Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В работе [1] проведен сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния и контактных параметров прослойки опорной части мостовых сооружений с углублениями под смазочный материал разной геометрии (кольцевые канавки; сферические лунки). Установлено, что сферические лунки имеют ряд преимуществ по сравнению с кольцевыми канавками. Исследование влияния количества рядов углублений под смазочный материал и расстояния между ним выявлено, как одна из актуальных задач анализа работоспособности конструкций.
Антифрикционный материал полимерной прослойки – модифицированный фторопласт. Поведение материала описывается в рамках деформационной теории пластичности [2]. Смазочный материал, в первом приближении, моделируется, как мало сжимаемое тело, с коэффициентом Пуассона 0,49999. Фрикционные свойства контактных пар материалов: сталь-полимер 0,04; сталь-смазка 0,01[3] – справочные.
При проведении численных экспериментов создана процедура автоматизации процесса моделирования углублений под смазочный материал в виде сферических лунок в рамках итерационной процедуры и обработки результатов исследований.
Рассматривается четверть конструкции, на поверхность приложена нагрузка ~ 55,5 МПа, на поверхности запрещены вертикальные перемещения. На поверхностях реализовано фрикционное сопряжение элементов с заранее неизвестным характером распределения статусов контакта (проскальзывание, прилипание, отлипание). Геометрические характеристики полимерной прослойки: толщина = 4 мм, расстояние между лунками варьировалось от 12 до 28 мм. Сферические лунки: = 2 мм – максимальная глубина; = 4 мм – радиус.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 22-29-01313.
Юрий Олегович Носов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Оптические волокна являются важным элементом гироскопов и датчиков разного назначения [1-2]. Исследования их поведения при широком диапазоне рабочих температур, контакте с металлическими и неметаллическими поверхностями и разного вида нагрузок является актуальным с точки зрения технологических задач прикладной механики.
Представляет интерес влияния характера сопряжения элементов оптического волокна типа Panda с учетом многослойного защитно-упрочняющего полимерного покрытия (ЗУП) на деформационные и оптические характеристики объекта исследования. Рассмотрено моделирование контакта волоконно-оптических волноводов и алюминиевого полупространства (рис. 1). Модель приближена к промежуточному технологическому испытанию.
В работе рассмотрено четыре варианта характера сопряжения элементов волокна. Взаимодействие волокно-полупространство моделируется с учетом контакта. Задача рассматривается как модельная с учетом силы индентирования. Установлены качественные и количественные закономерности изменения параметров деформирования и оптики при диапазоне нагрузок от 0,05 до 0,5 Н.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 20-48-596009.
1. Лесникова Ю.И. Анализ влияния двухслойного защитно-упрочняющего покрытия на деформационные и оптические характеристики волокна типа Panda // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2022. – Т. 24, № 1. – С. 49-61.
2. Лесникова Ю.И., Труфанов А.Н., Сметанников О.Ю. Исследование оптико-механических характеристик волокна в условиях термоцикла // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2018. – Т. 20, № 6(2)(86). – С. 255-260.
Анна Александровна Каменских
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Рис.1. Сферическая опорная часть
Исследование влияния различного рода воздействий на деформационное поведение опорных частей мостовых сооружений в частности и всей конструкции в целом является актуальной задачей. Анализ долговечности, реакции моста на воздействие сейсмических нагрузок [1], модернизация ответственных узлов мостостроительных конструкций [2-3] и другие проблемы активно исследуются учеными и инженерами по всему миру.
Ранее научной группой рассматривались различного рода задачи: влияние толщины и трибологических свойств антифрикционной прослойки [2], расположения слоя скольжения относительно стальных плит [3] на деформационное поведение сферической опорной части при учете только вертикальной нагрузки. Однако данное решение не даёт полной картины поведения антифрикционной прослойки под воздействием нагрузки от мостового пролёта.
Работа направлена на анализ влияния сочетания вертикальной и горизонтальной нагрузок 1000 и 30 кН соответственно. Рассматривается сферическая опорная часть производства ООО «АльфаТех» г. Пермь (рис. 1) в трехмерной постановке.
Для реализации численного эксперимента используется прикладной пакет ANSYS Mechanical APDL. В ходе решения были получены зависимости контактных параметров и деформационных характеристик при совместном действии вертикальной и горизонтальной нагрузок.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 22-29-01313.
Панькова Анастасия Петровна
НИИ механики МГУ
Флаттер лопастей несущего винта вертолета может привести к значительным повреждениям лопастей и крушению вертолета. В вертолетостроении России для прогнозирования флаттера используются два подхода. Во-первых, это метод Флоке, примененный к простой системе с двумя степенями свободы для сечения лопасти, который может предсказать флаттер только на простейших модах: на первых изгибных и первых крутильных модах [1, 2]. Второй подход, применяемый к высшим модам, заключается в осреднении поля течения по циклу вращения и анализе флаттера лопасти в нестационарном потоке [2] и, соответственно, не учитывает периодичность течения.
В настоящей работе разработан метод аэроупругого анализа лопасти [3], применимый к различным модам колебания и учитывающий периодичность течения. Метод включает в себя расчет статического состояния лопасти с учетом центробежных сил и геометрической нелинейности, расчет маховых колебаний и флаттера.
Разработано программное обеспечение для включения аэродинамики в конечно-элементную модель MSC.Nastran для решения как статических, так и динамических задач аэроупругости. Проведен аэроупругий анализ для различных режимов полета. Определены параметры возникновения или отсутствия флаттера, а также способы отстройки от флаттера.
1.Миль М.Л., Некрасов А.В., Браверман А.С. Вертолеты, расчет и проектирование. Том 1. Аэродинамика. Издательство Машиностроение, Москва, 1966.
2.Pavlenko N.S. Anisotropic rotor stability// 19th European rotorcraft forum. Cernobbio (Como) – Villa Erba, 1993.
3. Abdukhakimov F., Bondarev V., Dadunashvili S., Konovalov A., Vedeneev V. Advanced coupled aeroelastic analysis of helicopter rotor system// 45th European Rotorcraft Forum 2019 (ERF) Warsaw, Poland, 2019.
Фаррух Адхамович Абдухакимов
Институт проблем сверхпластичности металлов Российской Академии Наук
Сплавы Гейслера в области мартенситного превращения обладают сочетанием таких уникальных функциональных эффектов как ферромагнитный эффект памяти формы, магнитокалорический эффект, гигантское магнитосопротивление и др. Существенным недостатком сплавов в монокристаллическом и поликристаллическом состоянии являются пониженные эксплуатационные свойства. При многократных циклах мартенситного превращения, образцы сплавов разрушаются вследствие накопления дефектов, формирующихся упругими напряжениями при фазовом превращении. Одним из способов повышения эксплуатационных свойств материала является деформационно-термическая обработка (ДТО). При этом необходимо учитывать тот факт, что обработка может снизить величины функциональных эффектов из-за изменения зеренной микроструктуры и уменьшения среднего размера зерна.
В данной работе представлены результаты исследования магнитокалорического эффекта в поликристаллическом сплаве Ni2.25Mn0.75Ga0.93Si0.07 в исходном литом состоянии и после ДТО методом всесторонней изотермической ковки (ВИК). Преимущество этого метода деформационной обработки заключается в более высокой плотности дислокаций, высоком уровне внутренних напряжений и необходимой микроструктуре в получаемом объемном слитке материала.
Как видно из рисунка пиковая величина МКЭ составляет 0,59°С в магнитном поле 1,8 Тл при температуре 79,5°С. Чувствительность при этом составляет 0,33°С/Тл. В результате ковки эта величина снижается до 0,55°С при 63,9°С (0,31°С/Тл) и 0,50°С при 67,9°С (0,28°С/Тл) для плоскостей YOX и YOZ соответственно. При этом наблюдается смещение пиковых значений МКЭ в область низких температур, что обусловлено смещением мартенситного превращения в результате ДТО. В целом величина МКЭ как в исходном, так и кованном состоянии являются не столь значительными для данных сплавов. Из литературных данных известно, что средняя величина эффекта составляет около 1°С/Тл [1]. Однако положительным моментом является то, что в результате ВИК не наблюдается значительной деградации функционального эффекта.
1. 1. V.V. Khovaylo. Inconvenient magnetocaloric effect in ferromagnetic shape memory alloys. // J. Alloys Comp. 2013. V. 577, № 1. P. 362-366.
Руслан Юнусович Гайфуллин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В настоящее время одним из фундаментальных процессов при термомеханической обработке металлов и сплавов является рекристаллизация. Рекристаллизация приводит к изменению внутренней структуры материалов, что впоследствии влияет на их прочностные свойства [1]. В данной работе рассматривается динамическая рекристаллизация, которая протекает в поликристаллах при повышенных и высоких температурах неупругого деформирования и существенно зависит от термомеханических воздействий [1].
Для описания циклов рекристаллизации применяется подход, предложенный M.J. Luton и C.M. Sellars [2], в котором объемная доля рекристаллизованного материала определяется с помощью соотношения Johnson–Mehl–Avrami–Kolmogorov. Управляющими параметрами модели являются: критическая деформация eps_c, при достижении которой начинается рекристаллизации, и деформация eps_x, при достижении которой будет рекристаллизовано 98% материала. Для описания неупругого отклика материала в данной работе применяется двухуровневая статистическая модель [3]. Генерируется выборка зерен с различной кристаллографической ориентацией, на уровне отдельного зерна рассматривается движение краевых дислокаций по системам скольжения, как основной механизм релаксации упругих напряжений. На макроуровне в результате операции осреднения определяется отклик всего поликристалла. В данной работе предлагается связь двухуровневой статистической модели [3] и модели M.J. Luton и C.M. Sellars [2].
Разработанная математическая модель идентифицируется на основе диаграмм нагружения, полученных в серии экспериментов на одноосное сжатие поликристалла меди при скорости деформирования 2*10^-3 c^-1 в диапазоне температур 725-1075 K [4] (Рис. 1). С помощью идентификации модели были определены: начальные критические напряжения , параметры упрочнения h0, tau_sat, a и критическая деформация eps_c. В результате была разработана математическая модель, позволяющая удовлетворительно описать процесс неупругого деформирования с учетом динамической рекристаллизации при различных температурах.
superuser
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Идеальная гладкость поверхностей тел, предполагаемая во многих контактных задачах, явление редкое. В действительности же поверхности тел обладают некоторым микрорельефом, который носит либо статистический, либо регулярный характер. Для исследования контакта поверхностей с нерегулярным рельефом широко распространена статистическая модель Гринвуда-Вильямсона [1], которая описывает все неровности сферами одинакового радиуса, расположенных на различной высоте. В этом случае высотное распределение неровностей учитывается за счет выбора определенной функции распределения. В случае контакта поверхностей с регулярным рельефом, для решения контактных задач разработан метод локализации [2], который позволяет исследовать периодический контакт с упругим полупространством разноуровневой системы осесимметричных штампов. В данной работе метод локализации расширен на случай вязкоупругого полупространства.
Для исследования была выбрана двухуровневая система штампов с заданной разницей высот h. На каждом уровне штампы расположены в узлах квадратичной решетки с шагом l (рис.1). К системе приложено постоянное номинальное давление, под действием которого система внедряется на некоторую глубину в вязкоупругое полупространство. Вследствие ползучести материала полупространства глубина внедрения со временем увеличивается, и даже если в начальный момент штампы второго уровня не контактировали с полупространством, они могут вступить в контакт спустя некоторое время. С использованием полученного ранее решения для одноуровневой системы штампов [3], для рассматриваемой задачи определен момент вступления в контакт с полупространством штампов второго уровня в зависимости от механических свойств вязкоупругого полупространства, формы штампов и их пространственного расположения в системе. И для одноуровневого, и для двухуровневого контакта исследовано изменение со временем размеров пятен контакта с полупространством штампов каждого уровня и фактической площади контакта, а также влияние на эти зависимости геометрии периодической системы.
Все полученные результаты также сравнивались с упрощенной моделью, не учитывающей взаимное влияние пятен контакта. Показано, что пренебрежение взаимным влиянием, как это делается обычно в статистических моделях, может приводить к существенным ошибкам в определении фактической области контакта шероховатых тел.
1.Greenwood J.A., Williamson J.B.P. Contact of nominally flat surfaces // Proc. Math. Phys. Eng. Sci. 1966. V. 295. № 1442. P. 300-319.
2.Горячева И.Г. Периодическая контактная задача для упругого полупространства // ПММ. 1998. Т. 62. № 6. С. 1036-1044.
3.Yakovenko A., Goryacheva I. The Periodic Contact Problem for Spherical Indenters and Viscoelastic Half-Space // Tribology International. 2021. V.161. 107078.
Анастасия Александровна Яковенко
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН
Рис. 1. (а) Кривые напряжение–деформация при одноосном растяжении вдоль направления x для скомканного графена двух морфологий. (б) Структуры в критических точках
В последнее время значительное внимание исследователи уделяются скомканному графену —новому типу углеродного волокна, состоящему из множества монослоев смятых листов графена, поскольку подобные соединения обладают высокой прочностью и малым весом. В данной работе методом молекулярной динамики исследован скомканный графен двух морфологии, проведен анализ влияния структурных особенностей на механические свойства, такие как предел прочности и модуль Юнга.
В качестве исходной структуры выбран скомканный графен двух различных морфологий. Структура А – чешуйки одной и той же формы, одинакового размера (монодисперсная), структура Б – графеновые чешуйки разных размеров и форм (полидисперсная). Для получения структуры близкой к реальной форме чешуек этот образец выдерживается при комнатной температуре в течение 100 пс. Далее применяется гидростатическое сжатие (εxx = εyy = εzz = ε) при 300 К. Для исследования механических свойств рассматриваемых структур проводится одноосное растяжение вдоль осей х, y и z с постоянной скоростью деформации 0,005 пс-1. Все расчеты проводятся с использованием пакета LAMMPS и межатомного потенциала AIREBO [1].
На рис. 1 для сравнения представлены кривые напряжение-деформация для одноосного растяжения вдоль оси x для двух структур. Это направление растяжения было выбрано в качестве показательного, поскольку все полученные кривые напряжение-деформация (вдоль осей х, у, z) аналогичны, то есть материал изотропный.
Видно, что существует значительная разница в деформационном поведении этих двух структур. Монодисперсная структура А имеет почти в два раза большую критическую деформацию и предел прочности, что можно объяснить тем, что все чешуйки в процессе сжатия объединились в более однородную структуру, а равенство чешуек (по размерам) позволило получить гораздо больше sp3-связей на краях чешуек.
Установлено, что при неупругой деформации монодисперсный смятый графен обладает более высокой прочностью и может растягиваться до больших удлинений. Для двух структур были получены достаточно высокие пределы прочности [2].
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (грант № 20-72-10112).
1. Stuart, S.J.; Tutein, A.B.; Harrison, J.A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions // J. Chem. Phys. 2000. V. 112. P. 6472–6486
2. Baimova, J.A.; Polyakova, P V.; Shcherbinin, S.A. Effect of the Structure Morphology on the Mechanical Properties of Crumpled Graphene Fiber // Fibers. 2021. V. 9. P. 85.
Полина Викторовна Полякова
Пермский Государственный Национальный Исследовательский Университет
Важным вопросом в области механики является изучение усталости металлов. Усталость — это процесс разрушения, происходящий в металлах, которые подвержены переменному напряжению, и представляющий собой накопление повреждений. Этот процесс представляет собой следствие зарождения трещин.
Для изучения усталостной долговечности и механизмов инициирования трещины в режиме гигацикловой усталости изготавливались образцы цилиндрической формы с переменным сечением, с минимальным сечением в центре.
На поверхности излома образца наблюдается классический вид внутреннего разрушения «Fish-eye». В центре находится темное пятно – очаг зарождения усталостной трещины, который называют «Optical dark area» или «Fine granular area». Поверхность в этой области имеет очень шероховатую структуру из-за длительного накопления повреждений, которые впоследствии формируют трещину. Светлая зона вокруг очага – область медленного роста трещины.
Для исследования масштабно-инвариантных закономерностей из двумерного профиля поверхности разрушения с помощью интерферометра-профилометра New View 5010 вырезались одномерные профили. Далее профили анализировались в терминах показателя Херста.
Анализ значений показателя Херста позволяет сделать вывод о том, что механизмы формирования морфологии поверхности разрушения в областях очага трещины и её распространения различны. Внутри очага морфология показывает признаки хаотичного формирования структур, что говорит о наличии множества путей для развития профилей.
Также по полученным данным сделан следующий вывод: уменьшение показателя Херста с ростом увеличения изображения вызвано тем, что с повышением разрешения картинки обнаруживаются такие элементы рельефа, которые были образованы другими механизмами на данном масштабном уровне.
Александра Денисовна Юрина
Нижегородский государственный университет им Н.И. Лобачевского
В работе выполнено исследование связи твердости и трещиностойкости с изгибной прочностью керамик на основе оксида алюминия в условиях сложного напряженного состояния керамик. Керамики были получены методом электроимпульсного плазменного спекания при двух скоростях нагрева из порошка оксида алюминия (α-Al2O3) производитель Taimei Chemicals Сo., Ltd (α-Al2O3 (rhombohedral) – 100 %) со средним размером частиц 200 нм. Прочность на изгиб в условиях сложного напряженного состояния круглых образцов керамик диаметром 12 мм и толщиной 1,1 мм исследовалась по методике В3В [1].
Зависимость изгибной прочности от трещиностойкости и твердости приведена на рисунке 1 для керамик полученных при двух скоростях разогрева (50 и 250 С/мин).
Анализ рисунка 1 а показывает, что чем выше твердость керамики на основе оксида алюминия, тем выше изгибная прочность керамик. Действительно, твердость керамик – это способность материала сопротивляться внедрению алмазного индентора (в работе индентор Виккерса). При внедрении индентора в образец верхние слои материала вынуждены смещаться относительно более глубоких слоев материала. В методе В3В – измерения изгибной прочности керамик в условиях сложного напряденного состояния, поверхностный слой материала (против нагружающего шарика) вынужден растягиваться больше, чем более глубокие слои. В таком случае изгибная прочность материала будет коррелировать с твердостью материла.
Зависимость изгибной прочности от трещиностойкости приведена на рисунке 1 б, откуда видно, что чем ниже трещиностойкость, тем выше прочность на изгиб. С точки зрения механики чем выше способность материала сопротивляться распространению трещины, тем при больших нагрузках должен разрушить материал. Полученный результат для керамик показывает обратный тренд. Чем меньше трещиностойкость материала, тем выше прочность на изгиб. На наш взгляд это связано с критическим дефектом в объеме керамик, который раскрывается при В3В тесте. Косвенно можно судить, что для керамик с меньшим значением трещиностойкости размер критического дефекта существенно ниже.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. (грант №20-73-10113)
1.Popov А А New method of the estimation of the bending strength of ultrafine-grained structural ceramics for application in the conditions of multiaxial stress-strain state / Popov А А, Berendeev N N, Boldin М S, Nokhrin А V and Chuvil’deev V N // Journal of Physics 1431. 2020. P. 10
Александр Андреевич Попов
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН
Сплавы системы Fe-Ni нашли широкое применение в современной технике и приборостроении. Одним из наиболее распространенных железо-никелевых соединений является инварный сплав 36Н (ГОСТ 10994-74) [1], обладающий аномально низким значением теплового коэффициента линейного расширения (ТКЛР) α ≈ 1,6⋅10-6 °С-1 в интервале температур от 20 до 100 ºС [2]. Однако при своих уникальных свойствах Fe-Ni сплавы имеют значительный недостаток, ограничивающий их применение, - они обладают низкой прочностью и твердостью. К примеру предел прочности на растяжение у сплава 36Н меньше 500 МПа. Эффективным методом повышения прочностных свойств сплавов является деформационное наноструктурирование (НС) кручением под высоким давлением (КВД). К тому же в работах [3, 4] показано, что у наноструктурного сплава 36Н величина ТКЛР почти в 2 раза ниже, чем в крупнокристаллическом инваре.
Методом КВД были получены наноструктурные образцы сплава 36Н со средним размером фрагментов около 100 нм. Для получения различных структурных состояний образцы после деформации подвергались отжигу в вакууме при температурах от 100 до 500 ºС в течении 60 минут. Полученные образцы сплава в разном структурном состоянии подвергались дальнейшему исследованию на микроструктуру, микротвердость и прочность.
В работе показано, что формирование НС в сплаве 36Н методом КВД приводит к тому, что микротвердость и предел прочности сплава 36Н возрастает в 3 и 3,5 раза соответственно по сравнению с крупнокристалическим состоянием. Последующие отжиги в интервале температур от 280 до 500 ºС привели к росту среднего размера зерна, что оказывает влияние и на прочностные свойства сплава.
Работа выполнена в рамках государственного задания молодежной лаборатории ИПСМ РАН.
1. ГОСТ 10994-74. Сплавы прецизионные. Марки;
2. A. Sahoo, V. R. R. Medicherla. Fe-Ni Invar alloys: A review // Materials Today: Proceedings. 2021 Т. 43 № 2. С. 2242-2244;
3.K A Krylova, I Kh Bitkulov and R R Mulyukov Effect of nanostructuring on the thermal expansion and saturation magnetization of Fe - 36% Ni and Fe - 50% Ni alloys // IOP Publishing 2020 г. Т. 1008 С. 012022;
4. N. R. Yusupova, K. A. Krylova, R. R. Mulyukov Thermal analysis and microhardness of nanostructured alloy Invar 36 // Letters on Materials 2021 11 № 4, С. 382-385.
Нелли Рафисовна Юсупова
Санкт-Петербургский Государственный Университет
Ранее было обнаружено, что сплавы нестехиометрического состава на основе TiNi при выдержке под постоянной нагрузкой испытывают изотермическое мартенситное превращение, которое сопровождается изменением обратимой деформации. К настоящему моменту, разработанные модели, описывающие функциональное поведение сплавов с памятью формы, не позволяют описать такое аномальное изменение деформации при изотермической выдержке, поскольку в теории исключается возможность образования мартенсита при постоянных температуре и напряжении. Однако в работе [1] была выполнена модификация микроструктурной модели Лихачева-Волкова для описания изменения обратимой деформации при выдержке сплава TiHfNiCu под постоянной нагрузкой. В работе было получено качественное совпадение расчетных и экспериментальных данных, однако количественное соответствие удалось получить не для всех режимов изотермической выдержки. Более того, существующий алгоритм подбора констант микроструктурной модели требует большого количества дополнительных экспериментов и расчетов. Ранее нами был предложен новый метод подбора констант [2] на основе решения оптимизационной задачи методом Нелдера-Мида, который существенно упрощает процедуру подбора констант. В то же время полного теоретического описания изменения изотермической деформации при выдержке сплава Ti49Ni51 под различными нагрузками не было проведено. В связи с этим, целью данной работы стало моделирование изменения обратимой деформации при реализации изотермического мартенситного превращения в сплаве Ti49Ni51 под различными нагрузками.
В настоящей работе подбор констант модели проводили путем минимизации целевой функции, которая количественно описывает разницу между экспериментальными и расчетными данными. Чем ближе целевая функция к нулю, тем ближе по значению расчетные данные к экспериментальным. Оптимизационную задачу решали с помощью известного алгоритма Нелдера-Мида [3]. Подбор констант проводили по набору экспериментальных данных, полученных при выдержке под напряжением 200 МПа. Полученный набор параметров модели использовали для описания экспериментальных результатов, полученных при выдержке под напряжениями 100 и 300 МПа. Обнаружено, что модель качественно и количественно описывает экспериментальные данные. Показано, что модель позволяет предсказать температуру и величину напряжения, при которых наблюдается максимальная изотермическая деформация.
Алексей Максимович Иванов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет»
Материалы с эффектом памяти формы широко используются в разных отраслях промышленности, благодаря своим уникальным свойствам восстанавливать форму при нагревании или разгрузке. Однако, из-за сложности обработки резанием, создание деталей сложной формы является крайне затруднительным. В связи с этим, все большее внимание привлекают аддитивные технологии. Среди многочисленных методов можно выделить технологию WAAM (wire-arc additive manufacturing) – метод послойного наплавления сплава. Ранее было показано, что структура образцов сплава TiNi, полученных методом WAAM, неоднородна по химическому составу, что оказывает влияние на мартенситные превращения, которые в каждом слое реализуются при различных температурах. Вместе с тем, параметры мартенситных превращений определяют функциональные и механические свойства таких образцов. Целью настоящей работы явилось исследование механических и функциональных свойств пятислойного образца сплава TiNi, полученного методом послойной наплавки, и моделирование его функционального поведения с использованием программного пакета ANSYS.
В эксперименте использовали пятислойные образцы из сплава TiNi синтезированные на титановую подложку методом электродуговой послойной наплавки, в котором в качестве расходуемого электрода выступала проволока сплава Ti49.1Ni50.9 диаметром 1,2 мм. Из полученного образца вырезали пластины толщиной 0,5 мм из которых изготавливали образцы, ширина и длина рабочей части которых составляла 1 и 10 мм, как показано на рис. 1. Образцы подвергали термообработке при температуре 450˚С в течении 10 часов. В образцах исследовали псевдоупругое поведение и восстановление деформации при нагревании после предварительной деформации в мартенситной фазе.
Полученные результаты показали, что образцы из сплава TiNi синтезированные методом послойной электродуговой наплавки демонстрируют такие функциональные свойства как память формы, обратимая память формы, псевдоупругость.. В образцах, в рабочую часть которых входили слои с избытком Ti и Ni восстановление деформации происходит в несколько хорошо различимых стадий. Если в рабочую часть входил слой с избытком Ti эффект псевдоупругости был подавлен, а если были слои только с избытком Ni, то наблюдалась совершенная псевдоупругость. Максимальная восстанавливаемая деформация была в 2-2,5 раза меньше, чем в образцах сплава TiNi полученных традиционным способом, что связано с сильной кристаллографической текстурой. Данные экспериментов использовали для моделирования одноосного растяжения слоистых образцов методом конечных элементов в программной системе ANSYS Mechanical. Расчетные данные качественно совпадают с экспериментальными.
Рашид Менналиевич Бикбаев
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Альмира Рифовна Мещерякова
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, Уфа
На сегодняшний день активно ведутся исследования взаимодействия графена с наночастицами различных металлов, таких как медь, алюминий, никель, титан и т.д. Структуры графен-металл особенно интересны тем, что могут отображать не только отдельные свойства графена, но приобрести качественно новые. В данной работе методом молекулярной динамики исследуется деформационное поведение композитов на основе графена и наночастиц металла: Ni и Cu.
Для того, чтобы получить композит, структуры графен-металл подвергаются выдержке при комнатной температуре с последующим гидростатическим сжатием при 1000 К [1]. На рис. 1 показаны структуры графен-металл с разными наночастицами металлов в процессе гидростатического сжатия. Как видно, наночастицы Ni и Cu по-разному взаимодействуют с графеном. Так как энергия связи центра d-зоны ниже уровня Ферми для Ni(111) составляет -1,29 эВ, а для Cu(111) это значение в два раза меньше и она равна -2,67 эВ. Вследствие этого, графен и Ni сильно взаимодействуют между собой: происходит покрытие наночастиц никеля листом графена. Для наночастиц меди с гораздо меньшей энергией связи наблюдается обратная ситуация: графен и наночастицы Cu колеблются под влиянием температуры, но не взаимодействуют. Однако, при сжатии оба композита образуют однородные структуры. Для оценки прочности, полученные структуры подвергают одноосному растяжению.
Рис. 1. Структура композита (а) графен-Ni и (б) графен-Cu в процессе гидростатического сжатия.
Результаты моделирования показывают, что композит на основе графена и наночастиц Cu демонстрирует лучшие механические свойства, чем композит с наночастицами Ni. Наибольшее значение модуля Юнга получено для композита графен-Cu (E = 284 ГПа), так как в этой структуре за счет плавления наночастиц Cu в процессе гидростатического сжатия при температуре 1000 К, формирование новых химических связей между отдельными элементами композита происходит легче. Температура плавления наночастиц Ni несколько выше, поэтому количество новых ковалентных связей меньше, следовательно, модуль Юнга (E = 235 ГПа) и прочность композита будут ниже. Однако важно отметить, что оба композита выдерживают большие степени деформации при одноосном растяжении. Полученные результаты способствуют лучшему пониманию процессов получения, деформационного поведения и механических свойств композитов на основе графена и наночастиц металла.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (грант № 20 72 10112).
1.Safina L.R., et all. Ni–Graphene composite obtained by pressure-temperature treatment: atomistic simulations. // Phys. Status Solidi RRL. 2021. P. 2100429.
Лилия Ришатовна Сафина
