Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Характер обработки поверхностей сопряжения может оказывать значительное влияние на параметры контакта и напряженно-деформированного состояния объектов исследования [1]. При этом оценка влияния качества обработки поверхности при сопряжении с защитными покрытиями и прослойками на поведение узлов трения в целом является актуальным направлением исследования [2]. В данной работе рассмотрено влияния характера сопряжения защитного полимерного слоя из модифицированного γ-излучением фторопласта с металлической поверхностью в рамках модельной задачи и в модели реальной конструкции сферической опорной части [3]. Основное внимание было уделено области контакта с индентором, в качестве примера на рисунке показано распределение параметров контакта на поверхности индентор-прослойка при трех вариантов сопряжения (идеальный контакт, полная адгезия, фрикционный контакт) на границе контакта прослойки с целевой металлической поверхностью.
В рамках работы выполнено исследование влияния толщины защитного слоя от 4 ло 12 мм на параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) прослойки и контакта при разном характере ее сопряжения с целевой поверхностью. В целом установлено снижение параметров при увеличении толщины, наблюдается значительное влияние фрикционного контакта на границе полимер-сталь на характер распределения интенсивности напряжений и деформаций. Рассмотрено влияния порядка аппроксимации элементов на численное решение задачи. Выполнен переход к анализу НДС и контакта на модели сферической опорной части Л-100 производства ООО «АльфаТех» г. Пермь.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-29-01313.
1. Макаров В.Ф., Муратов К.Р. Анализ оборудования для финишной абразивной обработки плоских поверхностей // Машиностроение, материаловедение. 2017. Т. 19. № 1. С. 170–187.
2. Wang H., Sun A., Qi X., Dong Y., Fan B. Experimental and Analytical Investigations on Tribological Properties of PTFE // AP Composites. Polymers. 2021. Vol. 13. №24. Art. 4295.
3. Adamov A.A., Kamenskikh A.A., Pankova A.P. Influence analysis of the antifriction layer materials and thickness on the contact interaction of spherical bearings elements. Lubricants.2022.Vol. 10. № 2. Art. 30.
Анна Александровна Каменских
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Качественный подбор модели поведения полимерных и композиционных материалов при реализации работы реальной конструкции является актуальной задачей. Данные материалы применяются в большом разнообразии современной промышленности, в частности в узлах трения. Однако, для упрощения реализации рабочих процессов многими учеными-исследователями рассматривается упругое или упругопластическое поведение [1]. Данное упрощение не дает полного описания картины деформационного поведения конструкции в целом и полимерного слоя скольжения в частности.
В работе, в качестве полимерного материала рассматривается модифицированный фторопласт. В качестве вязкоупругой модели поведения была выбрана модель Prony. Для получения коэффициентов, которые требуются для описания вязкоупругого поведения материала, был воспроизведен натурный эксперимент [2] в численной реализации в инженерном программном комплексе Ansys Mechanical APDL.
Для подбора настроек и параметров модели была реализована тестовая задача о контактном взаимодействии двух стальных элементов через полимерную прослойку (рис. 1).
Рис.1. Тестовая задача: а) модель; б) конечно-элементная сетка
В рамках работы было проведен сравнительный анализ трех моделей поведения: упругой, упругопластической [3], линейной вязкоупругости [4] – при реализации контактного взаимодействия стальных плит с полимерной прослойкой. Влияние описания модели поведения материала антифрикционной полимерной прослойки на деформационное поведение контактных узлов трения было изучено и получены количественные и качественные закономерности.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 22-29-01313.
1.Adamov A.A., Kamenskikh A.A., Strukova V.I. Influence of geometry and configuration of the spherical sliding layer of bridge bearings on the structure working capacity // Computational Continuum Mechanics. – 2021. – Vol. 14, № 3. – P. 289-299.
2.Адамов А.А., Матвеенко В.П., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. // Методы прикладной вязкоупругости. Екатеринбург: УрО РАН. 2003. 411 с.
3.Kamenskih A. A., Trufanov N. A. // Regularities Interaction of Elements Contact Spherical Unit with the Antifrictional Polymeric Interlayer. Friction and Wear. 2015. Т. 36, № 2. Pp. 170-176.
4.Ильюшин А.А. Победря Б.Е. // Основы математической теории термовязко-упругости. Изд-во «Наука». 1970. 281 с.
Анастасия Петровна Панькова
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Рис. Общая схема гидрозакладки горизонтального слоя (а) и изоляционная перемычка (б).
Горнодобывающий сектор страны оказывает негативное влияние на экологическую обстановку как на земной поверхности, так и на водную и воздушную экосистему. Считается, что по окончании работ в выработках влияние на окружающую среду будет стабилизироваться. Но исследования это опровергают: после закрытия шахт длительное время происходят изменения состояния подземных вод, заболачивание территорий, подвижки массивов горных пород, не контролируемая миграция взрывоопасных газов [1, 2]. Проблема безопасности строений над законсервированными шахтами распространена не только в России. Так в Европе насчитывалось 226 добывающих областей, в 46% которых добыча была полностью прекращена [3]. Согласно распоряжениям Правительства Российской Федерации № 2395-1 (ред. от 28.06.2022, с изм. от 14.07.2022) от 21 февраля 1992 г. «О недрах» исследования, направленные на повышение эффективности технологий ликвидаций горных выработок являются актуальными. Для этого необходимо пустые горные выработки заполнять твердеющим впоследствии раствором, т.е. производить гидрозакладку. В 2019 году ООО «Горные вентиляционные устройства» была предложена вентиляционная быстровозводимая шахтная перемычка [4], которая может быть переделана для технологии гидрозакладки на основе ряда проектных изысканий и исследований работы конструкции в рамках компьютерного инжиниринга. На рисунке представлена общая схема закладки горизонтальных слоев шахтного пространства и вид несущего каркаса шахтной изоляционной перемычки.
В рамках работы выполнено создание параметризированной модели шахтной перемычки с учетом изменения геометрии выработки на прямоугольно-сводчатую форму. Рассмотрено деформирование конструкции при послойном заполнении выработанного пространства закладочным материалом при совместном деформировании несущего каркаса и изоляционного материала, а также при реализации контактного взаимодействия между каркасом и изоляционным материалом. Исследовано влияние толщины стенки балок несущего каркаса на работу узла в рамках деформационного и модального анализа. Также исследовано влияние материалов, применяемых для создания конструкции на напряженно-деформированное состояние узла.
1. Дмитриенко В.А., Алимова К.С. Влияние закрытия шахт на безопасность строительных объектов // Сборник VI Международной научно-практической конференции «Инновационное развитие: потенциал науки и современного образования». 2020. С. 24-28.
2. Белодедов А.А., Должиков П.Н., Легостаев С.О. Анализ механизма образования деформаций земной поверхности над горными выработками закрытых шахт // Известия ТулГУ. Науки о земле. 2017. С. 160-168.
3. Wirth P.б Ƈerniƈ Mali B.; Fischer W. Post-Mining Regions in Central Europe – Problems, Potentials, Possibilities. Oekom: München, Germany, 2012. 275 р.
4. Клишин В.И., Николаев А.В., Максимов П.В. Расчёт шахтной вентиляционной перемычки нового типа и отдельных её элементов // Известия Тульского государственного университета // Науки о Земле. 2020. № 3. С. 278-289.
Юрий Олегович Носов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Некариозное поражение зуба вблизи шейки является достаточно распространенным заболеванием зубочелюстной системы в России и мире. Долговечность реставраций клиновидного дефекта с помощью пломбировочных материалов зависит от многих факторов, в том числе и от геометрической конфигурации и глубины дефекта [1]. Существенный вклад в биомеханику и медицину зубочелюстной системы дают исследования, направленные на модификацию геометрической конфигурации реставраций дефекта и новые технологии лечения [2-3]. При этом не теряет актуальность исследования, направленные на влияние геометрии дефекта на работу зуба при сопряжении с зубом антагонистом при стандартных и нестандартных нагрузках, в том числе действующим под углом [4]. В данной работе рассмотрено влияние геометрии клиновидного дефекта при действии нагрузки от зуба-антагониста вертикально и под углом 45 °С при стандартной реставрации (рис.) композиционными пломбировочными материалами. Геометрия дефекта зависит от радиуса скругления и глубины. При этом рассматриваются дефекты, которые не поражают пульпу.
Модель зуба включает корневую систему, которая не показана на рисунке. Нагрузка от зуба антагониста прикладывается в диапазоне от 100 до 1000 Н. В зоне контакта пломбы с зубом реализована полная адгезия (полное прилипание поверхностей сопряжения при любых нагрузках и трении). В рамках исследования получены зависимости параметров напряженно-деформированного состояния и контакта от уровня нагрузки для двух вариантов композиционных материалов пломбы. Выполнен анализ влияния угла приложения нагрузки от зуба-антагониста на работу биомеханического узла.
1. Sakhabutdinova L., Kamenskikh A.A., Kuchumov A.G., Nosov Y., Baradina I. Numerical study of the mechanical behaviour of wedge-shaped defect filling materials // Materials. 2022. Vol. 15. № 20. Art. 7387.
2. Barbosa Kasuya A.V., Favarão I.N., Machado A.C., Rezende Spini P.H., Soares P.V., Fonseca R.B. Development of a fiber-reinforced material for fiber posts: Evaluation of stress distribution, fracture load, and failure mode of restored roots // The Journal of prosthetic dentistry. 2020. Vol. 123(6). P. 829-838.
3. Kamenskikh A.A., Sakhabutdinova L., Astashina N., Petrachev A., Nosov Yu. Numerical modeling of a new type of prosthetic restoration for non-carious cervical lesions // Materials. 2022. Vol. 15. № 15. Art. 5102.
4. Dikova T., Vasilev T., Hristova V., Panov V. Finite element analysis of V-shaped tooth defects filled with universal nanohybrid composite using incremental technique // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2021. Vol. 118. Art. 104425.
Анастасия Петровна Панькова
ФГУ ФНЦ НИИ Системных Исследований РАН
Рост трещин является одним из основных механизмов разрушения конструкций и материалов. Изучение роста трещин происходит с целью либо предотвратить или замедлить их рост, либо с целью направить их рост в нужном направлении. Примерами могут выступать усталостные трещины в механизмах, которые необходимо выявлять до того как они разрушат механизм; резка стекла, в которой контролируемый рост трещин позволяет получить заданную форму разреза; разрезы или перфорация на бумаге, позволяющие обеспечить рост трещины в заданном месте листа; а также трещины гидроразрыва, в которых жидкость под высоким давлением позволяет создать в нефтесодержащем пласте трещину, по которой нефть или газ при добыче будет поступать в скважину гораздо быстрее, чем если бы они фильтровались в неё сквозь породу.
В данной работе внимание уделено не росту отдельной трещины, а тому, как растущие рядом трещины влияют друг на друга, искривляют свои траектории, а также могут объединиться в одну трещину или прекратить рост в одном или обоих направлениях. В работе представлен метод моделирования растущих трещин, с учетом того, что они распространяются криволинейно. С помощью данного метода исследована зависимость того, как ведёт себя система из нескольких трещин в зависимости от их расположения и приложенных нагрузок.
Дмитрий Александрович Пестов
Институт биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН; Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова
Интерес к материалам из возобновляемых источников для создания инновационных биомедицинских материалов быстро растет [1]. Большое внимание уделяется биополимерам, например, полигидроксиалканоатам (ПГА), которые представляют собой класс устойчивых алифатических полиэфиров, продуцируемых различными микроорганизмами [2]. Поли(3-гидроксибутират) (ПГБ) стал самым распространенным биополимером благодаря большому количеству преимуществ. ПГБ является биоразлагаемым, биосовместимым и термопластичным полимером [3]. Частицы ПГБ могут быть извлечены из микроорганизмов, которые синтезируют, накапливают и способны разлагать этот полимер в качестве естественного источника энергии. Продукты распада ПГБ нетоксичны. Более того, ПГБ способен разлагаться за короткий период. Композиты на основе ПГБ становятся популярными в биомедицинском применении благодаря высокой биосовместимости. Биомедицинские материалы на основе ПГБ с большой площадью поверхности, включая высокопористые пленки и волокнистые материалы, обладают высокой схожестью со структурами и поверхностями живых организмов и способствуют клеточной адгезии, проходимости, миграции и росту. ПГБ также показал высокую эффективность при разработке новых материалов для заживления ран.
Однако промышленное и коммерческое применение материалов на основе ПГБ ограничено из-за плохих механических свойств - низкой прочности при растяжении и относительном удлинении. Тем не менее, многие коллективы разработали эффективные методы модификации ПГБ. Особую эффективность продемонстрировали различные нанокомпозиты на основе ПГБ и биополимеров или добавок природного происхождения: поли(этиленгликоль), полилактид, поли-капролактон, хитозан, наночастицы, катализаторы и ферменты, биоактивные молекулы.
Особый интерес исследователи проявляют к природным порфиринам, среди которых гемин. На рисунке показана структурная формула гемина.
В данной работе мы разработали композиты ПГБ-гемин методом электроспиннинга.
Основной целью данного исследования была оценка изменений структуры и свойств ПГБ под воздействием гемина, а также оценка влияния молекулярных комплексов гемина на биосовместимость и антимикробную активность.
Работа выполнена при поддержке Гранта Президента РФ МК-1651.2022.1.3.
1.Kumar, P.; du Toit, L. C.; Pradeep, P.; Choonara, Y. E.; Pillay, V. Nanoengineered biomaterials for vascular tissue engineering. Nanoengineered Biomaterials for Regenerative Medicine,2019, 125–144. DOI:10.1016/b978-0-12-813355-2.00006-5
2.Ahmed, F. E.; Lalia, B. S.; Hashaikeh, R. A review on electrospinning for membrane fabrication: Challenges and applications. Desalination2015,356, 15–30. DOI:10.1016/j.desal.2014.09.033
3.Cerkez, I.; Worley, S. D.; Broughton, R. M.; Huang, T. S. Antimicrobial surface coatings for polypropylene nonwoven fabrics. React FunctPolym2013,73(11), 1412–1419. DOI: 10.1016/j.reactfunctpolym.2013.07.016
Иветта Арамовна Варьян
1. Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук. 2. Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук. 3. Уральский федеральный университет
NiCrBSi покрытия находят широкое применение в машиностроении для создания на поверхности деталей прочных и износостойких слоев. Дополнительное повышение износостойкости возможно путем создания металломатричных композиционных покрытий, при этом NiCrBSi сплав играет роль вязкой пластичной матрицы, а твердые карбиды/бориды/оксиды являются упрочняющими частицами. Ранее показана перспективность использования для этих целей карбида титана TiC [1-2].
Метод инструментального микроиндентирования позволяет оценить механические свойства материалов, для которых нет возможности провести стандартные испытания, и является одним из методов оценки механических свойств покрытий на основе никеля [3].
В работе исследовано влияние 5 и 15 мас. % TiC на микромеханические характеристики NiCrBSi покрытия марки ПГ-СР2, сформированного газопорошковой лазерной наплавкой. Показано, что добавление любого исследуемого количества карбида титана приводит к снижению максимальной и остаточной глубины вдавливания индентора (см. рисунок) и тем самым к повышению твердости вдавливания при максимальной нагрузке и твердости по Мартенсу. Повышаются также расчетные параметры, указывающие на способность покрытия сопротивляться упругим и пластическим деформациям.
Работа выполнена в рамках государственных заданий ИФМ УрО РАН по темам Аддитивность № 121102900049-1 и Структура № 122021000033-2 и ИМАШ УрО РАН по теме № АААА-А18-118020790147-4. Экспериментальные исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН.
1.Макаров А.В., Соболева Н.Н., Малыгина И.Ю., Осинцева А.Л. Формирование композиционного покрытия NiCrBSi – TiC с повышенной абразивной износостойкостью методом газопорошковой лазерной наплавки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 11. С. 38-44.
2.Макаров А.В., Соболева Н.Н. Формирование износостойких NiCrBSi покрытий лазерной наплавкой и комбинированными обработками // В кн. Перспективные материалы: учебное пособие / Под ред. Д.Л. Мерсона. Тольятти: ТГУ. 2017. Т. VII. 292 с. Глава 5. С. 167-238.
3.Soboleva N.N., Makarov A.V., Nikolaeva E.P., Skorynina P.A., Malygina I.Yu. Effect of frictional treatment with a dense cubic boron nitride indenter on the micromechanical properties of the NiCrBSi–Cr3C2 coating // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 966. 012050.
Наталья Николаевна Соболева
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
В данной работе экспериментально определяются трибологические свойства (коэффициент трения и интенсивность изнашивания) тканевых углерод-углеродных композитных материалов при фрикционном взаимодействии с твердым контртелом. Объектами исследований являлись четыре углерод-углеродных композитов серии «Хардкарб», произведенные ООО «ГМК» г. Таганрог. Данные композиты отличались как типом армирующей углеродной ткани, материалом прекурсора, так и температурой отжига. Для оценки влияния ориентации слоев ткани на трибологичские свойства композиты были изготовлены в двух вариациях расположения ткани к поверхности трения: перпендикулярно и параллельно. В качестве контртела использовалась спеченная керамика из карбида кремния, данный материал отличается высокой твердостью (HRC ≈ 92,5±1,5) и практически не изнашивается в процессе испытаний.
Экспериментальное изучение трибологических свойств композитов осуществляли на лабораторном трибометре UMT-2 по схеме контакта кольцо-диск. Описание трибометра и схемы испытания приведено в [1]. Испытания проводили при фиксированной нагрузке F = 150 Н и скорости скольжения V = 1,25 м/с (для композитов с перпендикулярным расположением ткани) и V = 0,5 м/с (с параллельными слоями). На рисунке приведены результаты трибологических испытаний образцов тканевых композитов, которые демонстрируют влияние на значения интенсивности изнашивания Ih (слева) и коэффициента трения µ (справа) следующих факторов: типа армирующей углеродной ткани; температуры отжига композита; расположения слоев ткани относительно поверхности трения.
Показано, что при испытании образцов с параллельным расположением слоев ткани происходит снижение интенсивности изнашивания, причем для некоторых композитов (первый и второй) снижение происходит в 2 раза с Ih ≈ 4 мкм/км до Ih ≈ 2 мкм/км по сравнению с композитами с перпендикулярным расположением слоев ткани. По значению коэффициента трения все композиты с параллельной ориентацией слоев ткани имеют меньшие µ = 0,06…0,08 показатели в сравнении с образцами с перпендикулярным армированием.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант №19-19-00548-П). Авторы выражают благодарность ООО «ГМК», г. Таганрог, за предоставленные образцы композитных материалов и ИФФТ РАН им. Ю.А. Осипьяна за предоставленные образцы высокопрочной керамики.
1. Буковский П.О., Морозов А.В., Кулаков В.В., Голубков А.К., Родионов Н.Б., Кириченко А.Н. Триботехнические свойства углерод-углеродных фрикционных композитов при высоких температурах // Трение и износ. 2022. Т. 43. № 5. С. 491-501
Павел Олегович Буковский
Институт проблем машиностроения РАН
При воздействии на материал лазерного излучения или потока частиц (например, при ионной имплантации) в нем создаются точечные дефекты (вакансии, межузлия) [1]. Прохождение интенсивной продольной акустической волны способствует изменению в областях растяжения и сжатия энергии активации образования точечных дефектов, приводя к их пространственному перераспределению. Дефекты, мигрирующие по материалу, рекомбинируют на различного рода центрах. Роль таких центров могут играть дислокации, примеси внедрения и др.
В [2] показано, что задачу о распространении акустической волны в материале с точечными дефектами следует рассматривать как самосогласованную, включающую в себя, наряду с динамическим уравнением теории упругости, кинетическое уравнение для плотности дефектов.
В [3, 4] исследовано взаимодействие нелинейной волны деформации с полем концентрации точечных дефектов (вакансий, межузлий), приводящее как к рассеянию волны, так и к изменению энергии активации образования дефектов и их пространственному перераспределению. При этом предполагается, что основными процессами, определяющими поведение дефектов, являются процессы генерации, рекомбинации и диффузии, а также учитывается объемная взаимная рекомбинация разноименных дефектов. В [4] совместно с полем концентрации точечных дефектов проанализировано влияние внешнего нестационарного неоднородного температурного поля на нелинейные волны деформации.
В данной работе рассматривается распространение гармонических и нелинейных продольных волн в среде с точечными дефектами. Самосогласованная математическая модель, включающая в себя уравнения теории упругости и кинетические уравнения для плотностей различных типов точечных дефектов, в условиях статической деформации сводится к нелинейному эволюционному уравнению, объединяющему в себе известные уравнения волновой динамики. Показано, что наличие точечных дефектов способствует появлению низкочастотных дисперсии и затухания. Проанализировано влияние параметров системы (коэффициент диффузии дефектов, дилатационный параметр, скорость рекомбинации на стоках) на степень выраженности дисперсии. На рисунке показаны типы нелинейных стационарных волн.
1. Мирзоев Ф.Х., Панченко В.Я., Шелепин Л.А. Лазерное управление процессами в твердом теле // УФН. – 1996. – Т. 166, № 1. – С. 3–32.
2. Мирзоев Ф.Х., Шелепин Л.А. Нелинейные волны деформации и плотности дефектов в металлических пластинах при воздействии внешних потоков энергии // ЖТФ. – 2001. –Т. 71, № 8. – С. 23–26.
3. Ерофеев В.И., Леонтьева А.В., Мальханов А.О. Влияние дефектов на пространственную локализацию нелинейных акустических волн // Изв. РАН. Серия физическая. – 2018. – Т. 82, № 5. – С. 591–596.
4. Ерофеев В.И., Леонтьева А.В., Шекоян А.В. Ударные волны в термоупругой среде с точечными дефектами // ЖТФ. – 2020. – Т. 90, № 1. – С. 26-32.
Анна Леонтьева
Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова; Институт биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН
Кристаллическая фаза играет решающую роль в определении свойств полимерного композита. Кристаллизация по определению является термодинамическим процессом, который в основном зависит от скорости охлаждения на последней стадии производственного цикла. Быстрое охлаждение, безусловно, выгодно производителям композитов, поскольку общее время обработки может быть сокращено. Однако важно понимать, как скорость охлаждения влияет на механические свойства получаемого композита. При высокой скорости охлаждения (закалка) образуются мелкокристаллические структуры и эти материалы обладают большей эластичностью и высоким удлинением, а при медленном охлаждении расплава (отжиг) образуются крупнокристаллические структуры, которые образуются в дефектных областях макромолекул и изделия, полученные таким способом, обладают большей жесткостью [1].
Объектами исследования являлись полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) и биоразлагаемый полимер поликапролактон (ПКЛ) в широком диапазоне составов. В данной работе были рассмотрены влияние способов охлаждения пленок, полученных методом горячего прессования, на формирование надмолекулярной структуры композитов. Смеси ПЭНП с ПКЛ получали смешиванием на лабораторных смесительных вальцах, далее полученные смеси разрезали на куски, которые затем измельчали на роторно-ножевой мельнице, далее прессовали пленки на гидравлическом прессе с нагревом на алюминиевых пресс-формах с целлофановой подложкой. Для получения различных надмолекулярных структур охлаждение плёнок проводили двумя широко применяемыми методами, такими как водяное охлаждение (закалка) и естественное воздушное охлаждение под гнетом (отжиг). В результате прессования получили пленки толщиной 150 – 300 мкм.
Образовавшаяся фазовая структура образцов при разной скорости охлаждения оказала значительное влияние на способность пленок к биоразложению под действием почвенных микроорганизмов в грунте в течение 6 месяцев экспонирования. Было показано, что пленки содержанием 20 мас.% ПКЛ практически не разрушились в обоих случаях. Для смесей с содержанием 50 и 80 мас.% ПКЛ было выявлено наибольшая подверженность к разрушению и снижение массы образцов более чем на 25% у закаленных и от 10 до 13% для отожженных образцов. В случае с чистым ПКЛ в обоих случаях наблюдается потеря массы 10%. Пленки, полученные путем закалки, подверглись более интенсивному разрушению, в том числе под действием микробиоты, вследствие меньшей упорядоченности структуры.
Зубаржат Рафисовна Aбушахманова
РЭУ им. Г.В. Плеханова, ИБХФ им. Эмануэля РАН
В работе приведены данные, описывающие структуру и механические свойства перспективных биоразлагаемых полимерных материалов. Изучены пленки на основе полилактида (ПЛА) и полибутиленадипинаттерефталата (ПБАТ) толщиной 300±50 мкм. Состав композиций: от ПЛА до ПБАТ с шагом в 10 массовых частей.
Влияние добавки ПБАТ к ПЛА на разрывную деформацию указано на рисунке. Введение ПБАТ в матрицу ПЛА на начальном этапе способствует увеличению разрывного удлинения в 2 раза. При содержании ПБАТ от 30 до 70% каждый компонент представляет собой большие области непрерывной фазы. Это приводит к значительному снижению физико-механических свойств и охрупчиванию смесевых пленок.
При добавлении 10% ПЛА к ПБАТ происходит снижение разрывного удлинения в 2 раза с 1000 по 545, которое практически сохраняется до 20% добавки ПЛА. Это указывает на то, что в данном диапазоне составов дисперсионную среду формирует ПБАТ, а фазу включения – ПЛА. Дальнейшее увеличение содержания ПЛА до 30% приводит к обращению фаз с формированием самостоятельной непрерывной структуры каждым компонентом.
По результатам физико-механических испытаний можно судить о структуре пленок на основе ПЛА-ПБАТ и подобрать оптимальный состав для получения материалов с заданными свойствами.
1. Селезнева Л.Д., Попов А.А., Аншин С.М.Влияние факторов окружающей среды на структуру и свойства смесей полилактида (ПЛА) и полибутиленадипинаттерефталата (ПБАТ) // конф. «Биохимическая физика 2022»
Людмила Дмитриевна Селезнева
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Рис. 1. Зависимость комплексного модуля сдвига в зависимости от температуры для смазок.
Активное развитие вычислительной техники позволяет решать задачи прогнозирования работы и рационализации конструкции при помощи численных алгоритмов [1]. В свою очередь, для минимизации погрешности между реальной конструкции и численной моделью необходимо учитывать поведение материалов элементов конструкции: физико-механические, термомеханические, фрикционные свойства и т.д. При этом, для реализации задач прогнозирования работы конструкции, необходимо учитывать динамические характеристики материалов [2].
В рамках работы выполнено экспериментальное исследование динамических характеристик пастообразных смазочных материалов, а также рассматривается задача идентификации математической модели их поведения. Пастообразные смазочные материалы активно используются в ответственных узлах трения мостовых сооружений. В качестве объектов исследования рассмотрены 4 смазочных материала: ЦИАТИМ-221, ЦИТАИМ-221F, ТОМФЛОН СК 170 FH, ТОМФЛОН СБС 240 FM. В рамках экспериментального исследования получены зависимости комплексного модуля сдвига материала в зависимости от температуры (рис. 1).
Можно заметить, что значение комплексного модуля сдвига при отрицательных температурах значительно возрастает, что связано с замерзанием смазочного материала и его переходу в твердое тело, что прослеживается при визуальных осмотрах смазки при экспериментах.
На основе экспериментальных данных проведена идентификация математической модели смазочного материала с использованием модели Ананд и рядов Прони на основе тела Максвелла [3]. Установлено, что данные модели можно использовать в рамках компьютерного инжиниринга при частотах свыше 1 Гц. Для малых частот необходимо использовать более сложные модели вязкоупругого поведения материала, подбор которых является дальнейшим направлением развития работы.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-29-01313
1. Adamov A.A., Kamenskikh A.A., Pankova A.P. Influence analysis of the antifriction layer materials and thickness on the contact interaction of spherical bearings elements // Lubricants. 2022. Vol. 10, No. 2. Art. 30.
2. Goryacheva I. G., Zobova A. A. Dynamics of deformable contacting bodies with sliding, rolling, and spinning // International Journal of Mechanical Sciences. 2022. Vol. 216. Art. 106981.
3. Каменских А. А., Носов Ю. О., Струкова В. И. Численная процедура идентификации свойств твердых смазочных материалов // Материалы XIV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли. 2022. С. 188-190.
Юрий Олегович Носов
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 с^-1 в диапазоне температур 725-1075 K [4] (Рис. 1). С помощью идентификации модели были определены: начальные критические напряжения tau_c0, 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.
Дмитрий Сергеевич Безверхий
Томский государственный университет
Изучено реологическое поведение образцов микропроволоки из никелида титана, используемой в медицинских приложениях [1]. Проволока составом Ti-50 ат. % Ni и толщиной 40 мкм была получена с использованием термомеханической обработки из монолитных слитков с промежуточными отжигами. Образцы микропроволок из NiTi толщиной 40 мкм и длиной 100 мм испытаны при одноосном растяжении до разрушения и циклического растяжения без разрушения в пределах обратимой мартенситной деформации. Экспериментальные результаты, представлены на рисунке черными кривыми.
На кривых растяжения выделены три характерные зоны: первая - упругое поведение аустенита B2 до деформации в пределах 1 %, реологически описываемое линейно-упругой средой Гука с модулем упругости Еа; вторая - превращение аустенита в мартенсит в виде плато параллельного оси деформации продолжительностью до 5 %, описываемое жесткой средой Мизеса с параметром течения σs равным пределу упругости; третья – упругое деформирование мартенситной фазы вплоть до разрушения при относительном удлинении до 11 %, по аналогии с упругостью аустенитной фазы, описывается линейно-упругой средой Гука с модулем упругости Ем. Разрушение при растяжении наступало по квазихрупкому сценарию без признаков нелинейного поведения, свойственному пластической деформации сплавов. При циклическом нагружении разгрузку начинали в конце области плато, при этом диаграмма имела вид гистерезиса и заканчивалась полным восстановлением первоначальной длины проволочного образца. Поведение материала образцов случаях характеризовалось сверхэластичным поведением.
Основываясь на анализе экспериментальных данных, на основе Auriccho F. в [2], создана физико-математическая модель, учитывающая особенности сверхэластичного поведения материала в проволочных образцах при нагрузке и разгрузке. Полученные численно результаты, представленные на рисунке зеленым цветом, согласуются с экспериментальными данными.
Анна Викторовна Ветрова
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
При контакте тел с поверхностной шероховатостью процессы взаимодействия протекают не по всей номинальной области контакта, а лишь по отдельным пятнам. Как следствие, реальная площадь контакта составляет лишь часть номинальной, а также возникают концентрации контактных и внутренних напряжений. Это в свою очередь влияет на многие практически важные процессы, например, трение и износ деталей.
В настоящее время для решения задач контакта тел с учетом поверхностной шероховатости используются различные численные методы, так как аналитические подходы применимы лишь для ограниченного круга задач, например, периодических. Предположив, что поверхностный микрорельеф тел представляет собой некоторую регулярную структуру, мы можем получить некоторые выражения, позволяющие исследовать влияние параметров микрогеометрии тел на характеристики контактного взаимодействия.
В данной работе исследован контакт с упругим полупространством периодической системы одинаковых осесимметричных штампов двух высотных уровней. Контактирующая поверхность штампов описывается степенной функцией радиуса, а плотность их расположения определяется шагом периодической решетки. Использование для решения задачи метода локализации [1] позволяет не только определить контактные характеристики, как это сделано в [2] для сферических штампов, но и распределение внутренних напряжений. При этом исследуется влияние формы штампов и их пространственного расположения на распределение контактных давлений по поверхности и компонент тензора напряжений по глубине. Так, на рис.1 представлены зависимости максимальных касательных напряжений τmax от вертикальной координаты z на оси, проходящей через центры штампов первого (1) и второго (2) высотных уровней. Полученные результаты также сравниваются с теорией, не учитывающей взаимное влияние штампов.
Из анализа результатов следует, что наличие на поверхности тел шероховатости приводит к явному неравномерному распределению напряжений по глубине вблизи поверхности контакта. При этом могут возникать пластические деформации и локальные разрушения. Расположение и величина концентраций напряжений зависит как от формы неровностей, так и от плотности их расположения на поверхности тела. Следовательно, изменяя параметры поверхностной микрогеометрии тел, можно контролировать процессы износа и разрушения.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта № 22-49-02010.
1.Горячева И.Г. Периодическая контактная задача для упругого полупространства // ПММ. 1998. Т. 62. № 6. С. 1036-1044.
2.Yakovenko A., Goryacheva I. The discrete contact problem for a two-level system of indenters // Continuum Mechanics and Thermodynamics. 2022.
Анастасия Александровна Яковенко
