RU2711557C1 - Method of determining ultimate tensile strength of ceramic and composite materials during induction heating - Google Patents

Method of determining ultimate tensile strength of ceramic and composite materials during induction heating Download PDF

Info

Publication number
RU2711557C1
RU2711557C1 RU2019105194A RU2019105194A RU2711557C1 RU 2711557 C1 RU2711557 C1 RU 2711557C1 RU 2019105194 A RU2019105194 A RU 2019105194A RU 2019105194 A RU2019105194 A RU 2019105194A RU 2711557 C1 RU2711557 C1 RU 2711557C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tensile strength
sample
ceramic
determining
composite materials
Prior art date
Application number
RU2019105194A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Роман Александрович Миронов
Александр Евгеньевич Крюков
Максим Олегович Забежайлов
Михаил Юрьевич Русин
Павел Юрьевич Якушкин
Кирилл Валерьевич Клемазов
Original Assignee
Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" filed Critical Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина"
Priority to RU2019105194A priority Critical patent/RU2711557C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2711557C1 publication Critical patent/RU2711557C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/56—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content
    • G01N25/58—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content by measuring changes of properties of the material due to heat, cold or expansion
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G01N3/18—Performing tests at high or low temperatures

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.SUBSTANCE: invention relates to methods of determining mechanical characteristics of structural materials taking into account conditions of their use. Method of determining ultimate tensile strength of ceramic and composite materials includes induction heating to a given temperature at rate of 10–100 °C by means of an intermediate heating element and determination of ultimate tensile strength of the sample. Heating of the sample is carried out by an intermediate heating element from a high-melting conducting material heated by an induction heater to temperature of 1,300–1,700 °C.EFFECT: high accuracy of determining tensile strength of ceramic and composite materials by approximating test conditions of the sample to operational thermal loads of material in the article.1 cl, 1 tbl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к методам определения механических характеристик конструкционных материалов с учетом условий их применения.The invention relates to methods for determining the mechanical characteristics of structural materials, taking into account the conditions of their use.

Известен способ определения предела прочности при растяжении диэлектрических материалов при индукционном нагреве (патент РФ №2538419, МПК G01N 3/18, от 06.08.2013), включающий индукционный нагрев образца до заданной температуры посредством промежуточных металлических элементов и определение предела прочности при растяжении образца.A known method for determining the tensile strength of dielectric materials under induction heating (RF patent No. 2538419, IPC G01N 3/18, 08/06/2013), including induction heating of the sample to a predetermined temperature by means of intermediate metal elements and determining the tensile strength of the sample.

Недостатком этого способа является применение металлических нагревателей, вследствие этого испытания ограничиваются температурами не более 1300°С, что не соответствует тепловым условиям эксплуатации некоторых высокотемпературных керамических и композиционных материалов в современных высокотеплонагруженных изделиях авиационной и ракетнокосмической техники.The disadvantage of this method is the use of metal heaters, as a result of this test they are limited to temperatures of not more than 1300 ° C, which does not correspond to the thermal conditions of operation of some high-temperature ceramic and composite materials in modern high-loaded products of aviation and rocket and space technology.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения предела прочности при растяжении керамических и композиционных материалов за счет приближения условий испытания образца к эксплуатационным тепловым нагрузкам материала в изделии.. Поставленная задача решается тем, что предложен способ определения предела прочности при растяжении керамических и композиционных материалов, включающий индукционный нагрев до заданной температуры со скоростью 10-100°С посредством промежуточного нагревательного элемента и определения предела прочности при растяжении образца, отличающийся тем, что нагрев образца осуществляют промежуточным нагревательным элементом из тугоплавкого проводящего материала нагреваемого индукционным нагревателем до температуры 1300-1700°С.The objective of the invention is to increase the accuracy of determining the tensile strength of ceramic and composite materials by approximating the test conditions of the sample to the operational thermal loads of the material in the product .. The problem is solved by the fact that the proposed method for determining the tensile strength of ceramic and composite materials, including induction heating to a predetermined temperature at a speed of 10-100 ° C by means of an intermediate heating element and determined the limit of tensile strength of the sample, characterized in that the heating of the sample is carried out by an intermediate heating element of a refractory conductive material heated by an induction heater to a temperature of 1300-1700 ° C.

Способ учитывает специфику применения материалов в изделиях с высокими тепловыми нагрузками и скоростями нагрева (10-100°С/с).The method takes into account the specifics of the use of materials in products with high thermal loads and heating rates (10-100 ° C / s).

Сущность способа заключается в определении предела прочности при растяжении образцов при высокоинтенсивном индукционном нагреве промежуточного нагревательного элемента изготавливаемого из тугоплавкого проводящего материала. В качестве материала нагревателя могут быть использованы соединения на основе диборидов циркония и гафния, карбида кремния, силицидов молибдена и вольфрама, а также их различные комбинации. Промежуточный нагревательный элемент может использоваться как в условиях термического контакта с испытываемым образцом, так и без него. Индукционный нагрев позволяет осуществлять быстрый нагрев нагревательного элемента с возможностью точного автоматического управления нагревом, что является существенным для реализации динамического нагрева по заданному режиму изделия.The essence of the method is to determine the tensile strength of the samples with high-intensity induction heating of the intermediate heating element made of refractory conductive material. As the heater material, compounds based on zirconium and hafnium diborides, silicon carbide, molybdenum and tungsten silicides, as well as their various combinations, can be used. An intermediate heating element can be used both in conditions of thermal contact with the test sample and without it. Induction heating allows fast heating of the heating element with the possibility of precise automatic control of heating, which is essential for the implementation of dynamic heating for a given mode of the product.

Изобретение поясняется конкретным примером определения предела прочности при растяжении конструкционных материалов. На фиг. 1 показано, что испытания проводят на испытательной машине 1, дополнительно оборудованной индукционным нагревателем 2 для нагрева промежуточного нагревательного элемента из высокотемпературной проводящей керамики (в частности диборида гафния) в форме трубки 3. Температура образца контролируется при помощи пирометра или термоэлектрического преобразователя 4.The invention is illustrated by a specific example of determining the tensile strength of structural materials. In FIG. 1 shows that the tests are carried out on a testing machine 1, additionally equipped with an induction heater 2 for heating an intermediate heating element made of high-temperature conductive ceramics (in particular hafnium diboride) in the form of a tube 3. The temperature of the sample is controlled using a pyrometer or thermoelectric transducer 4.

Объектом исследования был выбран композиционный материал 8 (фиг. 2), изготовленный методом контактного формования из алюмохромфосфатного связующего с добавлением порошка Аl2O3, которое наносится на кварцевую ткань (материал ХАФСкв). Испытания на растяжение проводились на установке ИР5047-50 при температурах 1100, 1200, 1300, 1500°С. Скорость нагружения 5 мм/мин. Испытывалось по 5 образцов на каждую температурную точку. Контроль температуры проводился пирометром Modline 5 частичного излучения. На фиг. 2 видно как между захватами 5 помещался нагреватель 6 из HfB2, помещенный в теплозащиту 7 из пористого Аl2O3. Скорость нагрева составляла 10°С/сек. По достижении необходимой температуры производилась изотермическая выдержка в течение 180 сек. После изотермической выдержки проводилось испытание на растяжение.The object of the study was selected composite material 8 (Fig. 2), made by contact molding from an alumochromophosphate binder with the addition of Al 2 O 3 powder, which is applied to a quartz fabric (HAFSKv material). Tensile tests were carried out on the installation IR5047-50 at temperatures of 1100, 1200, 1300, 1500 ° C. Loading speed 5 mm / min. 5 samples were tested for each temperature point. Temperature control was carried out with a Modline 5 partial radiation pyrometer. In FIG. Figure 2 shows how a heater 6 of HfB 2 was placed between the grips 5 and placed in a heat shield 7 of porous Al 2 O 3 . The heating rate was 10 ° C / s. Upon reaching the required temperature was carried out isothermal exposure for 180 seconds. After isothermal exposure, a tensile test was carried out.

Прочность при растяжении σ, МПа определяется по формулеThe tensile strength σ, MPa is determined by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где Р - максимальная нагрузка при испытании на растяжение, Н;where P is the maximum load during tensile testing, N;

S - площадь поперечного сечения рабочей зоны образца, мм. В таблице 1 представлены результаты определения прочности при растяжении ХАФСкв при различных температурах.S is the cross-sectional area of the working area of the sample, mm Table 1 presents the results of determining the tensile strength of HAFSKv at various temperatures.

Figure 00000002
Figure 00000002

На фиг. 3 представлены образцы после проведения испытания. Полученные результаты характеризуются низким разбросом значений прочности - до 10% при температуре испытаний до 1500°С.In FIG. 3 presents samples after testing. The results are characterized by a low dispersion of strength values - up to 10% at test temperatures up to 1500 ° C.

Так же, был произведен расчет распределения температур в образце при стационарном и нестационарном нагреве при помощи ANSYS Fluent. Геометрия задачи и элементная сетка приведены на фиг. 4, где 9 - воздух, 10 - теплоизоляция, 11 - образец (1/2 часть), 12 - металлические неохлаждаемые захваты, 13 - нагревательный элемент. Для границ расчетных областей введены следующие обозначения: 14 - граница теплоизоляция-воздух, 15 - ось симметрии задачи, 16 - образец-воздух, 17 - захваты-воздух, 18 - внешняя граница расчетной области для воздуха, 19 - нагреватель - воздух, 20 - внешняя граница расчетной области для захватов.Also, the temperature distribution in the sample was calculated under stationary and non-stationary heating using ANSYS Fluent. The geometry of the problem and the element grid are shown in FIG. 4, where 9 is air, 10 is thermal insulation, 11 is a sample (1/2 part), 12 are metal uncooled grips, 13 is a heating element. The following notation has been introduced for the boundaries of the computational regions: 14 — thermal insulation – air boundary, 15 — symmetry axis of the problem, 16 — sample – air, 17 — air captures, 18 — external boundary of the computational domain for air, 19 — heater – air, 20 — external boundary of the computational domain for captures.

Расчетной оценке подлежали следующие характеристики: условия достижения стационарного режима нагрева, необходимая длительность выдержки (Фиг. 5). Распределение температур в образце видно на фиг. 6.The following characteristics were to be calculated: conditions for achieving a stationary heating mode, the required exposure time (Fig. 5). The temperature distribution in the sample is seen in FIG. 6.

Расчет показал, что длительность выдержки на уровне 180 секунд достаточна для достижения стационарного режима нагрева. Расчет распределения температуры в образце показал, что перепад температур по толщине слоя в условиях стационарного нагрева не превышает 10 градусов вплоть до температуры поверхности образца ~1700°С. Оценка термических напряжений возникающих в образце показала, что их относительная доля при испытании образцов не превышает 2%.The calculation showed that the exposure time of 180 seconds is sufficient to achieve a stationary heating mode. The calculation of the temperature distribution in the sample showed that the temperature difference across the layer thickness under stationary heating does not exceed 10 degrees up to a sample surface temperature of ~ 1700 ° C. An assessment of the thermal stresses arising in the sample showed that their relative fraction in the testing of samples does not exceed 2%.

Таким образом, рассматриваемая конструкция образца и системы нагрева позволяет осуществить динамический нагрев рабочей части образца по заданному режиму, и тем самым обеспечить имитацию температурного режима соответствующего изделию и корректно провести испытания образца при осевом растяжении.Thus, the design of the sample and the heating system under consideration allows dynamic heating of the working part of the sample according to a given regime, and thereby simulate the temperature regime of the product and correctly test the specimen under axial tension.

Данное техническое предложение позволяет приблизить условия испытания керамических и композиционных материалов к тепловым условиям эксплуатации современных высокотеплонагруженных изделиий авиационной и ракетнокосмической техники.This technical proposal makes it possible to bring the test conditions of ceramic and composite materials closer to the thermal conditions of operation of modern highly loaded products of aviation and rocket and space technology.

Claims (1)

Способ определения предела прочности при растяжении керамических и композиционных материалов, включающий индукционный нагрев до заданной температуры со скоростью 10-100°С посредством промежуточного нагревательного элемента и определения предела прочности при растяжении образца, отличающийся тем, что нагрев образца осуществляют промежуточным нагревательным элементом из тугоплавкого проводящего материала, нагреваемого индукционным нагревателем до температуры 1300-1700°С.A method for determining the tensile strength of ceramic and composite materials, including induction heating to a given temperature at a speed of 10-100 ° C by means of an intermediate heating element and determining the tensile strength of the sample, characterized in that the heating of the sample is carried out by an intermediate heating element of refractory conductive material heated by an induction heater to a temperature of 1300-1700 ° C.
RU2019105194A 2019-02-25 2019-02-25 Method of determining ultimate tensile strength of ceramic and composite materials during induction heating RU2711557C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019105194A RU2711557C1 (en) 2019-02-25 2019-02-25 Method of determining ultimate tensile strength of ceramic and composite materials during induction heating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019105194A RU2711557C1 (en) 2019-02-25 2019-02-25 Method of determining ultimate tensile strength of ceramic and composite materials during induction heating

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2711557C1 true RU2711557C1 (en) 2020-01-17

Family

ID=69171760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019105194A RU2711557C1 (en) 2019-02-25 2019-02-25 Method of determining ultimate tensile strength of ceramic and composite materials during induction heating

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2711557C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2789154C1 (en) * 2022-03-10 2023-01-30 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" Method for determining the tensile modulus of ceramic and composite materials during induction heating

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU648875A1 (en) * 1977-09-22 1979-02-25 Уфимский авиационный институт им. Орджоникидзе Article heating method
US5195378A (en) * 1991-03-08 1993-03-23 Duffers Scientific, Inc. Dynamic thermal-mechanical material testing system utilizing a balanced magnetic field
US6200022B1 (en) * 1997-04-21 2001-03-13 Ta Instruments, Inc. Method and apparatus for localized dynamic mechano-thermal analysis with scanning probe microscopy
RU2538419C1 (en) * 2013-08-06 2015-01-10 Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Method of determination of ultimate tensile strength of dielectric materials during induction heat
RU2582270C1 (en) * 2014-12-29 2016-04-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Apparatus for high-temperature mechanical tests of cylindrical objects

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU648875A1 (en) * 1977-09-22 1979-02-25 Уфимский авиационный институт им. Орджоникидзе Article heating method
US5195378A (en) * 1991-03-08 1993-03-23 Duffers Scientific, Inc. Dynamic thermal-mechanical material testing system utilizing a balanced magnetic field
US6200022B1 (en) * 1997-04-21 2001-03-13 Ta Instruments, Inc. Method and apparatus for localized dynamic mechano-thermal analysis with scanning probe microscopy
RU2538419C1 (en) * 2013-08-06 2015-01-10 Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Method of determination of ultimate tensile strength of dielectric materials during induction heat
RU2582270C1 (en) * 2014-12-29 2016-04-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Apparatus for high-temperature mechanical tests of cylindrical objects

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2789154C1 (en) * 2022-03-10 2023-01-30 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" Method for determining the tensile modulus of ceramic and composite materials during induction heating
RU2789656C1 (en) * 2022-03-31 2023-02-07 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие"Технология" им. А.Г.Ромашина" Method for determining the compressive strength of ceramic and composite materials during induction heating
RU2794108C1 (en) * 2022-10-07 2023-04-11 Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Method for determining tensile strength of ceramic and composite materials
RU2815208C1 (en) * 2023-11-24 2024-03-12 Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Device for high-temperature testing of flat samples from ceramic and composite materials

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Smith et al. Monitoring damage accumulation in ceramic matrix composites using electrical resistivity
Panda et al. Thermal shock and thermal fatigue study of ceramic materials on a newly developed ascending thermal shock test equipment
Armani et al. Creep of Nextel™ 610 Fiber at 1100° C in Air and in Steam
Pavlov et al. A new numerical method and modified apparatus for the simultaneous evaluation of thermo-physical properties above 1500 K: A case study on isostatically pressed graphite
RU169620U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE COMPLEX OF THERMAL PHYSICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS
RU2711557C1 (en) Method of determining ultimate tensile strength of ceramic and composite materials during induction heating
RU2789656C1 (en) Method for determining the compressive strength of ceramic and composite materials during induction heating
Guo et al. Properties of Ceramic Substrate Materials for High‐Temperature Pressure Sensors for Operation above 1000° C
Štubňa et al. Measuring the flexural strength of ceramics at elevated temperatures–an uncertainty analysis
RU2789154C1 (en) Method for determining the tensile modulus of ceramic and composite materials during induction heating
CN107014699B (en) For measuring the outer auxiliary thermal and test device of material at high temperature compression performance
RU2510491C2 (en) Method of measuring emissivity factor
RU158476U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE TEMPERATURE COEFFICIENT OF LINEAR EXPANSION OF HEAT PROTECTIVE FILM COATINGS
Immelmann et al. X-ray residual stress analysis on machined and tempered HPSN-ceramics
Ivanov Studying thermal shock resistance of ceramic materials based on their structural sensitivity to a stress concentrator
RU2688911C1 (en) Method of measuring integral coefficient of surface radiation of solid material
Mironov et al. An Experimental Study of the Strength of a Rubber-Like Coke Heat Shield
RU2794108C1 (en) Method for determining tensile strength of ceramic and composite materials
RU2598699C1 (en) Method of determining temperature dependence of emissivity factor (versions)
Basargin et al. Determination of the high-temperature strength of ceramic oxide materials
Nikiforov et al. Investigation of the ultimate strength of periclase-carbon refractory materials and analysis of their high temperature strength
RU2702695C1 (en) Method for fast determination of temperature dependence of viscosity and characteristic glass temperatures and device for its implementation
RU2758414C9 (en) Apparatus for determining complex of thermophysical characteristics of composite materials
RU2576543C1 (en) Method to control quality of thermal treatment of heat protection coatings
Shilav et al. Development of Thermal Conductivity Apparatus for Ablative Composite Materials