разрушений при , %	Доля изломов, %; средняя прочность дефектов, МПа			Параметры и вид функции вероятности разрушения G( s )
								внешние	внутренние
26	3-2-2	97		0, 1369				60 3410	30 3840	10 3300
27	3-2-3	94		0, 1368				100 2850	¾	¾
28	3-3-1	100		0, 1366				83 3580	17 4210	—
29	3-3-2	92		0, 1372				76 3310	24 394	¾
30	3-3-3	95		0, 1366				76 3170	19 331	5 311

 

Выполненное задание должно быть представлено в виде реферата объемом до 20 машинописных страниц с необходимыми иллюстрациями и выводами.

 

Рис. 14. Эволюция модели поврежденности промышленной борной нити при стравливании поверхностного слоя

        

Рис. 15. Эволюция средней прочности промышленной борной нити 1 при различной толщине стравленного поверхностного слоя

Рис. 16. Эволюция модели поврежденности промышленной борной нити при нанесении покрытия из сплава АД1

 

Рис. 17. Эволюция средней прочности промышленной борной нити при нанесении покрытия из сплава АД1

 

Рис. 18. Эволюция модели поврежденности промышленной борной нити при нанесении покрытия из сплава АД33

 

Рис. 19. Эволюция средней прочности промышленной борной нити при нанесении покрытия из сплава АД33

 

Рис. 20. Эволюция модели поврежденности промышленной борной нити при нанесении покрытия из сплава АЛ2

 

Рис. 21. Эволюция средней прочности промышленной борной нити при нанесении покрытия из сплава АЛ2

Рис. 22. Влияние состава сплава на эволюцию средней прочности

промышленной борной нити

Рис. 23. Эволюция модели поврежденности борной нити глубокого травления при нанесении покрытия из сплава АД1

 

Рис. 24. Эволюция средней прочности борной нити глубокого травления при нанесении покрытия из сплава АД1

 

Рис. 25. Эволюция модели поврежденности борной нити глубокого травления при нанесении покрытия из сплава АД33

 

Рис. 26. Эволюция средней прочности борной нити глубокого травления при нанесении покрытия из сплава АД33

 

Рис. 27. Эволюция модели поврежденности борной нити глубокого травления при нанесении покрытия из сплава АЛ2

Рис. 28. Эволюция средней прочности борной нити глубокого травления при нанесении покрытия из сплава АЛ2

 

Рис. 29. Влияние состава сплава на эволюцию средней прочности борной

нити глубокого травления

 

Рис. 30. Тенденции в эволюции средней прочности борной нити при совмещении с алюминиевыми сплавами в зависимости от состояния множества поверхностных дефектов армирующего наполнителя

МЕТОДИКА РАБОТЫ С ВАРИАЦИОННЫМ РЯДОМ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ

 

В табл. 10 представлен вариационный (статистический) ряд, вычисленный по результатам испытаний промышленной борной нити 1-го сорта (поставляется под маркой БН). На основе данных табл. 10 по формуле (3) вычисляется среднее значение прочности борной нити  (25).

Таблица 10

Статистический ряд разрушающих напряжений

Исследуемый объект	Диаметр нити, , мкм	Разрушающее напряжение, МПа (база испытаний 25 мм) Количество испытанных образцов N = 96
Улучшенная борная нить глубокого травления, монофиламент	0, 1371	2230, 2350, 2670, 2720, 2855, 2890, 2940, 2965, 3010, 3020, 3030, 3040, 3050, 3060, 3080, 3120, 3140, 3150, 3180, 3200, 3210, 3230, 3245, 3250, 3250, 3260, 3280, 3290, 3305, 3305, 3320, 3335, 3340, 3340, 3360, 3380, 3385, 3405, 3405, 3420, 3420, 3425, 3450, 3450, 3450, 3450, 3455, 3465, 3470, 3470, 3470, 3470, 3485, 3485, 3485, 3490, 3500, 3500, 3500, 3515, 3515, 3530, 3530, 3530, 3545, 3545, 3550, 3580, 3620, 3645, 3645, 3660, 3670, 3670, 3670, 3685, 3690, 3690, 3695, 3710, 3710, 3710, 3715, 3730, 3745, 3760, 3760, 3770, 3780, 3790, 3845, 3870, 3925, 3980, 4030, 4150

 

Для вычисления дисперсии и коэффициента вариации по формулам (5) и (6) составляется табл. 11.

 

 

Таблица 11

Сводная таблица, необходимая для вычисления дисперсии

N				N				N
1.	2230	-1187, 34	1409785, 18	35.	3360	-57, 34	3288, 31	69.	3620	202, 66	41069, 56
2.	2350	-1067, 34	1139222, 68	36.	3380	-37, 34	1394, 56	70.	3645	227, 66	51827, 37
3.	2670	-747, 34	558522, 68	37.	3385	-32, 34	1046, 12	71.	3645	227, 66	51827, 37
4.	2720	-697, 34	486288, 31	38.	3405	-12, 34	152, 37	72.	3660	242, 66	58882, 06
5.	2855	-562, 34	316230, 49	39.	3405	-12, 34	152, 37	73.	3670	252, 66	63835, 18
6.	2890	-527, 34	278091, 43	40.	3420	2, 66	7, 06	74.	3670	252, 66	63835, 18
7.	2940	-477, 34	227857, 06	41.	3420	2, 66	7, 06	75.	3670	252, 66	63835, 18
8.	2965	-452, 34	204614, 87	42.	3425	7, 66	58, 62	76.	3685	267, 66	71639, 87
9.	3010	-407, 34	165928, 93	43.	3450	32, 66	1066, 43	77.	3690	272, 66	74341, 43
10.	3020	-397, 34	157882, 06	44.	3450	32, 66	1066, 43	78.	3690	272, 66	74341, 43
11.	3030	-387, 34	150035, 18	45.	3450	32, 66	1066, 43	79.	3695	277, 66	77092, 99
12.	3040	-377, 34	142388, 31	46.	3450	32, 66	1066, 43	80.	3710	292, 66	85647, 68
13.	3050	-367, 34	134941, 43	47.	3455	37, 66	1417, 99	81.	3710	292, 66	85647, 68
14.	3060	-357, 34	127694, 56	48.	3465	47, 66	2271, 12	82.	3710	292, 66	85647, 68
15.	3080	-337, 34	113800, 81	49.	3470	52, 66	2772, 68	83.	3715	297, 66	88599, 24
16.	3120	-297, 34	88413, 31	50.	3470	52, 66	2772, 68	84.	3730	312, 66	97753, 93
17.	3140	-277, 34	76919, 56	51.	3470	52, 66	2772, 68	85.	3745	327, 66	107358, 62
18.	3150	-267, 34	71472, 68	52.	3470	52, 66	2772, 68	86.	3760	342, 66	117413, 31
19.	3180	-237, 34	56332, 06	53.	3485	67, 66	4577, 37	87.	3760	342, 66	117413, 31
20.	3200	-217, 34	47238, 31	54.	3485	67, 66	4577, 37	88.	3770	352, 66	124366, 43
21.	3210	-207, 34	42991, 43	55.	3485	67, 66	4577, 37	89.	3780	362, 66	131519, 56
22.	3230	-187, 34	35097, 68	56.	3490	72, 66	5278, 93	90.	3790	372, 66	138872, 68
23.	3245	-172, 34	29702, 37	57.	3500	82, 66	6832, 06	91.	3845	427, 66	182889, 87
24.	3250	-167, 34	28003, 93	58.	3500	82, 66	6832, 06	92.	3870	452, 66	204897, 68
25.	3250	-167, 34	28003, 93	59.	3500	82, 66	6832, 06	93.	3925	507, 66	257714, 87
26.	3260	-157, 34	24757, 06	60.	3515	97, 66	9536, 74	94.	3980	562, 66	316582, 06
27.	3280	-137, 34	18863, 31	61.	3515	97, 66	9536, 74	95.	4030	612, 66	375347, 68
28.	3290	-127, 34	16216, 43	62.	3530	112, 66	12691, 43	96.	4150	732, 66	536785, 18
29.	3305	-112, 34	12621, 12	63.	3530	112, 66	12691, 43
30.	3305	-112, 34	12621, 12	64.	3530	112, 66	12691, 43
32.	3320	-97, 34	9475, 81	66.	3545	127, 66	16296, 12
33.	3335	-82, 34	6780, 49	67.	3545	127, 66	16296, 12
34.	3340	-77, 34	5982, 06	68.	3550	132, 66	17597, 68

 

Используя формулы (3) – (6) получаем:

 МПа,  МПа²,

 

В анализируемом случае размах варьирования равен:

 МПа

Экспериментальные результаты подвергают дальнейшей математической обработке, строя специальные графики - гистограммы. Для этих целей ряд, который может содержать до нескольких сотен чисел, разбивается на небольшое нечетное число интервалов. Длину интервалов рекомендуется выбирать не слишком большой, иначе получается сглаженная картина. В то же время длины интервалов не должны быть слишком малыми, так как в этом случае в интервал может попадать очень малое количество выборочных значений. Практика статистической обработки привела к эмпирическому правилу для оптимального числа интервалов:

                                   (13)

Выбираем, в соответствии с рекомендацией, число интервалов разбиения нормированного ряда К = 9. Тогда для каждого интервала Δ s равняется:

МПа

Для округления размеров интервала разбиения допускается некоторое расширение ряда относительно измеренных значений s _min и s _max, что приведет к изменению длин интервала, но незначительно изменит вид распределения. Например,

МПа

Для исследуемого ряда можно построить две связанные, но принципиально различные гистограммы, представляющие дифференциальную и интегральную вероятности разрушения исследованной борной нити. Для этого перестраиваем ранжированный ряд так, как это показано в табл. 12, иопределяем количества попаданий в каждый интервал (дифференциальная вероятность распределения) и накопленную сумму событий (интегральная вероятность разрушения). По данным табл. 12 строим экспериментальные зависимости в виде ступенчатых функций (рис. 31).

Таблица 12

Число попаданий по интервалам

№	Границы интервала, МПа	Середина интервала, МПа	Число попаданий		Накопленная сумма
			n		Sn
1	2200 - 2400 (-)!	2300	2	0, 021	2	0, 021
2	2400 - 2600 (-)!	2500	0	0	2	0, 021
3	2600 - 2800 (-)!	2700	2	0, 021	4	0, 042 ⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒ Поделиться:

Последнее изменение этой страницы: 2019-10-04; Просмотров: 209; Нарушение авторского права страницы