Аспекты моделирования новых композиционных армированных материалов с интерметаллическими упрочняющими элементами
Автор: Крюков Д.Б., Кривенков А.О., Чугунов С.Н., Гуськов Д.О.
Журнал: Теория и практика современной науки @modern-j
Рубрика: Основной раздел
Статья в выпуске: 6 (24), 2017 года.
Бесплатный доступ
В статье рассматривается эффективный способ создания изотропных по механическим свойствам композиционных материалов на основе титана и алюминия. Рассмотрен новая схема упрочнения композиционного материала на основе предварительного математического моделирования в программе C osmos Works.
Математическая модель, композиционный материал, армирование, упрочняющий элемент
Короткий адрес: https://sciup.org/140271909
IDR: 140271909
Aspects of modeling of new composite reinforced materials with intermetallic simple elements
The article discusses an effective way to create isotropic mechanical properties of composite materials based on titanium and aluminum. Describes a new scheme of hardening of the composite material on the basis of preliminary mathematical modeling in the program Cosmos Works.
Текст научной статьи Аспекты моделирования новых композиционных армированных материалов с интерметаллическими упрочняющими элементами
Многослойные композиционные материалы (МКМ) являются представителем такого рода материалов, которые сочетают в себе большинство преимуществ составляющих их компонентов и лишены недостатков, присущих каждому из них в отдельности [1]. Перспективным способом упрочнения такого рода композиционных материалов является использование армирующих промежуточных слоев из более прочных материалов. С учетом того, что геометрические параметры и конфигурация промежуточного армирующего слоя оказывает влияние на характер физикомеханических свойств композиционного материала, авторами был проведен анализ, в ходе которого было установлено, что наиболее рациональным с точки зрения перераспределения внутренних напряжений в композиционном материале является использование перфорированных промежуточных армирующих слоев [2, 5].
Целью исследований являлась разработка нового способа изготовления изотропных по механическим свойствам МКМ на основе титана и алюминия. Исследования выполнялись за счет средств гранта Российского научного фонда (соглашение № 14-19-00251 от 26 июня 2014 года).
В основу разработки новых МКМ положен принцип синтеза интерметаллического слоя заданного состава и толщины на границах прочного соединения матрицы и упрочняющего перфорированного элемента за счёт теплового воздействия на заключительной операции изготовления детали или конструкции [3,4].
С целью оценки комплекса механических свойств МКМ системы Ti-Al было выполнено математическое моделирование данного материала в программе Solid Works . Программный продукт Solid Works позволяет моделировать реальное приложение нагрузки к рабочим поверхностям композита, а также позволяет учитывать глобальный контакт между поверхностями листовых материалов внутри композиционного материала. Была создана модель МКМ с геометрическими параметрами слоев, приведенными в таблице 1, в соответствии с ГОСТ 1494-84.
Таблица 1. Состав и геометрические характеристики моделируемого МКМ
|
Материал |
Геометрические параметры образцов, мм |
Геометрические параметры упрочняющих элементов, мм |
|
Слоистый КМ с перфорированным упрочняющим слоем (ВТ1-0 – TiAl 3 -АМг5М – TiAl 3 – ВТ1-0) |
7×20×240 (3-0,1-0,8-0,1-3 -толщина слоев соответственно) |
Диаметр перфорации – 10; Межосевое расстояние – 15 |
Для последующего расчета были заданы необходимые исходные физико-механические характеристики компонентов МКМ (таблица 2).
При определении механических свойств МКМ для моделирования процесса нагружения при одноосном растяжении в программе Solid Works была построена сетка конечных элементов с учетом условий глобального контакта соединяемых поверхностей без проскальзывания при испытаниях.
Таблица 2. Основные физико-механические характеристики материалов, составляющих МКМ
|
Материал |
Свойства материала |
|||||
|
Предел прочности, σ в , МПа |
Предел текучести, σт, МПа |
Коэффициент Пуассон а, υ |
ТКЛР, α, 10-6ºС |
Плотность, ρ, кг/м3 |
Микротвер дость, МПа |
|
|
Сплав ВТ1-0 |
345,0 |
220,0 |
0,34 |
8,6 |
4510 |
147 |
|
Сплав АМг5М |
275,0 |
205,0 |
0,33 |
23,6 |
2690 |
82 |
|
Интермета ллид TiAl 3 |
1200,0 |
980,0 |
0,33 |
- |
3300 |
2300 |
Для монометалла сетка создана с шагом 0,1 мм2, количество узлов 75000, для армированного МКМ сетка создана с шагом 0,1 мм2, количество узлов 117000. Величина механических свойств, исследуемых МКМ, полученных в ходе компьютерного моделирования приведена в таблице 3.
Таблица 3. Механические свойства МКМ, полученные в ходе компьютерного моделирования
|
Материал |
Плотность ρ, кг/м3 |
Предел прочности, σ в , МПа |
Коэффициент запаса прочности |
Удельная прочность σ в /ρg, км |
|
Слоистый КМ с перфорированным упрочняющим слоем (ВТ1-0 – TiAl 3 - АМг5М – TiAl 3 – ВТ1-0) |
4250 |
622,0/622,0* |
0,73 |
14,41 |
Примечание * - значения получены на образцах, испытанных во взаимно перпендикулярных направлениях.
На основании результатов компьютерного моделирования МКМ, установлено, что предел прочности МКМ с интерметаллической перфорированной двухслойной прослойкой TiAl 3 , по сравнению с материалом матрицы, увеличивается на 46 % с обеспечением изотропности.
Разработанный принцип синтеза интерметаллического слоя заданного состава и толщины на границах прочного соединения матрицы и упрочняющего элемента за счёт теплового воздействия на конечной операции изготовления детали или конструкции может быть успешно применён при создании МКМ другого состава.
Список литературы Аспекты моделирования новых композиционных армированных материалов с интерметаллическими упрочняющими элементами
- Арзамасов Б. Н., Макарова В. И., Мухин Г. Г. Материаловедение: учеб. для вузов / 5-е изд. стер. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - 648 с.
- Григолюк Э. И., Фильштинский Л. А. Перфорированные пластины и оболочки / М.: Наука, 1970. - 556 с.
- Первухин Л.Б., Крюков Д.Б., Кривенков А.О., Чугунов С.Н. Разработка новых схем армирования композиционных материалов на основе интерметаллического упрочнения // Металлург. №7. 2016. С. 85-87.
- Первухин Л.Б., Крюков Д.Б., Кривенков А.О., Чугунов С.Н. Кинетика диффузионных процессов протекающих в композиционном материале титан-алюминий // Металлург. №9. 2016. С. 101-103.
- Способ получения композиционного материала: Патент на изобретение, Рос. Федерация №2522505 / Розен А.Е., Крюков Д.Б., Кирин Е.М., Гуськов М.С., Хорин А.В., Усатый С.Г., Любомирова Н.А.; патентообладатели: Общество с ограниченной ответственностью Инженерно-Технологический центр «Сварка»; дата поступл.: 26.04.2013; дата регистрации: 20.05.2014.
