№1-2019

Полные версии статей
https://elibrary.ru/contents.asp?id=37244687

Казарина С.А., Мовчан А.А., Сильченко А.Л.

ВЛИЯНИЕ НЕУПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ НА ТЕМПЕРАТУРУ НАЧАЛА ОБРАТНОГО ТЕРМОУПРУГОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

В первой части статьи приведены экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что температура начала обратного мартенситного или ромбоэдрического фазового превращения в никелиде титана в отсутствии напряжений увеличивается с ростом начальной фазово-структурной деформации материала. Данный эффект не может быть описан в рамках известной модели нелинейного деформирования сплавов с памятью формы (СПФ) при фазовых и структурных превращениях, поскольку согласно определяющим соотношениям этой теории изменение температуры начала обратного превращения пропорционально свертке девиаторов напряжений и начальных фазово-структурных деформаций, которая обращается в нуль при равных нулю напряжениях. Не описывается этот эффект и в рамках большинства известных феноменологических моделей термомеханического поведения СПФ. В данной работе для описания рассматриваемого эффекта предлагается добавить в выражение для потенциала Гиббса СПФ неаддитивное слагаемое, являющееся функцией инварианта тензора фазово-структурной деформации. Исходя из этого предположения, с помощью формализма, принятого в рациональной термодинамике, как следствие первого и второго законов термодинамики, получены выражения для температуры начала обратного термоупругого фазового перехода, содержащие слагаемое, не обращающееся в нуль при нулевых напряжениях. Анализируется вопрос о знаке этого слагаемого. Получена также формулировка связанного уравнения энергетического баланса, учитывающая изменение в выражении для потенциала Гиббса. Путем сравнения с экспериментальными данными определен знак производной дополнительного слагаемого потенциала Гиббса и значение дополнительных констант предлагаемой модели. Обсуждается вопрос о влиянии предлагаемого изменения модели на величины характерных температур прямого термоупругого фазового превращения.

Страницы: 3-18 Elibrary

Антюфеева Н.В., Афанасьева Е.А., Гусева М.А., Хасков М.А.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕНИЯ ЭПОКСИДНЫХ ОЛИГОМЕРОВ С ПОЛИАРИЛАТОМ

В представленной работе методами ротационной вискозиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) изучена совместимость полиарилата марки ФВ-1 с различными эпоксидными смолами. Особый интерес представляет данный термопласт в качестве модификатора благодаря повышенной теплостойкости. Материалы на его основе получают с более высокими термостойкими и износостойкими свойствами. Взаиморастворимость компонентов требует к себе внимания, так как этот процесс в значительной степени влияет, как на свойства полимерного композиционного материала (ПКМ), так и на способ получения готового изделия. При плохой совместимости термопластов с реактопластами возможно образование дисперсии и неравномерной завершенности обменных процессов во время переработки, что способно отразиться на структуре и свойствах готового ПКМ. Из-за непредсказуемости начальных факторов предсказать поведение системы термопласт — реактопласт довольно трудно, поэтому подобные вопросы решаются в основном на практике. В статье исследовано поведение смесей эпоксидных олигомеров ЭД-20, УП-637, ЭН-6 и ЭХД в зависимости от концентрации термопласта, а также при сравнении друг относительно друга. По результатам испытаний установлено, что подобно другим термопластичным модификаторам, ФВ-1 растворяется в эпоксидных смолах. Однако, в отличие от полиарилсульфонов, температурный диапазон этого процесса сдвигается в область более высоких температур из-за повышенной теплостойкости термопласта в сравнении с полиарилсульфонами. Найдена линейная зависимость температурного интервала растворения термопласта от его содержания в смеси, а также различия в реологическом поведении в зависимости от состава композиции. Показано, что области тепловых эффектов на кривых ДСК, которые совпадают с областями увеличения вязкости по мере нагревания, наблюдаемыми на реологических кривых, относятся не к химическому взаимодействию, а к процессу растворения. Кроме этого, выяснилось, что в результате совмещения происходит постепенное возрастание вязкости. Особенно при высоких температурах.

Страницы: 19-28 Elibrary

Березин А.В., Жиркевич В.Ю.

ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА ДЕФОРМИРОВАНИЯ СРЕД С ДЕФЕКТАМИ

Рассмотрены примеры оценки момента потери устойчивости процесса деформирования, который определяется как момент начала деформирования при убывающем приложенном напряжении при монотонном нагружении. Рассмотрены два примера процессов: шейка образца при одноосном испытании и заклепочное соединение обшивки фюзеляжа самолета. В последнем случае помимо упомянутого способа оценки момента потери устойчивости рассмотрена также возможность применения выведенного по результатам конечно-элементного моделирования критерия, связанного с соотношением эффективных напряжений, определяемых как растягивающая сила, деленная на площадь проходящего вдоль трещин поперечного сечения модели, еще сохраняющего свою целостность, и эффективной деформации, определяемой как максимальное смещение концов растягиваемого образца, деленное на исходную длину ненагруженной модели. При применении этих двух способов получены достаточно близкие результаты, что выражается в получении для обоих случаев сходных оценок вычисленных значений количества циклов нагружения, которое необходимо, чтобы трещина в алюминиевом 2024-TЗ, из которого изготовлена обшивка фюзеляжа, достигла критической длины. Отмечена обусловленная разнообразием уровней нагрузок и приемов нагружения необходимость получения значительного числа требующихся для расчета зависимостей из соответствующих экспериментов. В качестве основного метода определения момента страгивания усталостной трещины рекомендован метод акустической эмиссии. Необходимость обращения к экспериментальным методам определения законов роста трещин и отвечающих за это параметров материала обусловлена зависимостью роста микродефектов от широкого круга внешних условий: типа окружающей среды, температуры, давления и т.п. При использовании предложенных критериев может быть разработана методика оценки наступления критического состояния применяемых в различных областях техники деталей, содержащих дефекты и подверженных действию внешних нагрузок. Это позволит своевременно прогнозировать момент их возможного выхода из строя.

Страницы: 29-36 Elibrary

Калмыков П.Н., Лапичев Н.В., Михайлов И.А., Мягков Н.Н., Пыриков М.Д., Сальников А.В., Шумихин Т.А.

МОРФОЛОГИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ТОЛСТОСТЕННЫХ ПЛАСТИН-СВИДЕТЕЛЕЙ ФРАГМЕНТАМИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ УДАРНИКОВ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Экспериментальное изучение фрагментации ударника при высокоскоростном пробитии тонких преград не отличается большим арсеналом технических средств прямого наблюдения. Одним из достоверных способов получения информации о характеристиках образующегося облака фрагментов является анализ повреждений пластин-свидетелей, устанавливаемых на некотором расстоянии за преградой на пути движущихся фрагментов. В данной работе проводится сравнительный анализ морфологических особенностей повреждений пластин-свидетелей фрагментами ударников, изготовленных из различных материалов: полиэтилена, алюминиевого сплава (Al-сплав) и капролона, охрупченного добавлением стеклянных микросфер. Эксперименты выполнены в диапазоне скоростей соударения от 2900 м/с до 7000 м/с, при этом были использованы три типа тонких преград: сплошные, сеточные и струнные. Выявлено, что при идентичных условиях в экспериментах со струнными преградами ударник из полиэтилена демонстрирует меньшую степень фрагментации, чем охрупченный капролон. При этом существенная часть начальной кинетической энергии полиэтиленового ударника остается в его тыльной части, не перераспределяясь к другим частям ударника и не переходя в энергию разрушения. У охрупченного капролона сохраняется тенденция к образованию выбросов из фронтальной части, формирующих цепочки кратеров на свидетеле. При фрагментации на сплошной преграде облако фрагментов полиэтиленового ударника состоит как из компактных, так и из нитевидных фрагментов. Нитевидные фрагменты могут образовывать замкнутые структуры. Подобный тип фрагментации наблюдался в экспериментах с ударниками из стекла. Примечательно, что распределение кратеров, образованных нитевидными фрагментами полиэтиленового ударника, схоже по структуре с распределением множества мелких кратеров в периферийной зоне повреждений свидетеля облаком фрагментов ударников из Al-сплава при пробитии сплошной преграды. Глубокое морфологическое подобие выявлено между повреждениями в эксперименте по пробиванию стальной сетки полиэтиленовым ударником и вольфрамовой сетки ударником из Al-сплава. При этом параметром, контролирующим подобие этих экспериментов, по всей видимости, является отношение плотностей материала преграды и ударника.

Страницы: 37-56 Elibrary

Горбачев В.И., Соляев Ю.О.

СОПОСТАВЛЕНИЕ МЕТОДОВ МОРИ-ТАНАКА И ГОРБАЧЕВА-ПОБЕДРИ В ЗАДАЧЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ С ПЬЕЗОАКТИВНЫМИ СФЕРИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

Рассматривается проблема прогноза эффективных характеристик композиционных материалов на основе полимерной изотропной матрицы с наполнителем из пьезоактивных трансверсально изотропных керамических частиц. В рамках модели сферического включения проводится сопоставление трех методов осреднения. Во-первых, привлекается метод Мори-Танака, который позволяет получить аналитические оценки эффективных свойств, основанные на решении задачи Эшелби для изолированного включения. Во-вторых, рассматривается метод Горбачева-Победри, который основан на интегральном представлении решений для задач о деформациях неоднородной среды и требует численного решения вспомогательных задач для определения, так называемых, структурных функций. Прогнозы, получаемые в рамках указанных методов, сопоставляются с результатами прямого численного моделирования представительных фрагментов композитов, для которых эффективные характеристики определяются, как отношение соответствующих осредненных значений полей напряжений, деформаций, напряженности электрического поля и электрической индукции. В результате расчетов установлено, что рассмотренные методы могут приводить к отличающимся прогнозам свойств пьезокомпозитов. Наибольшее различие реализуется для пьезоэлектрических констант: до 150-200% при объемном содержании включений 30-40%. Также установлено качественное различие в получаемых прогнозах: для констант, определяющих жесткость композита при растяжении/сжатии и диэлектрические свойства наиболее высокие эффективные значения получены по методу Горбачева-Победри, а наименьшие — по методу Мори-Танака. Для жесткости композита на сдвиг наиболее высокие прогнозы дает метод Мори-Танака, а самая низкая эффективная жесткость на сдвиг реализуется при реализации подхода, основанного на конечно-элементном моделировании представительных фрагментов.

Страницы: 57-75 Elibrary

Куцбах А.А., Муранов А.Н., Семенов А.Б., Семенов Б.И.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНОЙ УСАДКИ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПОРОШКОВО-ПОЛИМЕРНЫХ СМЕСЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АНАЛОГОВ СТАЛИ 38ХМА (42crmo4) mim-МЕТОДОМ

В работе рассматривается одна из передовых технологий порошковой металлургии, эффективная для серийного и массового производства как металлических, так и керамических малогабаритных точных деталей со сложной геометрической конфигурацией — технология «Powder Injection Moulding» (PIM), основанная на использовании для литьевого формования под высоким давлением порошково-полимерных смесей (фидстоков). При использовании PIM-технологии, качество конечной спеченной металлической либо керамической детали в последовательных технологических переделах во многом определяется именно качеством первоначального отформованного полуфабриката — отливки из дисперснонаполненного полимерного композиционного материала. Размерная точность формуемого литьем композиционного полуфабриката, в том числе, связана с его некомпенсируемой усадкой при охлаждении и извлечении из пресс-формы, а значение этой усадки, в свою очередь, определяется величиной коэффициента теплового расширения, который для фидстоков в первую очередь зависит от состава и свойств используемого полимерного связующего. В настоящей работе кратко рассмотрены расчетно-теоретические методы оценки теплового расширения порошково-полимерных смесей (фидстоков). Отмечено, что для материалов со сложной структурой и слабо детерминированными свойствами компонентов, таких, например, как фидстоки со связующим в виде смеси полимеров, одним из наиболее достоверных средств изучения эффективных термомеханических характеристик остаются определительные испытания. Для применяемых для изготовления деталей из аналогов стали 38ХМА (42CrMo4) фидстоков с двумя наиболее распространенными типами полимерного связующего в диапазоне температур от -20 до +125оС методом линейной дилатометрии определены температурные зависимости среднего коэффициента линейного теплового расширения. Полученные экспериментальные данные, дополненные точным пикнометрическим измерением плотности исследуемых материалов, позволили выполнить для каждого из них оценочный расчет температурной зависимости величины удельного объема. На основе рассчитанных зависимостей проведена сравнительная оценка значений свободной некомпенсируемой усадки фидстоков сравниваемых типов.

Страницы: 76-86 Elibrary

Волков А.Е., Егоров С.А.

ИЗМЕНЕНИЕ ЭНТАЛЬПИИ ОБРАТНОГО МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ В НИКЕЛИДЕ ТИТАНА ПРИ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИИ ПОД НАГРУЗКОЙ

Выполнено исследование влияния напряжений, действующих в процессе прямого и обратного мартенситного превращений в сплаве с памятью формы никелид титана, на энтальпию прямого и обратного мартенситных превращений. Выполнена серия опытов по реализации мартенситных превращений посредством охлаждения и нагрева при действии постоянного сдвигового напряжения (в режиме кручения), одинакового как при прямом, так и при последующем обратном превращении. Одновременно измеряли деформацию образца и проводили дифференциальный термический анализ по методике, позволяющей получать оценки теплопоглощения или тепловыделения. Обнаружено, что при увеличении напряжения от 0 до 100 МПа теплота обратного превращения снижается в 2.5 раза. Отмечено, что если же прямое превращение проводить под напряжением, а затем обратное превращение производить после разгрузки образца, то теплота, поглощаемая при обратном превращении, снижается при таком же изменении напряжения от 0 до 100 МПа только в 1.3 раза. Предложено теоретическое объяснение данного явления, для чего рассмотрены различные факторы, влияющие на теплопоглощение при обратном превращении, такие как энергия границ, разделяющих ориентационные варианты мартенсита, работа, совершаемая приложенным напряжением на фазовой деформации и упругая энергия, запасаемая в материале вследствие несовместности фазовой деформации пластин мартенсита. Оценка упругой энергии основана на представлении сплава с памятью формы, как композита, состоящего из различно ориентированных пластин мартенсита, и учета условий равновесия напряжений и совместности полной деформации. Сравнение упругой энергии, запасенной при образовании мартенсита в отсутствие напряжения и при действии напряжения 100 МПа, показывает, что ее величина соответствует изменению тепла, выделяющегося при обратном превращении. Отмечено, что вклад других перечисленных выше факторов, влияющих на энтальпию обратного превращения, значительно меньше и, кроме того, не может объяснить ее снижение при росте напряжения, так как он направлен только в сторону ее повышения.

Страницы: 87-96 Elibrary

Трутнев Н.С., Филимонова Т.В., Шишкин А.А.

О ВЫБОРЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЛЕЙНЕРА МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНОГО БАЛЛОНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Рассмотрены конструктивные особенности облегченных металлокомпозитных баллонов. Сформулированы основные требования к сосудам давления, основные из которых запас прочности и стойкость к циклическому изменению давления. На основе анализа требований установлено, что основным фактором, препятствующим достижению массового совершенства, является металлическая герметизирующая оболочка — лейнер. Так как основную нагрузку воспринимает композит, для снижения массы необходимо свести к минимуму толщину стенки лейнера, которая ограничена технологическими возможностями. Кроме того, наличие металла требует увеличения толщины композиционного слоя для исключения усталостного растрескивания. При расчете конструкции баллона приняты основные граничные критерии: прочность и допустимый уровень деформаций, препятствующий попаданию металла в пластическое состояние. В результате анализа технологического цикла изготовления и испытаний металлокомпозитного сосуда давления установлено, что в конструкции возникают дополнительные технологические напряжения, которые влияют на конечный размах деформаций. На основе известных подходов к расчету комбинированных баллонов предложена методика расчета, учитывающая влияние технологических напряжений. Выполнен уточненный расчет баллона из условий прочности и отсутствия пластических деформаций в металле для различных сочетаний материалов при различной толщине стенки лейнера. Установлено, что в большинстве случаев ограничивающим фактором является требование по ограничению деформаций металла. Учет технологических напряжений оказывает существенное влияние на расчетную массу баллона, т.к. в некоторых случаях толщина лейнера оказывает положительное влияние на деформации комбинированной конструкции. Получены соотношения металла и композита, обеспечивающие минимальную массу баллона. Установлено, что зависимость между массой сосуда и толщиной лейнера имеет нелинейный характер, и в некоторых сочетаниях материалов стремление к минимизации толщины металла нецелесообразно.

Страницы: 97-109 Elibrary

Фирсанов В.В.

РАСЧЁТНАЯ МОДЕЛЬ ИЗГИБА КРУГЛОЙ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ПЛАСТИНКИ С УЧЁТОМ ЕЁ НЕСЖИМАЕМОСТИ

Несжимаемые изотропные упругие материалы имеют максимальный коэффициент Пуассона, равный 0,5. В процессе нагружения и деформирования элементов конструкции из таких материалов происходит изменение их формы, объем конструкции при этом остается неизменным. Свойство несжимаемости является следствием физических соотношений линейно упругого материала, в которых коэффициент Пуассона принимается равным 0,5, а физический модуль, характеризующий сопротивление материала изменению объема, стремится к бесконечности, вследствие чего физические соотношения закона Гука превращаются в так называемые «неогуковские» соотношения, в которых нормальные напряжения содержат общую силовую функцию , имеющую размерность напряжений. Она заменяет в физических соотношениях неопределенность при и , где — объемный модуль, а — деформация изменения объема. Безусловное выполнение условия неизменяемости объема, связывающего линейные деформации, существенно меняет некоторые классические модели механики твердого тела, основанные на тех или иных гипотезах. Изгиб тонких пластинок при малых деформациях описывается определяющими соотношениями, базирующихся на гипотезах Кирхгофа об отсутствии сдвиговых деформаций в плоскости и поперечной линейной деформации применительно к круглой осесимметричной пластинке. Выполнение условия несжимаемости приводит к необходимости отказа от указанных гипотез, в особенности, от гипотезы об отсутствии деформаций сдвига. Для пластинок с одним граничным жёстко защемлённым контуром или с двумя также жёстко защемлёнными контурами поперечная линейная деформация отсутствует, что является следствием свойства неизменяемости объёма пластинки в процессе её деформирования. В некоторых задачах с целью получения простых и легко решаемых уравнений для круглой осесимметричной пластинки радиальное перемещение можно задать в виде линейной функции по поперечной координате. И при этом, необязательно переходить к интегральным характеристикам напряжённого состояния, каковыми являются изгибающий момент и перерезывающая сила. В классической теории изгиба пластин такой переход позволяет избавиться от поперечной координаты, однако для некоторых задач изгиба пластин из материала с неизменяемым объёмом указанный переход приводит к серьёзным погрешностям.

Страницы: 110-121 Elibrary

Рыбаков Л.С.

ЛИНЕЙНЫЙ УПРУГИЙ АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ТОНКОСТЕННОЙ СТЕРЖНЕВОЙ СИСТЕМЫ ОРТОГОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

Представлен линейный упругий анализ регулярной пространственной тонкостенной стержневой системы ортогональной структуры. Система образована из трех взаимно ортогональных семейств прямых однородных стержней и расположенных между ними тонких прямоугольных пластинок постоянной толщины. По предположению стержни работают только на растяжение-сжатие, а в пластинках реализуемо состояние однородного чистого сдвига. Для упругого анализа таких систем предложена строгая дискретная линейная теория упругости, построенная с помощью метода склейки. В соответствии с его процедурой тонкостенная стержневая система расчленялась на элементы (стержни, пластинки и узлы — пересечения упругих линий стержней). К ним прикладывались заданные внешние и искомые внутренние силы и проводился линейный анализ механического поведения изолированных элементов с учетом геометрических условий их сопряжения. Теория сформулирована в терминах узловых смещений, обобщенных деформаций (полных удлинений стержней, сдвигов пластинок и их стержневых обрамлений) и обобщенных внутренних сил (начальных усилий стержней и потоков касательных сил пластинок). Все эти переменные являются функциями целочисленных параметров, использованных для нумерации элементов системы. Полную замкнутую систему определяющих соотношений теории составили геометрические и физические зависимости, статические соотношения и уравнения совместности обобщенных деформаций. Геометрические зависимости выражают обобщенные деформации через узловые перемещения, а физические зависимости представляют линейную связь между обобщенными внутренними силами и деформациями. Роль статических соотношений, устанавливающих связь между заданными внешними и искомыми внутренними силами, играют уравнения равновесия свободных узлов. С помощью этих зависимостей даны две постановки дискретных краевых задач: одна в узловых смещениях и сдвигах пластинок, другая в обобщенных внутренних силах. Последняя постановка проиллюстрирована на примере произвольно нагруженного однозамкнутого кессона любой конечной длины, для которого построено точное аналитическое решение в полиномах Чебышёва.

Страницы: 122-139 Elibrary