Главная Коллекция "Revolution" Производство и технологии Прогнозирование механических свойств металлического композиционного материала, армированного интерметаллическими элементами

Прогнозирование механических свойств металлического композиционного материала, армированного интерметаллическими элементами

Описывается новая схема металлического армированного композиционного материала системы титан-алюминий. Четыре схемы расчета поведения материала. Выявляется влияние геометрической конфигурации композиционного материала на максимальный угол прогиба.

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 14.02.2022
Размер файла 733,3 K
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозирование механических свойств металлического композиционного материала, армированного интерметаллическими элементами

А.Ю. Муйземнек, М.С. Гуськов, Д.В. Козлов

Аннотация

Описывается новая схема металлического армированного композиционного материала системы титан-алюминий. Рассматривается вопрос разработки схем расчета для решения в программном комплексе ЛЬБУБ. Разрабатываются четыре схемы расчета поведения материала при воздействии на него изгибающих нагрузок. Выявляется влияние геометрической конфигурации композиционного материала на максимальный угол прогиба.

Ключевые слова: композиционный материал, интерметаллиды, компьютерное моделирование, метод конечных элементов.

Введение

Современные конструкции нуждаются в материалах, обладающих комплексом высоких физико-механических, химических и технологических свойств. На данный момент традиционные материалы не отвечают предъявляемым к ним требованиям, в связи с этим получают развитие новые классы материалов. Исследуемый композиционный материал представляет собой слоистую композицию из слоев титана ВТ1 -о и промежуточной перфорированной алюминиевой пластины АМГ5М. В перфорированной пластине сквозные каналы распределены равномерно по всей площади листов. Диаметр каналов и расстояние между соседними каналами составляет 10 мм. В результате термической обработки в зоне соединения титана с алюминием образуется хрупкое, но прочное интерметаллическое соединение Т1Л1э [1]. Схема армирования с промежуточной перфорированной пластиной позволяет избежать образования в результате термической обработки сплошной интерметаллической прослойки, что в свою очередь изменяет механизм распространения трещин и пластичность материала при воздействии изгибающих нагрузок. С целью оценки возможности повышения пластичности композиционного материала при воздействии на него изгибающих нагрузок проведено компьютерное моделирование в программном комплексе ЛЫБУБ. Варьируемым параметром при моделировании было расстояние между интерметаллическими прослойками.

Построение геометрической модели и сетки конечных элементов, задание свойств компонентов композита

Для сокращения времени расчета и уменьшения необходимых компьютерных ресурсов приняты следующие допущения: задача решается в двухмерном пространстве, поведение материалов описывается билинейной диаграммой напряжение-деформация, упрощена геометрия материала, игнорируются температурные эффекты, отсутствуют другие интерметаллические соединения и гравитация, игнорируются механизмы трещи- нообразования.

Схемы расчета соответствуют схемам испытания на изгиб по ГОСТ 14019-2003 [2], но с некоторыми допущениями. Для образца толщиной 5 мм ГОСТ 14019-2003 предусматривает следующие параметры эксперимента:

а) диаметр оправки составляет 10 мм;

б) расстояние между опорами - от 22,5 до 27,5 мм;

в) скорость деформации не должна превышать 15 мм/мин;

г) ориентировочная длина образца составляет от 130 до 180 мм.

При формировании геометрической схемы расчета приняты следующие допущения по конфигурации эксперимента:

а) для облегчения задачи длина образца уменьшена до 40 мм;

б) упрощена геометрическая модель композиционного материала;

в) для избегания контактов поверхностей и облегчения расчета опоры заменены шарнирными креплениями, а оправка заменена нагрузкой, направленной на поверхность, длина которой равна диаметру оправки.

На рис. 1, 2 представлены схема нагрузки и модель композита соответственно.

металлический композиционный армированный

Рис. 1. Схема приложения нагрузки:

1 - нагрузка; 2 - площадки для шарнирного крепления

Рис. 2. Геометрическая конфигурация композиционного материала:

1 -ВТ1-0; 2 - АМг5М; 3 - Т1Л1з; а - расстояние между интерметаллическими прослойками

В табл. 1 представлены конфигурации схем расчета.

Таблица 1

Конфигурации схем расчета

Схема эксперимента

1

2

3

4

а, мм

9,8

11,8

13,8

14,8

Дальнейшим этапом является разбитие модели на сетку конечных элементов. Для титановой и алюминиевой составляющей композиционного материала шаг разбивки составляет 0,1 мм2, а для интерметаллической прослойки Т1Л1з - 0,0125 мм2. Общее количество элементов для всех схем расчета составило 83 740.

Далее необходимо задать физико-механические характеристики компонентов, входящих в состав композиционного материала. Для получения наиболее достоверных результатов моделирования рекомендуется ввести реальную, экспериментально полученную диаграмму деформирования. Однако существуют методы ее аппроксимации. В данной работе для задания моделей поведения титана и алюминия использовались билинейные модели поведения. А для интерметаллида Т1Л1з - линейная модель поведения.

Использование линейной модели поведения для интерметаллида обусловлено отсутствием необходимых данных о физико-механических характеристиках.

Для задания билинейной диаграммы напряжение-деформация необходим тангенциальный модуль упругости, описывающий поведение материала за площадкой текучести. В литературе [3] имеются формулы, позволяющие рассчитать тангенциальный модуль упругости используя базовые характеристики материала. Для ее задания необходимо вычислить тангенциальный модуль упругости согласно формуле

где Ов - напряжение временного сопротивления, МПа; От - напряжение предела текучести, МПа; ^ - относительное сужение, %; 8т - деформация предела текучести, %; Ет - тангенциальный модуль упругости, МПа [3].

В табл. 2 представлены физико-механические характеристики компонентов, используемые при расчете.

Таблица2

Физико-механические характеристики компонентов

Материал

Временное

сопротивление,

МПа

Предел

текучести,

МПа

Модуль

упругости,

ГПа

Т ангенциальный модуль

упругости, МПа

Коэффициент

Пуассона

ВТ1-0

345

220

105

625

0,34

АМг5М

285

130

70

600

0,33

ТІАІ3

1200

980

235

-

0,17

Критерием прочности для титана и алюминия была выбрана гипотеза Губера - Мизеса-Генки, а для интерметаллидов гипотеза Мора-Кулона. В работе [4] подтверждено, что разрушение материала происходит при коэффициенте запаса прочности 0,7, что и будет принято критерием разрушения в данном случае.

Результаты расчета

Первая схема расчета повторяет реально проведенный эксперимент и необходима для подтверждения выбранного критерия прочности. Расстояние между прослойками интерметаллидов составляет 9,8 мм.

В первой схеме модель плавно нагружалась до 80 МПа в течение 10 с. Расчет показал, что критическое значение коэффициента запаса прочности достигается у интерм е- таллической прослойки на 6,8 с. При этом минимальный коэффициент запаса прочн ости для титана и алюминия составляет 1,47. Эпюры распределения коэффициента запаса прочности для интерметаллидов и для системы титан -алюминий представлены на рис. 3, 4 соответственно.

Рис. 3. Эпюра распределения коэффициента запаса прочности для интерметаллической прослойки

Рис. 4. Эпюра распределения коэффициента запаса прочности для титана и алюминия

Прогиб составил 0,35 мм, угол прогиба при этом 4,6°, что отклоняется от результата реального эксперимента на 13 %.

Таким образом, в результате расчета первой схемы обозначена погрешность разработанной схемы расчета.

Во второй схеме расчета расстояние между прослойками интерметаллидов увеличено на 2 мм и составляет 11,8 мм. Модель плавно нагружалась до 80 МПа в течение 30 с. Расчет показал, что критическое значение коэффициента запаса прочности для прослойки интерметаллидов достигается на 21,6 с. Минимальное значение коэффициента запаса прочности для титана и алюминия при этом составляет 1,33. Прогиб составил 0,96 мм, угол прогиба при этом 11,8°. Эпюры распределения коэффициента запаса прочности для интерметаллидов и для системы титан-алюминий представлены на рис. 5, 6 соответственно.

Рис. 5. Эпюра распределения коэффициента запаса прочности для интерметаллической прослойки

Рис. 6. Эпюра распределения коэффициента запаса прочности для титана и алюминия

В третьей схеме расчета расстояние между прослойками увеличено на 2 мм и составляет 13,8 мм. Модель плавно нагружалась до 80 МПа в течение 40 с. Расчет показал, что критическое значение коэффициента запаса прочности для прослойки интерметаллидов достигается на 32,75 с. Минимальное значение коэффициента запаса прочности для титана и алюминия при этом составляет 1,09. Прогиб составил 3,51 мм, угол прогиба при этом 39,3°. Эпюры распределения коэффициента запаса прочности для интерметал- лидов и для системы титан-алюминий представлены на рис. 7, 8 соответственно.

Таким образом, с увеличением расстояния между интерметаллическими прослойками с 11,8 до 13,8 мм угол прогиба увеличился на 32,1°. Анализ трех схем расчета показывает, что зависимость максимального угла прогиба от расстояния между интерметаллическими прослойками имеет нелинейную зависимость. Для адекватной оценки в четвертой схеме расчета расстояние между прослойками будет увеличено на 1 мм, а не на 2 мм.

Рис. 7. Эпюра распределения коэффициента запаса прочности для интерметаллической прослойки

Рис. 8. Эпюра распределения коэффициента запаса прочности для титана и алюминия

В четвертой схеме расчета расстояние составляет 14,8 мм. Модель плавно нагружалась до 100 МПа в течение 40 с. В данной схеме расчета достижения критического значения прочности для интерметаллической прослойки не произошло. После достижения значения 0,72 на 33,5 с расчета оно начало медленно повышаться. Прогиб составил 6,8 мм, угол прогиба при этом 73,6°. На рис. 9, 10 представлены соответственно эпюры распределения коэффициента запаса прочности для интерметаллидов и для системы ти тан- алюминий на 33,5 с.

Рис. 9. Эпюра распределения коэффициента запаса прочности для интерметаллической прослойки

Рис. 10. Эпюра распределения коэффициента запаса прочности для титана и алюминия

Таким образом, можно предположить, что при расстоянии порядка 14,8 мм между интерметаллическими прослойками они не оказывают влияния на максимальный угол прогиба и он будет равен максимальному углу без интерметаллической прослойки. Максимальный угол прогиба без интерметаллических прослоек, по данным [4], составляет более 120°. По результатам расчета четырех схем был составлен график, показывающий зависимость максимального угла прогиба от расстояния между интерметаллическими прослойками (рис. 11).

Рис. 11. Зависимость угла прогиба от расстояния между интерметаллическими прослойками

Из графика видно, что зависимость между углом прогиба и расстоянием между интерметаллическими прослойками нелинейная и близка к параболической.

Заключение

Были разработаны четыре схемы расчета. Достоверность разработанных схем и выбранных критериев подтверждается результатами расчета первой схемы, которая повторяет реальный эксперимент. Установлено, что зависимость между углом прогиба и расстоянием между интерметаллическими прослойками близка к параболической. Минимальное расстояние, при котором интерметаллиды не оказывают влияния на угол прогиба, составляет 14,8 мм. Результаты компьютерного моделирования могут позволить улучшить геометрическую конфигурацию исследуемого металлического композиционного материала.

Библиографический список

1. Металлические композиционные материалы, армированные интерметаллическими упрочняющими элементами / Л. Б. Первухин, А. Е. Розен, Д. Б. Крюков, А. О. Кривенков, С. Н. Чугунов // Металлург. - № 10. - 2015. - С. 74-77.

2. ГОСТ 14019-2003. Материалы металлические. Метод испытаний на изгиб : дата введения 01.09.2004. - Москва : Изд-во стандартов, 2004. - 8 с.

3. Морозов, Е. М. ЛЫЗУЗ в руках инженера: Механика разрушения / Е. М. Морозов,

А. Ю. Муйземнек, А. С. Шадский. - Изд. 2-е, испр. - Москва : ЛЕНАД, 2010. - 456 с.

4. Гуськов, М. С. Создание высокопрочного композиционного материала титан-алюминий с перфорированным интерметаллическим слоем и оксидо-керамическим покрытием : дис. ... канд. техн. наук: 05.16.09 / Гуськов М. С. - Пенза, 2015. - 151 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены