Разрушающихся теплозащитных

Вместе с тем чем выше температура металла, тем ниже и разрушающие напряжения при данной продолжительности

Видно (рис. 1.12), что с увеличением степени деформации средние разрушающие напряжения в нетто-сечении образца не снижаются, а наоборот, повышаются. Таким образом, для стали марки СтЗ деформационное старение способствует повышению трещиностойкости.

Достаточно пластичные металлы разрушаются по механизму вязкого разрушения даже при наличии трещины. О реализации вязкого разрушения можно судить по величине остаточной деформации, фрактографическим особенностям и величине разрушающих напряжений. К примеру, в случае реализации вязкого разрушения в плоских моделях с односторонним надрезом (или трещиной) разрушающие напряжения в нетто-сечении иногда близки уровню временного сопротивления металла. При этом разрушение чаще всего носит сдвиговый характер (под углом около 45° к направлению действия нагрузки). Оценку несущей способности при вязком разрушении производят в основном с использованием двух критериев: предельное сопротивление сдвигу ткр и неустойчивость сопротивления пластическому деформированию (начало образования шейки).

(окружные разрушающие напряжения 7,2 • 107 Н/ м2) и температуре 5°С. Сталь с пределом текучести 29,5-107 Н/м2. Анализ излома показал наличие в фокусе внутренней усталостной трещины длиной 42 мм и глубиной 7 мм. Ударные испытания по Шарпи показали критическую температуру хрупкости стали около 20°С. Это означает, что баллон эксплуатировался в температурной области хрупких состояний.

В общем виде условие страгивания трещины можно представить в виде уравнения, связывающего критические размеры трещин I, разрушающие напряжения ар и тре-щиностойкость материала LIC (4.6):

В предельном случае, пластическая зона распространяется по всей площади поверхности нетто-сечения (рис.4.14,6). При этом линии скольжения представляют собой прямые линии, выходящие из вершины дефекта примерно под углом 45 градусов. При этом средние разрушающие напряжения образца близки к временному сопротивлению металла.

Средние разрушающие напряжения для такой модели равны таковым для модели с краевой трещиной (очевидно, при условии равенства величины Ьн для обеих моделей с одинаковой толщиной S).

В процессе производства труб, монтаже и строительстве, а также при эксплуатации трубопроводов могут возникать общие и локализованные пластические деформации. Они способствуют деформационному охрупчива-нию и старению металла. В связи с этим возникает опасность реализации хрупкого разрушения при наличии острого дефекта, как царапина (риска). Другим охрупчи-вающим фактором является отрицательная температура. Охрупчивание металла может происходить при одновременном действии механических напряжений и коррозионных сред, например, в сероводородосодержащихся. В условиях хрупкого или квазихрупкого разрушения разрушающие напряжения могут быть значительно меньше предела прочности и даже предела текучести.

пряжении на предельные разрушающие напряжения о^

Разрушающие напряжения :

Марка Плотность, г/см-' Разрушающие напряжения при сжатии, KIC/MM- Удельная ударная вязкость, Температуро-сюйкость, °С Теплопроводность кал/(м • ч • °С) Коэффициент линейного расширения ос-106

Большой опыт в создании стойких теплозащитных материалов накоплен в ракетно-космической технике. За короткий срок была создана и усовершенствована технология изготовления тугоплавких металлов и их соединений, керамики и серии разрушающихся теплозащитных материалов как композиционных, так и армированных.

В настоящее время возникает необходимость на основе накопленного опыта выработать строгие критерии отбора, позволяющие заменить эмпирический подход целенаправленным поиском систем, оптимальным образом отвечающих заданным условиям. Это требование особенно важно для разрушающихся теплозащитных материалов, количество которых резко растет в связи с прогрессом в области органической химии и материаловедения. При этом возникла потребность в разработке теории (механизма) процессов разрушения и прогрева теплозащитных материалов, в теоретическом исследовании влияния состава различных классов покрытий на параметры разрушения, в обобщении результатов стендовых исследований и создании новых методик эксперимента.

Для разрушающихся теплозащитных материалов характерны высокий уровень рабочих температур и существенное изменение структуры материала. Оба этих фактора сильно отражаются на теплофизических свойствах вещества. Однако если учесть степень влияния изменений различных свойств на температурное поле в материале, то прежде всего следует выделить коэффициент теплопроводности. Изменениями других теплофизических параметров в инженерной практике часто пренебрегают. Так, хотя плотность может уменьшиться почти вдвое по мере роста температуры и разложения части компонент композиционного материала, на температурное поле влияет не она сама, а произведение плотности на теплоемкость. У большинства же реальных теплозащитных материалов теплоемкость с увеличением температуры возрастает (см. приложение), и изменение произведения рс, входящего в уравнение теплопроводности, оказывается в итоге ограниченным. Как правило, оно отклоняется от первоначального значения менее чем в 2 раза.

До сих пор рассматривались однородные теплозащитные материалы, при нагреве которых не возникало внутренних источников или стоков тепла. Большинство разрушающихся теплозащитных материалов являются композиционными, причем при нагреве их отдельные компоненты (могут претерпевать ряд физико-химических превращений еще до выхода на внешнюю поверхность (т. е. при температурах T
Принцип работы разрушающихся теплозащитных систем характеризуется потерей поверхностного слоя (или разложением одной из компонент материала) ради сохранения благоприятного теплового режима внутренних слоев и самой защищаемой конструкции. Разрушение поверхностного слоя происходит в результате различных физико-химических превращений под воздействием подводимых к поверхности конвективных и радиационных тепловых потоков, диффузионных потоков химически активных компонент, а также под действием сил давления и трения. Химические реакции могут протекать как при участии компонент набегающего потока, так и независимо от них. Кроме того, на поверхности теплозащитного покрытия под действием внутреннего давления или внешних сил, а также вследствие термических напряжений может иметь место эрозия — механический унос в виде отдельных частиц.

Использование разрушающихся теплозащитных систем имеет существенные преимущества перед другими способами тепловой защиты. Главное из них заключается в саморегулировании процесса, т. е. в изменении массового расхода материала покрытия при изменении тепловой нагрузки. Процессы разрушения сопровождаются фазовыми и химическими превращениями, а также вдувом в набегающий поток продуктов разрушения. Благодаря этим факторам указанный тип покрытий существенно превосходит по эффективности системы, работающие на принципе поглощения тепла. Как подчер- щ

В связи с этим возникает вопрос, существует ли вообще в такой ситуации какая-либо общая скорость разрушения или при нагреве композиционный материал распадается на отдельные составляющие, поведение которых не зависит друг от друга. Оказывается, для большинства разрушающихся теплозащитных материалов такая общая скорость су-•'ществует и практически всегда удается обнаружить последовательность (схему) процессов разрушения — в дальнейшем она будет называться определяющим механизмом разрушения, которая обусловливает появление такой скорости и позволяет при любых заданных условиях обтекания рассчитывать результирующие характеристики поведения данного материала в целом. У композиционных материалов механизм разрушения обычно определяется поведением какой-либо одной компоненты, массовое содержание которой в материале достаточно велико, либо она в состоянии образовать механически прочный каркас, обладающий лучшей среди других компонент способностью противостоять аэродинамическому воздействию потока при высоких температурах.

разрушающихся теплозащитных материалов

Итак, общая задача исследования разрушающихся теплозащитных материалов требует установления определяющего механизма разрушения и получения зависимости основных характеристик уноса массы в виде функций от температуры поверхности и внешних условий обтекания. С этой целью целесообразно разбить все многообразие теплозащитных материалов на несколько классов, исходя из предполагаемого определяющего механизма разрушения. Будет рассмотрено пять таких классов:

Такое ограничение вызвано, прежде всего, желанием авторов найти: общий подход к построению методов расчета разрушающихся теплозащитных материалов. Важно также, чтобы все теплофизические, кинетические и другие параметры расчетных моделей однозначно характеризовали сам материал, а не характер его нагрева или разрушения. Точнее, указанные параметры не должны изменяться при переходе от одних условий эксплуатации к другим.

В последующих главах будут описаны механизмы разрушения основных представителей разрушающихся теплозащитных материалов. Для. определенности каждый раз будут указаны некоторые «эталонные» материалы данного класса. Эксперименты указали на некоторую «консервативность» механизма разрушения к химическому составу: небольшие-добавки инородных компонент не меняют существа зависимостей параметров разрушения от характеристик набегающего газового потока. Поэтому все представленные численные результаты могут быть распространены на целую группу материалов.