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

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

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

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.