Целенаправленное формирование напряжений сжатия в керамической детали.

Принципы проектирования деталей и элементов из хрупких материалов.

1. Минимальных концентраций напряжений

 Деталь не должна иметь в нагруженной зоне концентраторов напряжений.

- крайне нежелательны проточки, уступы, изменение толщины, острые углы (увеличение радиуса скругления хвостовика керамической лопатки ширины шейки приводит к уменьшению максимальных растягивающих напряжений на 14%);

- в местах контакта керамики с металлом поверхности контакта тщательно подгонять;

- целесообразно применять в местах контакта эластичные прокладки (применение прокладок между хвостовиком керамической лопатки и металлическим диском уменьшается трение между деталями, что приводит к уменьшению напряжения на 20-44%, что позволило создоть лопатки работающие при 400000об/мин при температурах 1323-1523⁰К);

- материал сопрягаемый с керамической деталью необходимо выбирать с возможно меньшим модулем упругости.

Свободной температурной деформации керамического элемента

Тепловое расширение всех элементов сочлененных с керамикой должно быть близко к деформации керамического элемента (несоответствие тепловых деформаций керамической оболочки и шпангоута в радиопрозрачном обтекателе ракетно-зенитного комплекса С-300 явилось причиной разрушения изделия).

- подбор температурных коэффициентов линейного расширения керамики и металла;

- применение упругих компенсирующих элементов (Нашло применение в сопловом аппарате газотурбинного двигателя при температурном режиме работы 1273-1673⁰К. Обеспечило наработку нескольких сотен часов в условиях периодического нагрева и охлаждения)

Расчленения сложной конструкции по наиболее напряженным сечениям.

Примеры: Расчленение сборного соплового аппарата, что позволило уменьшить термические напряжения из-за неравномерных температурных полей в процессе нагрева и охлаждения. Каталитический воспламенитель форсажной камеры истребителя из нитрида кремния был разбит на три части.выдержал без разрушения 900 включений (температура на входев каталитический воспламенитель 873⁰ К – на выходе 2023⁰ К).

4. Принцип тепловой однородности керамического элемента (температурное поле должно быть однородным в разных направлениях.).

Примеры. При сопряжении керамической детали втулки с металлом, конической детали переменной толщины.

Целенаправленное формирование напряжений сжатия в керамической детали.

Использование вероятностного подхода на этапе проектирования позволяет обоснованно подойти к выбору конструктивных вариантов исходя из минимальной вероятности их разрушения, выработать требования к керамическим материалам при заданных условиях нагружения или же установить предельные нагрузки при известных свойствах материала, геометрии детали и заданной вероятности ее нагружения.

Основным показателем, характеризующим несущую способность детали из ТК, является коэффициент запаса прочности, равный отношению допустимой прочности на растяжения  материала к максимальному напряжению σ_мах, возникающему в нем от воздействия на деталь тепловых и силовых нагрузок.

Запас прочности - отношение прочности к возникающим напряжениям.

Это важно для керамических деталей высоконагруженных конструкций авиационного и космического назначения, газотурбинных двигателей, обтекатели антенн, автомобильных двигателей, режущего инструмента, металлургического производства.

Основным показателем, характеризующим несущую способность детали из ТК, является коэффициент запаса прочности, равный отношению допустимой прочности на растяжения  материала к максимальному напряжению σ_мах, возникающему в нем от воздействия на деталь тепловых и силовых нагрузок. В случае нормального распределения напряжений при эксплуатации, они характеризуются математическим ожиданием m(σ _max) и среднеквадратическим отклонением s(σ _max). Максимальное напряжение характеризует вероятность безотказной работы по прочности изделия, которая определяется через функцию Лапласа [6,89]

,                (2.5)

где z=(|σ_д|- m(σ _max))/ s(σ _max).

Если в качестве показателя эффективности изделия, в состав которой входит деталь из керамики, выбран функционал Ф, то значения этого показателя зависят не только от параметров идеального изделия Ф^о, но и от значений характеристик надежности Ф_над его элементов (в том числе и по прочности). В качестве показателя надежности работы изделия [30] может быть выбрана величина

ΔФ_над=|Ф^о-Ф_над| ,                                       (2.6)

показывающая насколько снижается эффективность изделия вследствие возможных отказов его элементов из керамики по сравнению с эффективностью идеального, элементы которого абсолютно надежны. Таким образом, вероятность безотказной работы изделия (детали) из керамики может характеризовать качество его функционирования и является показателем эффективности.

Разрушение элемента конструкции из ТК происходит при достижении в некотором объеме предельного значения энергии упругих деформаций растяжения σ_р. Так основным показателем, характеризующим несущую способность обтекателя [6], является коэффициент запаса прочности, равный отношению допустимой прочности на изгиб σ_ид материала к максимальному напряжению. Зная математическое ожидание  и среднеквадратическое отклонение  прочности изделия после механической обработки, можно определить допустимое значение прочности , при котором с вероятностью 95% (99%, 99,9%…) обеспечивается получение детали с гарантированной прочностью .

Задаваясь величиной вероятности 95% получения детали с гарантированной прочностью. Аргумент функция Лапласа z, для принятой величины вероятности, составляет z=1,645. Тогда допустимое значение прочности на разрыв  может быть определено по зависимости

 МПа.                (6.3)

Если не учитывать температурный фактор вероятность безотказной работы (2.6)  для ранее найденных значений математического ожидания =26 МПа и среднеквадратического отклонения = 5 МПа максимальных напряжений в детали «сопло» составит 0,99999. Если допустимое значение прочности уменьшить на величину принятого коэффициенте запаса по прочности  =1,3, то и в этом случае вероятность безотказной работы детали составит 0,99999.

Таблица 4.1. Значения главных растягивающих напряжений в керамической накладке на поршень двигателя внутреннего сгорания

Таблица 4.2. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния накладки на поршень

Для обеспечения вероятности разрушения 10^-3 для керамики на основе ZrO₂ требуется более высокая характеристика прочности 1200 Мпа, чем для Si₃N₄ реакционносвязанного 150 МПа.