Свойства волокна бора и магния

Как уже указывалось, решение задачи создания детали – лопатки носит комплексный характер: параллельно ведутся исследования по получению собственно композиционного материала и оценке его свойств в зависимости от структуры и одновременно осуществляется конструирование детали с определением условий эксплуатации отдельных ее частей по напряженно-деформированному состоянию (определяются напряжения изгиба, растяжения, смятия, среза и др. в наиболее опасных зонах). Образцы для испытаний и модели лопаток изготовлялись методом вакуумно–компрессионной пропитки волоконной заготовки в виде каркаса образца или лопатки. Углы укладки волокон были определены из условий преимущественного нагружения лопаток изгибным и крутильным моментами, возникающими от сил газового потока. Были взяты следующие углы укладки: j = 0^о, ± 15^о, ± 30^о, 90^о. Переменными являлись также степень объемного наполнения КМ волокнами, количество слоев, поскольку априорно было известно, что свойства КМ в основном зависят от характеристик борных волокон, их расположения и объемного содержания. С точки зрения возникающих при эксплуатации напряжений от центробежных сил большое значение имеет величина плотности материала. Последняя может быть найдена по зависимости

ρ = υ ρ_в + (1- υ) ρ_м, (10.2)

где υ – значение объемного наполнения КМ волокнами бора;

ρ_в, ρ_м – плотность борных нитей и матрицы соответственно.

Для наиболее нагруженного режима работы двигателя были определены средние значения напряжения растяжения по перу лопатки и напряжения среза и сжатия в замковой части лопатки. В частности, предел прочности на растяжение в направлении действия центробежных сил должен быть: σ _в ³ 400 МПа, на сжатие σ _см ³ 200 МПа, на сдвиг τ _сд ³ 80 МПа. В соответствии с этими требованиями было выполнено уточнение величины объемного наполнения КМ волокнами бора и было принято ν = 0,3. На основании теоретико-экспериментальных исследований были получены следующие зависимости для определения свойств композиционного материала.

Предел прочности при растяжении КМ при продольном расположении волокон

σ_в = υσ_вв+(1-υ)σ΄_вм, (10.3)

где σ_вв - предел прочности борных волокон;

σ΄_вм – напряжения в матрице, соответствующие предельной деформации волокон до разрушения.

Модуль упругости КМ при продольном расположении волокон может быть определен по формуле

Е₁ = υ Е_в + (1- υ) Е_м, (10.4)

где Е_в, Е_м – модули упругости материалов волокна и матрицы соответственно.

Модуль упругости КМ при поперечном расположении волокон

Е₂ = . (10.5)

Коэффициенты Пуассона для продольного и поперечного расположения волокон могут быть определены по формулам, соответственно:

ν ₁₂ = υ ν _в + (1- υ) ν _м; (10.6)

ν ₂₁ = ν ₁₂ Е₂ / Е₁, (10.7)

где ν_в, ν_м – коэффициенты Пуассона материалов волокна и матрицы соответственно.

Приведенные формулы получены в предположении, что матрица более пластична, обеспечивается совместная деформация волокон и матрицы до разрушения.

Расчетные значения характеристик КМ из бормагния (при υ = 0,3), полученные по вышеприведенным зависимостям, приведены в табл. 10.2.

Таблица 10.2