Исследование влияния конфигурации упрочняющих элементов на прочностные свойства моделей композиционных материалов системы титан-алюминий

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

УДК 669.018.2

Д. Б. Крюков, А. В. Прыщак, М. С. Гуськов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНФИГУРАЦИИ УПРОЧНЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МОДЕЛЕЙ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ ТИТАН-АЛЮМИНИЙ

Аннотация.

Актуальность и цели. Описывается проблема получения композиционных материалов, обладающих повышенным комплексом физико-механических свойств. Также раскрывается актуальность модернизации существующих схем упрочнения материалов системы титан-алюминий.

Материалы и методы. Для изучения влияния геометрических параметров упрочняющих элементов на свойства композиционного материала было принято решение о разработке математической модели материала. Создание модели и задание граничных условий производилось в программе SolidWorks, а моделирование проводилось с использованием интегрированного пакета прикладных программ CosmosWorks. Исследуемые образцы слоистого композиционного материала подвергали моделированию процесса одноосного разрушения.

Результаты. Полученные результаты и эпюры напряженно-деформированного состояния подтвердили предположения, выдвинутые в начале исследования. Наиболее важные из которых: использование перфорированных пластин в качестве упрочняющего слоя является предпочтительнее, чем использование пластин без перфораций; величина прочности слоистого композиционного материал с перфорированным армирующим слоем с коническими отверстиями составила 591 МПа, что на 19 % выше, чем у технически чистого титана аналогичной толщины.

Выводы. На основании результатов можно сделать вывод о необходимости проведения дальнейших исследований, связанных с проверкой полученных результатов компьютерного моделирования на натурных образцах.

Ключевые слова: интерметаллид титана Ti3Al, слоистый композиционный материал, армирование, упрочняющий перфорированный слой.

D. B. Kryukov, A. V. Pryshchak, M. S. Gus'kov

RESEARCH OF HARDENERS’ CONFIGURATION INFLUENCE ON STRENGTH PROPERTIES OF TITANIUM-ALUMINUM COMPOSITE MATERIALS’ MODELS

Abstract.

Background. The article describes the problem of obtaining the composite materials, featuring the increased complex of physical-mechanical properties. The work also reveals the relevance of modernization of the existing schemes of titanium-aluminum materials hardening.

Materials and methods. In order to study the influence of geometrical parameters of hardeners on composite material’s properties, the authors made a decision to develop a mathematical model of the material. The model was created and the boundary conditions were set in the SolidWorks program. Simulation was conducted in the

112

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

CosmosWorks integrated application package. The samples of the layered composite material under investigation were subject to uniaxial modeling of destruction.

Results. The received results and diagrams of the stress-strain state confirmed the assumptions made at the beginning of research. The most important of which are the following: usage of perforated plates as a reinforcing layer is preferable compared to plates without perforation; the ultimate strength of the layered composite material with a reinforcing layer, perforated with conical holes, was 591 MPa, which is 19% higher than in technically pure titanium of similar thickness.

Conclusions. On the basis of the results it is possible to draw a conclusion on the need of carrying out further researches relating to verification of the received results of computer modeling on natural samples.

Key words: titanium intermetallic Ti3Al, layered composite material, reinforcing, perforated reinforcing layer.

Введение

Развитие современного машиностроения тесным образом связано с новыми достижениями и разработками в области материаловедения, а именно в отрасли создания новых конструкционных материалов. Зачастую комплекс требований, предъявляемый к современным конструкционным материалам, не может быть реализован на базе существующих сегодня металлов и сплавов. В связи с чем уже на протяжении нескольких десятилетий происходит постепенный переход и замена монометаллов композиционными материалами, в которых в качестве упрочняющих элементов используются направленные кристаллы, нити (волокна), слои материалов, обладающие повышенным комплексом физико-механических свойств. Однако данные упрочняющие композиционный материал элементы, наряду с высокими прочностными свойствами, имеют низкие показатели пластичности и в чистом виде имеют повышенную хрупкость. Примером этого может послужить интерметаллид титана Ti3Al, который широко используется в качестве упрочняющего материала в изделиях судостроения, авиастроения и общего машиностроения [1]. В настоящее время продолжается разработка новых схем армирования и поиск материалов, обладающих повышенным комплексом механических свойств и лишенных недостатков, присущих уже известным композиционным материалам. В этой связи актуальной задачей является задача модернизации существующих схем получения композиционных материалов на основе

TisAl.

1. Методы и материалы исследования

Для изучения влияния геометрических параметров армирующих элементов на конечные свойства композиционного материала в целом было принято решение о создании адекватной математической модели нового композиционного материала, учитывающей физико-механические свойства отдельных элементов.

Таким образом, была использована комплексная методика разработки модели композиционного армированного материала и компьютерного моделирования, включающая создание моделей с различной геометрией упрочняющего слоя на основе алюминида титана в программе SolidWorks, задание граничных условий нагружения, компьютерное моделирование процесса

Engineering sciences. Machine science and building

113

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

одноосного разрушения для всех исследуемых образцов в приложении CosmosWorks. Кроме того, был проведен комплексный анализ полученных результатов компьютерного моделирования процесса одноосного разрушения для всех типов образцов. Было установлено, что программа SolidWorks позволяет полностью моделировать не только геометрию образца и задать марку материала, но воспроизвести в модели приложение нагрузки к рабочим поверхностям композита, а также учесть глобальный и локальный контакт между поверхностями листовых материалов внутри композиционного материала, что является весьма важным критерием с точки зрения динамики деформационных процессов разрушения. Процесс моделирования одноосного растяжения также производился с использованием интегрированного пакета прикладных программ CosmosWorks. Данный продукт обладает обширной библиотекой конечных элементов, которая включает плоские, пространственные элементы, балки, пластины, многослойные анизотропные элементы и т.д., а также позволяет решать задачи с упругими, вязко-упругими, упругопластичными, анизотропными и другими моделями материалов [2].

Для создания моделей заготовок были выбраны следующие материалы: технически чистый титан марки Вт 1-0, алюминий марки Ад1, интерметаллический упрочняющий слой - алюминид титана ТізАІ. Исследуемые заготовки не отличались геометрическими размерами и маркой материалов и представляли собой слоистый композиционный материал (СКМ) без перфораций в упрочняющем слое рис. 1.

Рис. 1. Составляющие элементы слоистого композиционного материала: 1, 3 - внешние титановые пластины; 2 - упрочняющий интерметаллический слой без перфораций

Геометрические параметры для всех пластин, изготовленных из титана, составили 1,3^20x140 мм, для слоя из алюминида титана - 0,4x20x140 мм. У образцов первой партии крайние пластины были изготовлены из технически чистого титана, а промежуточный слой - из алюминида титана. Основное отличие образцов второй партии заключалось в наличии цилиндрических перфорации в промежуточном слое. Размеры перфораций составили 010 мм, межосевое расстояние 20 мм. Модель заготовки с выполненными в ней цилиндрическими перфорациями представлена на рис. 2.

114

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Рис. 2. Составляющие элементы слоистого композиционного материала: 1, 3 - внешние титановые пластины; 2 - упрочняющий интерметаллический слой с цилиндрическими перфорациями

У образцов третьей партии перфорации в упрочняющем слое выполнялись конической формы, противоположно направленными и расположенными в шахматном порядке. Размеры перфораций составили: 010 мм - меньшее основание, 015 мм - большее основание, межосевое расстояние - 20 мм. Модель заготовки с выполненными в ней коническими перфорациями представлена на рис. 3.

Рис. 3. Составляющие элементы слоистого композиционного материала: 1, 3 - внешние титановые пластины; 2 - упрочняющий интерметаллический слой с коническими перфорациями

С учетом того, что геометрические параметры и конфигурация промежуточного армирующего слоя также оказывает влияние на изменение прочностных свойств композиционного материала, авторами был проведен анализ на предмет перераспределения внутренних напряжений в композиционном материале с использованием предложенного ими перфорированного промежуточного армирующего слоя.

Основными целями компьютерного моделирования было получение прочностных характеристик всех исследуемых композиционных материалов,

Engineering sciences. Machine science and building

115

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

получение эпюр напряженно-деформированного состояния в композитах, а также выявление наиболее вероятностных мест разрушения. Величина минимальной нагрузки при одноосном растяжении выбиралась исходя из справочных данных и увеличивалась до того момента, пока нагрузка не достигнет значений, равных пределу прочности материала. В экспериментах с многослойным композиционным армированным материалом ориентиром служило значение прочности наиболее прочного материала [3]. Как только образец достигает данной величины, эксперимент останавливается, а значение фиксируется. Дополнительным критерием разрушения служил коэффициент запаса прочности.

2. Результаты экспериментов и их обсуждение

В результате моделирования были получены данные по пределу и запасу прочности. Данные результаты, а также необходимые результаты для дальнейших расчетов сведены в табл. 1.

Таблица 1

Исходные и полученные данные для расчета прочностных свойств

Материал Плотность, г/см3 Величина нагрузки, Н Предел прочности, МПа Запас прочности Удельная прочность, км

Слоистый композиционный материал Вт 1-0 - ТізАІ - Вт 1-0 4,47 31000 529 0,75 11,8

Слоистый композиционный материал с цилиндрическими перфорациями Вт 1-0 - ТізАІ - Вт 1-0 4,36 33500 560 0,9 12,8

Слоистый композиционный материал с коническими перфорациями Вт 1-0 - ТізАІ - Вт 1-0 4,34 35500 591 0,81 13,6

Данные, полученные в ходе компьютерного моделирования образцов из слоистых композиционных материалов, армированных упрочняющим интерметаллическим слоем, а также эпюр напряженно-деформированного состояния, позволили подтвердить выдвинутые предположения авторов об увеличении прочностных свойств композиционных материалов с интерметаллическим слоем. Результаты моделирования подтверждают теорию, развитую в работе [4] о том, что композиционные материалы с упрочняющим слоем проявляют свои повышенные прочностные свойства лишь в диапазоне от 5 до 80 % объема наполнителя. В первую очередь это связано с тем, что образование сплошного хрупкого слоя интерметаллических соединения типа Ti„Alm является средой для распространения трещин. И при незначительной нагрузке исследуемый образец будет разрушен именно по данной хрупкой прослойке.

116

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Однако за счет использования в качестве армирующего элемента перфорированного слоя предотвращается развитие сплошных трещин, так как на границах раздела фаз алюминий-титан происходит химическое взаимодействие алюминия и титана, в результате чего образуется интерметаллид ТізАІ, который в виде дисперсных частиц образует твердый каркас по границам дендритных ячеек. В местах контакта металла-основы и армирующего металла образуются слои, состоящие из твердых высокопрочных интерметаллидов, которые способствуют увеличению модуля упругости композиционного материала [5]. Контакт двух металлов не является сплошным, площадь контакта равна разности общей площади листа и суммарной площади каналов, выполненных в армирующем металле. При этом зона контакта равномерно распределена по площади листов и представляет собой локальные участки. Отмеченные локальные участки твердых интерметаллических слоев способствуют увеличению прочности сварного соединения алюминия и титана [6]. Промежутки между локальными участками интерметаллических слоев заполняются более мягким титаном, который противодействует распространению микротрещин по всему материалу в случае, если они по каким-либо причинам возникают в интерметаллических слое.

Кроме того, форма и распределение перфорирующих элементов также оказывают влияние на конечные физико-механические свойства. В работе [7] приведены основные существующие конфигурации упрочняющих элементов. Приняв исследуемую модель за двоякопериодическую решетку и исключив краевые эффекты, задачу свели к расчету напряженно-деформированного состояния. Данные расчеты бигармонических уравнений показывают, что наиболее рациональным является использование цилиндрических отверстий.

Но при больших толщинах упрочняющего слоя (более 2 мм) возникает проблема равномерного распределения материала матрицы в пустотах армирующей пластины. В связи с этим было принято решение о модернизации формы отверстий из цилиндрической в коническую, которая способствует более полному заполнению отверстий. Учитывая силу реакции опоры, конические отверстия выполняли противоположно-направленными и располагали в шахматном порядке.

Заключение

На основании полученных в ходе моделирования значений и зависимостей можно сделать следующие выводы:

1. Использование перфорированных пластин в качестве упрочняющего слоя в слоистых композиционных материалах является предпочтительнее, чем использование пластин без перфораций.

2. Изменение конфигурации перфораций с цилиндрических на конические повышает объем проникновения металла матрицы в армирующий металл и тем самым увеличивает значение удельной прочности на 5-7 %.

3. В ходе компьютерного моделирования были получены значения прочности всех исследуемых композиционных материалов. Наилучшие прочностные характеристики показал слоистый композиционный материал с перфорированным армирующим слоем с коническими отверстиями. Величина прочности для него составляет 591 МПа, что на 19 % выше, чем у технически чистого титана аналогичной толщины.

Engineering sciences. Machine science and building

117

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

На основании вышеприведенных результатов можно сделать заключение о необходимости проведения дальнейших исследований, связанных с проверкой полученных результатов компьютерного моделирования на натурных образцах.

Список литературы

1. Анциферов, В. Н. Волокнистые композиционные материалы на основе титана / В. Н. Анциферов, Ю. В. Соколкин, А. А. Ташкинов. - М. : Наука, 1990. - 136 с.

2. Алямовский, А. А. CosmosWorks. Основы расчета конструкций в среде SolidWorks / А. А. Алямовский. - М. : ДМК Пресс, 2010. - 784 с.

3. Heat-Resistant Composite Materials by Explosive Welding and Micro-Arc Oxidation /

D. B. Kryukov, A. O. Krivenkov, S. N. Chugunov, E. W. Vorob’ev, M. S. Gus’kov, A. V. Khorin, and M. A. Okin // Explosive Produktion of New Materials: Science, Technology, Business, and Innovations / ed. by A. A. Deribas and Yu. B. Scheck. -Cracow, Poland, 2014. - P. 114-115.

4. Материаловедение : учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г. Г. Мухин, Н. М. Рыжов, В. И. Силаева. - 8-е изд. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 646 с.

5. Моделирование деформационного процесса в задачах армирования и сварки взрывом с применением программы LS-DYNA / A. В. Хорин, А. Е. Розен, И. С. Лось, А. Ю. Муйземнек, Е. А. Журавлев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 1 (13). - С. 123-133.

6. Заявка на изобретение РФ № 2013119389/02. Способ получения композиционного материала / Розен А. Е., Крюков Д. Б., Кирин Е. М., Гуськов М. С., Хорин А. В., Усатый С. Г., Любомирова Н. А. - 26.04.2013.

7. Григолюк, Э. И. Перфорированные пластины и оболочки / Э. И. Григолюк, Л. А. Фильштинский. - М. : Наука, 1970. - 556 с.

References

1. Antsiferov V. N., Sokolkin Yu. V., Tashkinov A. A. Voloknistye kompozitsionnye materialy na osnove titana [Fibrous titanium-based composite materials]. Moscow: Nauka, 1990, 136 p.

2. Alyamovskiy A. A. CosmosWorks. Osnovy rascheta konstruktsiy v srede SolidWorks [CosmosWorks. Fundamentals of design calculation in SolidWorks environment]. Moscow: DMK Press, 2010, 784 p.

3. Kryukov D. B., Krivenkov A. O., Chugunov S. N., Vorob’ev E. W., Gus’kov M. S., Khorin A. V. and Okin M. A. Explosive Produktion of New Materials: Science, Technology, Business, and Innovations. Ed. by A. A. Deribas and Yu. B. Scheck. Cracow, Poland, 2014, pp. 114-115.

4. Arzamasov B. N., Makarova V. I., Mukhin G. G., Ryzhov N. M., Silaeva V. I. Materialovedenie: uchebnik dlya vuzov [Materials science: textbook for universities]. Moscow: MGTU im. N. E. Baumana, 2008, 646 p.

5. Khorin A. V., Rozen A. E., Los' I. S., Muyzemnek A. Yu., Zhuravlev E. A. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2010, no. 1 (13), pp. 123-133.

6. Invention application RF № 2013119389/02. Method of the composite material production. Rozen A. E., Kryukov D. B., Kirin E. M., Gus'kov M. S., Khorin A. V., Usatyy S. G., Lyubomirova N. A., publ. 26 April 2013.

7. Grigolyuk E. I., Fil'shtinskiy L. A. Perforirovannye plastiny i obolochki [Perforated plates and shells]. Moscow: Nauka, 1970, 556 p.

118

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Крюков Дмитрий Борисович

кандидат технических наук, доцент, кафедра сварочного, литейного производства и материаловедения, Пензенский государственный университет

E-mail: demonisimus@yandex.ru

Прыщак Алексей Валерьевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра сварочного, литейного производства и материаловедения, Пензенский государственный университет

E-mail: demonisimus@yandex.ru

Гуськов Максим Сергеевич аспирант, Пензенский государственный университет

E-mail: aspirantSLPiM@yandex.ru

Kryukov Dmitriy Borisovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of welding, foundry production and materials science, Penza State University

PryshchakAleksey Valer'evich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of welding, foundry production and materials science, Penza State University

Gus'kov Maksim Sergeevich Postgraduate student, Penza State University

УДК 669.018.2 Крюков, Д. Б.

Исследование влияния конфигурации упрочняющих элементов на прочностные свойства моделей композиционных материалов системы титан-алюминий / Д. Б. Крюков, А. В. Прыщак, М. С. Гуськов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2014. - № 4 (32). - С. 112-119.

Engineering sciences. Machine science and building

119