Расчет прочности волокон алюминиевого композита Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

Данный способ стабилизации пространственного положения нижнего электрода и устройство для его осуществления на машинах прессового типа проверили на экспериментальной установке, собранной на базе машины МТПУ-300.

Библиографическая ссылка

1. Сагалевич В. М. Методы устранения сварочных напряжений и деформаций. М. : Машиностроение. 1974.

© Колодкин Ю. В., Онтужев И. В., Голубкинаа М. Г., 2013

УДК 539.412:620.22

Г. В. Кочкина Научный руководитель - Г. Г. Крушенко Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ВОЛОКОН АЛЮМИНИЕВОГО КОМПОЗИТА

Рассмотрен анализ оценки прочности волокнистого алюминиевого композита с точки зрения пористой структуры.

Материал, полученный с помощью запатентованной технологии [1], представляет собой композит, полученный прессованием композиции, состоящей из частиц алюминия или алюминиевых деформируемых сплавов и нанопорошков (НП) высокопрочных химических соединений. Данный материал имеет структуру в виде протяженного профиля разного сечения с волокнистой структурой и повышенными механическими свойствами (см. рисунок). Прутки, полученные таким способом, имеют тонкостенную оболочку и внутреннее волокнистое строение. Механические свойства композита выше, чем у материалов полученных таким же образом, но без использования нанопо-рошков. Но в отличие от существующих волокнистых композитов рассматриваемый материал не имеет матрицы. Ее роль выполняет взаимодействие волокон по боковым поверхностям. Нагрузка перераспределяется за счет сил трения от разрушенного волокна на соседние волокна. И если рассматривать данный композит как состоящий только из одних волокон, то его прочность должна превышать прочность пучка не взаимодействующих по боковым поверхностям волокон. Частицы НП обладают значительно более высоко твердостью, чем алюминиевый сплав. Поэтому в процессе деформирования они внедряются в поверхность алюминиевых волокон, в результате чего образуется механическое соединение соседствующих волокон по граничащим поверхностям.

Композит, отпресованный из гранул сплава АД и нанопорошка карбонитрида титана TiCN

В данной работе предлагается оценить материал на прочность с точки зрения пористой структуры [2]. Механические свойства пористых металлокомпозитов тесно связаны с пористостью и размером пор, их формой и распределением. Зависимость механических свойств от пористости выражена эмпирически в уравнениях Гибсона-Эшби [3]:

E- = с\р

e.

Р„

- = с,| Р

Ps

(1)

(2)

где Е, с и р обозначают модуль упругости, прочности и плотности, соответственно. Индекс «*» обозначает пористый материал, и индекс «8» обозначает плотный материал. С1 и С2 - постоянные, связанные с материальными и экспериментальными условиями. п1 и п2 -экспоненты, связанные с пористой структурой. Из (1) и (2) следует, что прочность и модуль упругости пористых материалов уменьшается с увеличением пористости. Противоречие заключается в том, что низкий модуль упругости соответствует низкой прочности.

Пористость может быть получена непосредственно по формуле:

(

P =

1 -

M

VP

\

х100%

, (3)

где М - масса образца, V - объем образца; ps - плотность волокна, г/см3. Для того, чтобы определить размер пор количественно, эквивалентный диаметр пор определяется как промежуток между волокнами. Измерения могут быть выполнены под оптическим микроскопом с помощью программного обеспечения Image Pro Discovery. Таким образом, распределение размеров пор определяется с помощью математической статистики измерений.

Волокна металлокомпозита являются своего рода пористыми металлами, их механические свойства сильно зависят от пористости. Из (1)-(2) следует [3]:

n

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

* i „Л2

s \г s J

а а

= 0,3

(4)

(5)

Уравнения Гибсона-Эшби были получены из простого соотношения напряжений с учетом открытой клеточной структуры под давлением. Эти соотношения также применимы для линейной упругой стадии для большинства пористых материалов при растяжении [3]. Для нелинейной упругой стадии установлено изменение соотношений с учетом значения деформаций и оси вращения для одноосного растяжения [5]:

а E

= 1,1

V v

Ps

е + 3,74

V v

Ps

е + 0,0343

(pp ^ Ps

.(6)

Библиографические ссылки

1. Патент № 2348488. Способ изготовления алюминиевых волокон / Г. Г. Крушенко, В. В. Москви-чев, А. Е. Буров, 2009. Бюл. № 7.

2. Guo He, Ping Liu, Qingbiao Tan. Porous titanium materials with entangled wire structure for load-bearing biomedical applications // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2012. № 5, Issue 1. P. 16-31.

3. Gibson L. J., Ashby M. F. Cellular Solids: Structure and Properties, 2nd edn. UK, Cambridge: Cambridge University Press, 1997. 510p.

4. Warren W. E., Kraynik A. M. The nonlinear elastic behavior of open-cell foams // Appl. Mech. 1991. № 58. P. 1147-1153.

5. Wallach J. C., Gibson L. J. Mechanical behavior of a three- dimensional truss material. // Internat. J. Solids Struct. 2001. № 38. P. 7181-7196.

© Кочкина Г. В., 2013

3

fc

УДК 621.791

А. В. Лецковник, Е. В. Сафонова Научный руководитель - Л. Г. Семичева Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ШИРИНЫ ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЫ ДИФФУЗИОННОГО СОЕДИНЕНИЯ ФТОРОПЛАСТА-4 С МЕТАЛЛАМИ НА ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЯ

Исследовано влияние ширины переходной зоны диффузионного соединения фторопласта-4 с металлами на прочность неразъемных соединений и определена оптимальная ширина переходной зоны диффузионного соединения фторопласта-4 с металлами, обеспечивающая предел прочности соединения св > 16 МПа.

К неразъемным соединениям фторопласта-4 с металлами, которые применяют в конструкциях ответственных узлов летательных аппаратов и работают в экстремальных условиях, предъявляются повышенные требования к прочности соединений. Предел прочности соединений св должен быть не менее 16 МПа.

Качественные неразъемные соединения фторопла-ста-4 с металлами были получены диффузионной сваркой в вакууме с наложением ультразвуковых колебаний (УЗК), которая широко применяется для сварки разнородных материалов. В результате диффузии элементов свариваемых материалов в зоне контакта образуется переходная зона, ширина которой влияет на прочность соединения [1].

Целью работы является исследование влияния ширины переходной зоны диффузионного соединения фторопласта-4 с металлами на прочность соединений, а также определение ее оптимального значения.

Для проведения исследований сваривали образцы из фторопласта-4 и сплава алюминия АМг6. Основные параметры процесса сварки выбирались на основании теоретических положений и предварительных экспериментов [1]:

температура сварки Тсв = 633....693 К; сварочное давление Р = 0,5.. .2,5 МПа; частота УЗК fузK = 2 МГц;

интенсивность УЗК 1узк = (1 105.... 3 105) Вт/м2; время озвучивания УЗК тузк = 300...900 с. На этих режимах сваривали образцы-имитаторы, из которых изготавливали микрошлифы. Для выявления переходной зоны их травили в плазме высокочастотного безэлектродного разряда. Микроструктуру диффузионных соединений Ф-4 + АМг6 изучали с помощью оптического микроскопа МИМ-7. Металлографические исследования показали, что в процессе сварки наблюдается переходная зона (см. рисунок), ширина которой зависит от параметров режима процесса сварки. Значительное влияние на ширину переходной зоны оказывает температура сварки, с повышением которой ее величина увеличивается с 11 мкм до 60 мкм. При этом фторопласт-4 проникает в поры, трещины и микронеровности анодной пленки, обеспечивая плотный контакт свариваемых поверхностей.

Повышение давления до 2,5 МПа не оказывает существенного влияния на ширину переходной зоны.

С увеличением интенсивности УЗК и времени озвучивания ширина переходной зоны увеличивается, но при 1узк > 3 105 Вт/м2 и тузк > 600 с наблюдается изменение структуры фторопласта. переходной зоны.

На указанных режимах были также сварены специальные образцы для испытаний на растяжение. Результаты испытаний показали, что при температуре сварки Тсв = 633 К прочность соединения св состав-