www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

В качестве конструкционных материалов используют главным образом металлы; керамические материалы редко применяют там, где они могут подвергаться растягивающим напряжениям. Однако некоторые керамические материалы имеют уникальное сочетание свойств, которые весьма важны для конструкционных материалов. Например, карбид кремния сохраняет свою прочность при температурах выше 1400° С и исключительно устойчив к окислению. Основной причиной, ограничивающей использование керамики в качестве конструкционного материала, является сочетание неблагоприятных физических свойств: хрупкости, низкой прочности и склонности к разрушению под действием термического удара. В последние годы разработали новое поколение керамических материалов, благодаря которым было преодолено традиционное предубеждение против использования керамики как конструкционного материала, например, в качестве деталей высокотемпературных газовых турбин.

Цель данной работы состоит в том, чтобы изложить научные основы как создания конструкционной керамики, так и оценки работы керамики при их специфическом конструкционном применении.

Опытным путем было установлено, что при соответствующем подходе к проектированию можно внедрить керамические компоненты в некоторые устройства, не опасаясь катастрофически быстрого разрушения. Успешное применение конструкционной керамики возможно при условии глубокого понимания факторов, определяющих прочность, детальной оценки рабочих характеристик материалов, — что позволит вести проектирование на основе наиболее важных свойств материала, — и разработки методик эффективного прогнозирования выхода изделия из строя.

Общая схема, принятая при проектировании керамических устройств, представлена на рис. 1. В ней выделяют четыре основные части: разработку материалов, их оценку, проектирование изделия и прогнозирование его разрушения.

Два существующих подхода к разработке материалов рассмотрены в части 1 настоящей работы:
1. Надежность деталей, подвергающихся значительным повторным ударам или резким термическим циклам, лучше всего обеспечивается при использовании высоковязкой керамики. Этот тип керамики может быть получен либо приданием ей пластичности, либо введением в ее состав соответствующих материалов второй фазы, например волокон диспергированных металлов.
2. В тех случаях, когда на изделие действуют длительные механические или более умеренные термические нагрузки, требуется керамика с максимально возможной прочностью при растяжении. Такую керамику можно получить, если удастся максимально увеличить напряжение, вызывающее расширение наиболее опасных ранее существовавших дефектов в материале, при одновременном сохранении высокого предела текучести. Подходы к оценке материалов и прогнозированию срока службы в основном одинаковы как для высоковязкой, так и для высокопрочной керамики. Для оценки материалов необходимо знать факторы, снижающие длительную прочность детали (удары, медленный рост трещин, ползучесть, многоосные напряжения и статистические эффекты). Это достигается сочетанием анализа, разработки математических моделей, методик описания распространения и остановки трещин и т. д. (см. часть 2).

В части 3 рассмотрены эффективные схемы прогнозирования разрушения, которые основаны главным образом на разработке методов неразрушающего контроля деталей.

Методы проектирования конструкционной керамики в работе не рассмотрены.

Назад, на страницу описания