CC BY
18
-□ □-
Створено модель композитного материалу на основа полгмергв, який включае сферичт та елтсогдт частин-ки. Подано опис стратеги ство-рення композицшного материалу на основа порошков полгтетра-фторетилену, вуглецевого волокна { титан карбпду. Для розрахункгв були використат елтсогдш частин-ки модели вуглецевого волокна I сферичт частинки модели титан карбпду
Ключовг слова: полгмерний композит, зношування, полг-тетрафторетилен, вуглецев1 волокна, карбпд титану, критерш
оптимгзацИ
□-□
Создана модель композитного материала на основе полимеров, который включает сферические и эллипсоидные частицы. Представлено описание стратегии создания композиционного материала на основе порошков политетрафторэтилена, углеродного волокна и титан карбида. Для расчетов были использованы эллипсоидные частицы модели углеродного волокна и сферические частицы модели титан карбида
Ключевые слова: полимерный композит, износ, политетрафторэтилен, углеродные волокна, карбид титана, критерий оптимизации
-□ □-
УДК 678.06; 53.043
ДИЗАЙН ПОЛ1МЕРНОГО КОМПОЗИТУ, ЗМОДЕЛЬОВАНОГО СФЕРАМИ ТА ЕЛШСОТДАМИ ЗА КРИТЕР1СМ УЗГОДЖЕННЯ
ВЛАСТИВОСТЕЙ
А. Ф. Буд н и к
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра прикладного матерiалознавства та ТКМ Сумський державний уыверситет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, УкраТна, 40007
E-mail: mr.budnik@mail.ru В. А. Св^дерський Доктор техычних наук, професор* А. О. Томас Астрантка** E-mail: alisa-ua2007@yandex.ru П. В. Руденко Астрант** E-mail: rudenkof-4@yandex.ua Х. В. Бе р л а д i р Астрантка* E-mail: berladirkristina@yandex.ua *Кафедра хiмiчноТ технологи композицтних матерiалiв Нацюнальний техшчний уыверситет УкраТни «КиТвський
пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги, 37, м. КиТв, УкраТна, 03056 **Кафедра переробки пластмас та фото-, нано- i полiграфiчних матерiалiв Державний вищий навчальний заклад «УкраТнський державний
хiмiко-технологiчний ушверситет" пр. Гагарша, 8, м. Днiпропетровськ, УкраТна, 49005
1. Вступ
1нтенсившсть зношування полiмерних композитiв суттево залежить вщ механiчних властивостей, при-роди, структури i розмiрiв частинок полiмеру-матрицi та наповнювачiв, структури матерiалу композиту, його твердости мiцностi, пружностi, рiвня зовтшньосилово'Т Д11 на контактi композит-контртiло [1, 2].
Ефект змщнення полiмеру наповнювачами при зношуваннi [3, 4] спостертаеться тiльки для деяких полiмерiв i наповнювачiв.
Дiйсна структура антифрикцiйного композитного матерiалу е складною, мае випадковий характер. Пря-ме обчислення властивостей композиту е складним математичним завданням, тому що невщома геометрiя i фiзичнi властивостi поверхнi роздiлу матриц з ча-стинками наповнювачiв.
Процес виготовлення зносостшкого полжомпо-нентного матерiалу забезпечений незначною керова-ною шформащею. Тiльки показникiв властивостей наповнювачiв i матрицi, Тх концентрацГТ i геометричноТ форми недостатньо для точного та надшного передба-чення властивостей проектованого полiмерного композиту. Така мала шформатившсть при проектуваннi композиту з наперед заданими властивостями вимагае надшних методiв теоретичних та експериментальних дослщжень композитних матерiалiв. До таких методiв в1дноситься варiацiйний, який веде до границь ефек-тивних властивостей [5, 6].
Завдання проектування зносостшкого композиту полягае в тому, щоб досягти:
• такого оптимального стану, при якому вш добре узгоджуеться з будовою композиту;
• умов, яю повинт задовольняти цей композит.
©
Зношування композиту залежить вщ того, наскшьки ефективно мiкроструктура композитного матерiалу може чинити опiр рiзним процесам вщдшення матерiалу. Головний внесок у величину зно-су вносять послщовтсть пластичних деформацiй i роз-рив у тонкому шарi поверхнi, i наступне мiкрорiзання пластично деформованих зон. РозподГл поглинаючо! активним шаром енергГ! зумовлюе кiнетику накопи-чення пошкоджень i руйнувань та змiну фрикцшних характеристик.
Полiмерний матерiал повинен мати високу стшюсть до в'язкопружно! та пластично! деформацш, що мае мiсце, якщо матерiал мае високу твердiсть та границю текучостi i, в той же час, деформуватися пластично з високою роботою на розрив.
Таким чином, виникае завдання розрахунюв мехашчних характеристик трикомпонентних полiмерних композитiв з бшарним наповнювачем за властивостями вихГдних iнгредiентiв.
У багатьох роботах [7-9] основними критерiями зносостiйкостi при зношуванш приймаються механiчнi характеристики матерiалу, яю визначаються експери-ментально.
Аналiз цих робГт свiдчить, що зносостiйкiсть полiмерних композипв обумовлена його фГзико-механiчними, реолопчними та деформацшно-мiцнiсними характеристиками властивостей. Тому, розробка критерш оптимiзацГi наповненого полiмеру за цими характеристиками, яю би визначалися теоретично за властивостями вихГдних iнгредiентiв на технолопчнш стадГ! виготовлення композиту, мае практичне значення, так як дозволяе ско-ротити високоварпсш експериментальнi роботи. Закономiрностi зношування матерiалiв приведенi в роботах [10, 11].
Завдання оптимального проектування триком-понентного зносостшкого композиту - необхщно пiдiбрати склад композиту на основi полiмеру та дво-компонентного наповнювача, змодельованого сферич-ними та елшсо!дними частинками, який забезпечуе максимум зносостшкосп при заданих механiчних вла-стивостях полiмерно'i матрицi i наповнювачiв.
2. Bибiр моделi i методiв розрахункiв
Нехай структура композицiйного матерiалу утво-рена полiмерною матрицею i частинками наповнювача, в'язко-пружнi, пластичнi та мщшсш властивостi яких вГдомГ; компоненти композиту однорГдш i мiцно зв'язаш з матрицею на межi роздГлу фаз, а матриця, крiм пруж-них властивостей - модуля пружносп Е0 - мае в'язкiсть По i межу пластичностi т0, яю пiдпорядкованi умовам текучостi Мiзеса та рiвнянню в'язкопружностi Мак-свела [12]. 1ндекси у символах величин вГдносяться до сферичних (s) та елшсо'дних (f) частинок, матрицi (о) та наповнювача (1) вГдповГдно.
Вiдповiдно, гранично напружений стан композиту, який виникае при зношуванш, шдлягае енергетичнш умовi пластичностi Мiзеса. Припустимо, що пружш деформацГ! малi у порiвняннi з пластичними. Поля швидкостей деформацiй е^ г напружень ащ е статистич-но однорГдними Г задовольняють умовам ергодичностГ.
Наповнювач уявляе собою включення у виглядГ сферичних (порошкових) частинок, яю заданГ розмГрами вГд Я до г, та дискретних частинок у виглядГ витягнутих елшсовдв обертання з натвосями а Г Ь, Г стввГдношенням напГвосей а/Ь або вГдношення середньо! довжини 1 до середнього дГаметру d :
,= 1/
(1)
МГкрооб'ем композиту Vk складають об'ем частинок V! а об'ем полГмерно! матрицГ - V0. РозподГл частинок наповнювача у показному макрооб'емГ носить статистичний однорГдний характер.
Задамо геометричну хаотичну структуру композиту статистично однорГдною Гзотропною Гндикаторною функцГею ф [13], яка приймае значення одинищ на вГдповГдних частинках наповнювача Г нуля у дГлянщ полГмерно! матрицГ [0;1]. Математичний опис властивостей Гндикаторно! функцГ! ф та !! середнього значення <Ф> приведенГ в [14-18]. Середне значення Гндикаторно! функцГ! <ф> дорГвнюе приведенГй (вГдноснш) об'емнГй концентрацГ! частинок наповнювача VI в об'емГ композиту Vк [13]:
<Ф> = V = У»>
(2)
де п = f, s - тип частинок.
1з умови ергодичностГ витГкае, що середнГ значення за об'емом швидкостей деформацш <еу> та напружень <а)> можна обчислювати за [12], використовуючи ш-тегрування за V.
Пластичш властивостГ композицГйного матерГалу визначае густина пружно! енергГ! деформування -дисипативна функцГя D*(<еij>) - мтмальне значення швидкостГ дисипацГ! енергГ!, вГднесено! до одиницГ об'ему для довГльно фГксованих середнГх значень <еу> [19, 20].
ВарГацГйне завдання визначення властивостей композиту можна сформулювати як умови екстремальнос-п дисипативно! функцГ! D*(е) на множинГ статистично однорщних полГв [12, 13, 19, 20].
З умов пластичностГ МГзеса витГкае: • для матрицГ
для частинок наповнювача
(3)
(4)
де т0, Т1 - межа пластичностг пщ час зсуву матрицг та наповнювача вГдповГдно.
Дисипативну функцГю у будь-якш точцГ об'ему можна представити у виглядГ:
О = ^ е^
де
е,
= [Т о(1 -Ф)+Т1Ф^£,г
(5)
(6)
Використовуючи методику [12], можна знайти точ-не мтмальне значення дисипативно! функцГ! D*:
в
"У (£::
^ Ш1П.
(7)
При такому пщход1, використовуючи вар1ацшний метод [21], за [12, 19] знаходять р1зницю пластичност при зсув1 композицшного матер1алу в залежност вщ концентрацп наповнювача з абсолютно жорсткими сферичними [12] та пластинчастими [22] частинка-ми. Застосовуючи розроблений математичний апарат [12, 13, 19-23], знайдемо шш1 характеристики композиту з бшарним наповнювачем у вигляд1 сферичних 1 елшсоТдних частинок, як1 необхщш для розрахунюв зносостшкосп 1 вибору складу композиту.
3. Характеристики властивостей полiмерного композиту
Розглянемо трикомпонентний композицшний матер1ал як складну 1ерарх1чну структуру [5], яка роздшена на р1вш:
• перший р1вень - матричний конгломерат, який складаеться 1з пол1мерноТ матриц та статистич-но однорщно розподшених у нш елшсоТдних частинок;
• другий р1вень - структура композиту, яка складаеться з матричного конгломерату (пер-шого р1вня), в якому статистично однорщно розподшеш сферичш частинки.
Для спрощення анал1тичних залежностей приймаемо, що сферичш частинки абсолютно жорстю (це припущення ф1зично коректно, тому що, напри-клад, для сферичних частинок порошку карбщу титану 1 пол1мер-матриш пол1тетрафторетилен вщношення твердостей Нs/Нo = 700). Можна знехтувати впливом коефщ1ента Пуассона на макровластивост композиту 1з сферичними частинками, прийнявши його значення 0,5.
Тод1, використовуючи [22], отримаемо для другого р1вня структури композиту сшввщношення показниюв пружних (Ек) I пластичних (тк) властивостей композиту:
1 +
1 - V
тп+2У
(8)
(9)
де VS; У{ - об'емна частка сферичних та елшсоТдних (О частинок вщповщно, сшввщношення м1ж якими задаеться виразом:
У + V + Уо = 1,
де V0 - об'емна частка пол1мерноТ матрица
Використовуючи принцип в'язкопружноТ аналоги Вольтерра [12], отримуемо сшввщношення для в'язкост (пк) композиту другого р1вня структури:
Лк =Л1
1 +
■ У
1 - У
(10)
У виразах (8) - (9) Е1, т1, п1 - модуль пружност1, межа пластичност1 при зсув1 1 в'язюсть матричного конгломерату першого р1вня вщповщно.
Розглянемо двокомпонентну структуру першого р1вня. Використовуючи [12], знайдемо:
+ (0! -1) У ,
1+
1-У +
Б1 - Ео,
(11) (12)
Внаслщок в'язкопружноТ аналоги Вольтерра [12] вираз для в'язкост композиту отримуемо замшою в (12) значень модул1в пружност1 коефщ1ентами в'язкост (з урахуванням умови П1 ^ тобто приймаемо, що ча-стинки наповнювача не повзуть):
4
Л: =ЛС
1 + -
1 - У
(13)
де Е0, т0, п0 - модуль пружност1, межа пластичност1 при зсув1 1 в'язюсть пол1мерноТ матриц вщповщно.
Теоретичш залежност вщносного модуля пружност Ек/Е0 трикомпонентного композиту вщ об'емноТ частки елшсоТдних ^^ 1 сферичних (Vs) частинок, приведен на рис. 1а, вщносно'Т в'язкост Пк/П0 трикомпонентного композиту, приведена на рис.1б, а вщносно'Т твердост1 Нк/Н0 трикомпонентного композиту, приведена на рис. 2.
Рис. 1. Залежнють вiдносного модуля nружностi Ек/Е0 (а) та вiдносноT в'язкостi пк/п0 (б) трикомпонентного композиту вщ об'емного вмiсту сферичних (Vs) та елтсо'Тдних (Vf) частинок наповнювача
Рис. 2. Залежнють вщносно'Т твердостi Нк/Но трикомпонентного композиту вiд об'емноТ частки сферичних (Vs) та елтсо'Тдних (Vf) частинок наповнювача
4. Bибiр критерда оптимiзащi
Для вибору критерда оптимiзацii, який надiйно може дати ощнку зносостiйкостi наповнених полiме-рiв, необхiдно брати характеристики композиту, як надiйно визначаються за характеристиками вихщних компонентiв. Критерii гранично допустимого зносу композиту повинш характеризувати початковi прояви процесу катастрофiчного зношування (наприклад, те-кучостi, гранично'i деформацii), яю передують повному руйнуванню композиту [7, 8]. Таким чином, у зв'язку з таким широким тлумаченням критерш граничного стану i зношування, практично неможливо охаракте-ризувати його з достатшм ступенем визначення.
Дослщження [8, 24] показують на особливi межi пластичностi композитiв у залежностi ввд концентрацп наповнювачiв: лiнiйний характер залежност (для ви-падку пластичного стану частинок наповнювачiв) або закону квадратного кореня (для випадку жорсткого стану частинок). У загальному випадку [24] необхщно визначити чотири дшянки на кривих деформування композиту:
• матриця i частинки наповнювачiв деформу-ються пружно;
• матриця деформуеться пластично, частинки -пружно;
• матриця i частинки деформуються пластично;
• один з компонента починае руйнуватися.
Вiд концентрацп наповнювачiв залежить поступ руйнацп композиту, який е наслщком руйнацп одного iз компонентiв. Для випадку, коли елшсощш частинки руйнуються, використаемо метод, який (за аналопею з теорiею пружних композита) приводить до виразу:
Нк - Н0
1 +-
1
1 - V
(14)
Приймемо, що деформащя та в'язкiсть полiмерноi матрицi i композиту в цiлому пов'язанi сшввщношеннями:
Теоретичнi Е.
«0 -Ь
По
а к
П
залежностi
вiдносного
пружностi — i вiдносноi деформацii а
Ло.
(15)
модуля триком-
понентного композиту вщ об'емного вмiсту елшсощних
i сферичних VS частинок наповнювача наведенi на рис. 3.
Аналiз результатiв теоретичного дослiдження (рис. 3) вказуе на те, що iз зростанням об'емного вмюту елшсощних частинок в полiмернiй матрицi трикомпо-нентного композиту зносостшюсть повинна спочат-ку збшьшуватися, при цьому характер зношування вщповдае руйнацii волокон, якi приймають на себе ос-новне навантаження, «спрацьовуючи» енергiю руйнацii. Потiм, тсля досягнення критичних концентрацiй, про-цес зношування буде вщповдати висмикуванню не-зруйнованих волокон з матрицi, що може приводити до зменшення зносостшкость Аналогiчнi ефекти будуть пов'язанi не лише з концентращями наповнювачiв, а
й з природою полiмерноl матрищ, природою та текстильною формою наповнювачiв, напрямкiв шарiв тканини або шарiв волокон, самих волокон цих тек-стильних форм вiдносно поверхш тертя, вектора швидкостi ковзання та напрямюв пресування зразка i напрямку нормального навантаження на зразок, схеми фрикцшного контакту, форми зразюв, умов випробу-вань - величин питомих i нормальних навантажень, швидкостi ковзання, температури поверхш тертя, шляху (часу) випробувань тощо. Поверхш зразюв тертя, металевих спряжених поверхонь i вуглецевих волокон дослщжували на растровому електронному мжроскош РЕМ-200 iз здатшстю до розв'язання об'екту 30-50 нм та збшьшенням вiд 20 до 26000.
На рис. 4 приведено фото поверхш карбокомпозиту (х2750) (по сталевш поверхш) на основi полггетраф-торетилену + 20 % УТМ-8 [схема контакту: втулка на площиш; Р = 1,3 МПа (^ = 300 Н), V = 0,9 м/с; Т = 600 К; 8 = 42 км].
Зниження рiвня зароджування та штенсивносп розвитку трщини можна досягнути або за рахунок збшьшення напруження формування И критичного зародку, або за рахунок гальмування розвитку закри-тично! трщини, або обох процеав одночасно.
Рис. 3. Залежнiсть вiдносного модуля пружносп Ек/Е0 (1-6) та вщносноТ деформацií 6к/60 (1'-6') трикомпонент-ного композиту вщ об'емноТ частки сферичних VS частинок при об'eмнiй частц елiпсоТдних частинок Vf : 1,1' - 0; 2,2' - 0,05; 3,3' - 0,10; 4,4'-0,15; 5,5'-0,20; 6,6'-0,25
Рис.4. Електронна свiтлина поверхш тертя карбопластику
Перший ефект досягаеться за рахунок введення високодисперсних частинок (модель - сферичш частинки) порошюв твердих речовин вузько! фракцii, а другий - за рахунок введення коротких волокон (модель - елшсощш частинки) з широким об'емним (масовим) розподшом за законом Вейбулла або гамма-
розподГлом за довжинами i значною часткою волокон малоТ довжини [25].
Узгодження пружних i пластичних властивостей Г в1дпов1дно, максимальноТ зносостiйкостi композиту досягаеться при певному оптимальному вмiсту напо-внювача. Зг1дно рис.3, в1дносний модуль пружносп збiльшуеться, а в1дносна деформацiя зменшуеться при зростаннi Vf i Vs. Серед розрахункових параметрiв зносостшкосп вибираемо в'язкiсть матерiалу п i модуль пружностi п1д час розтягу Е, використовуючи методи теорГТ розмiрностей, в умовах, коли змiнюеться тшьки п i Е. Оск Гльки зовнiшнi силовi параметри сталi, то вик лю-чення Тх розмiнностей досягаеться вГдношенням п/Е, яка мае розмiрнiсть часу ([Па^с]/[Па]=[с]). В1дношення динамiчноТ в'язкосп до модуля пружностi назвемо критерiем узгодження пластичних та пружних властивостей (критерiем еквiвалентностi пружного стану = критерш зносноТ стiйкостi):
Т = Д
Е'
що мае фiзичний змiст часу релаксацГТ напружень.
Для виключення розмшностей з критерiю узгодження та зносостшкосп використаемо поняття вГдносних характеристик:
Т
Ло
л.
у
1 = = = Ь>
^о II V
при наборi довжин I = 0 - 3500 мкм з основною фракц iею I = 20 - 200 мкм.
ВихГдш порошки мали таю розмiри частинок: 0-1000 мкм титан карбГду, - 0-1200 мкм алюмшГй оксиду. За технолопею [25], використовуючи ситовий класи-ф1катор, отримували вихГдт порошки для мжроаналГза-тора вузьких фракц1й 50-63 та 40-50 мкм. Мжропорошки бiльш вузькоТ фракцГТ отримували iз ситових порошкiв.
ДослГдження зношування зразкiв карбопластикiв проводили на машиш тертя 2070 СМТ-1 по схемi «вал-часткова вкладка» при навантаженш 1,5 МПа, швид-косп ковзання 0,5 м/с протягом 3 годин. КонтртГло - ролик, виготовлений зi сталi 45 (НЯС 40-45), шор-сткiсть поверхнi Яа = 0,67-0,70 мкм. В процеа випро-бувань фiксували температуру в кшщ тертя i ваговий знос полiмерних зразкiв. Вимiрювалася вага зразка з точтстю 0,0002 г на аналГтичних терезах АДВ-200А, i через густину, яка була визначена гГдростатичним методом, розраховувалася об'емна питома штенсивтсть (16) зношування [мм3/Н-м] матрицi 1о i композиту 1к i, вГд-пов1дно, об'емна питома зносостiйкiсть 10/1к.
Мiцнiсть ар та в1дносне подовження б пгд час розтягу визначали зггдно ГОСТ 11262-80, мщтсть пгд час стиску ас - ГОСТ 4651-82, густину р визначали згГдно ГОСТ 15139-80. Мiцнiсть тд час розтягуван-ня оцiнювали на зразках у виглядi кiлець дiаметром dз=50 мм, db = 40 мм i висотою Ь = 10 мм. Мехатчш випро-бування проводили на машиш «1нстрон» iз швидкiстю руху повзуна 0,25 см/хв. Перед випробуванням зраз-ки кондицюнували 24 год. за температури 296±1 К i вiдноснiй вологостi 65±2%. Досл1дження проводили за температури 296±1 К i вiдноснiй вологостi 65±2%.
(17)
(18)
де т - вГдносний критерш узгодження пружних та пла-стичних властивостей композиту;
Т0, Тк - критерГТ узгодження пружних та пластичних властивостей полiмерноТ матриц г композиту вГдповГдно;
.Ь, Jk - зносостГйкГсть полГмерноТ матрицГ Г композиту вГдповГдно;
10, 1к - ГнтенсивнГсть (або питома штенсивтсть) зношування полГмерноТ матрицГ Г композиту вГдповГдно;
j - вГдносна зносостГйкГсть композиту.
5. Експериментальна частина
Так як зношування е складним багатофакторним процесом, то при проектуванн зносостГйкого карбо-пластика (пГд час технолопчних операцГй) в композит вводили три компоненти, яю мали до краю рГзш властивостГ.
У вГдносно в'язку Г м'яку полГмерну матрицю полГтетрафторетилену вводили низькомодульнГ середньоТ твердостГ вуглецевГ волокна УТМ-8 та високотвердГ високомодульнГ кулястГ частинки титан карбГду або алюмГнГй оксиду.
ВуглецевГ волокна мали об'емний (масовий) розподГл за гамма-законом за довжинами з параметрами \ = 0,005 - 0,045 мкм-1, 9 = 1,0 - 2,55, отриманих Гз вихГдних вуглецевих волокон, розподГлених за довжинами за тим же законом з параметрами розподГлу \ = 0,002-0,04 мкм-1, 9 = 0,5-2,5, щшьтсть ймовГрностей розподГлу в обох випадках Р2(1) = (0,2 - 6, 0)10-3 мкм-1
6. Результати та обговорення
Результати теоретичного дослГдження вГдношення критерГТв узгодження полГмерноТ матрицГ Г композиту в залежностГ вГд вмГсту волокнистого Г сферичного на-повнювача показанГ на рис. 5. 1з рис. 5 видно, що для спГввГдношення Т0/Тк Гснують екстремуми - критичнГ концентрацГТ наповнювача, перевищення яких повинно викликати погГршення протизносних характеристик композиту Г, вГдповГдно, зниження зносостшкостГ Для вГдносноТ зносостГйкостГ композиту також Гснують екстремальнГ концентрацГТ (рис. 5).
Наявшсть екстремуму у сшввщношеннях в'язкопружних показникГв властивостей композиту, в залежностГ вГд вмГсту наповнювачГв, дозволяе оцГнити дГлянку граничноТ стГйкостГ композиту (рис. 6): всГ екстремальнГ значення зносостГйкостГ знаходяться нижче Г лГвГше значень критерГю узгодження.
Пропонуеться наступна стратегГя розробки композицГйного матерГалу [26], здатного працювати у вузлах тертя. З умов експлуатацГйноТ надГйностГ створеного матерГалу в конструкцГях вузлГв тер-тя вибираеться концентрацГя наповнювача, який забезпечуе необхГдне значення показникГв фГзико-механГчних властивостей. За спГввГдношенням п/Е визначають: зростае чи спадае функцГя Т0/Тк ~ / (Vf, Vs) в залежностГ вГд вмГсту наповнювачГв. Значення концентрацГТ наповнювачГв, що не досягла критичних точок, характеризують зростання зносноТ стГйкостГ на-повнених полГмерГв внаслщок виконання умов [8].
о
Е
к
2.4
2,1 1,8
1.5 !<2 0,9 0.6
0 0,1 0.2 0,3 IM Vs
Рис.5. Залежнють вщносноТ зносост1йкост1 1о/Iк (1-8) при нормальному навантаженш N = 50 Н на зразок та вщносного критер1ю узгодження пластичних та пружних властивостей То/Тк (3' - 5',7') трикомпонентного композиту на основ1 ПТФЕ в1д об'емноТ частки порошку карбщу
титану (Vs) при об'емшй частц1 вуглецевого волокна УТМ-8 (Vf ): 1 - 0; 2 - 0,05; 3,3' - 0,10; 4,4'-0,15; 5,5'-0,20; 6-0,25; 7,7'-0,30; 8 - 0,35
Використовуючи розроблений метод 1 критерш Т0/ Тк, оптим1зована зносостшка композиц1я на основ1 ПТФЕ [25].
При розробщ зносостшкого матер1алу, якщо за умовами експлуатацп вимагаеться бшьший вмют наповнювач1в, який забезпечуе бшьш висок показни-ки ф1зико-мехашчних властивостей, але тягне за собою зниження зносно'! стшкост композиту, необхщно або змшити природу наповнювач1в, або використовува-ти матрицю шшо! природи. З щею метою у матер1ал пол1мерно! матриц вводили волокнистий наповню-вач у форм1 волокна, нитки, пасми ниток 1 трубочок (порожшх волокон) з утовщеннями, як виконаш у форм1 вузл1в, петель та вусикв [27].
7. Висновки
1. Використовуючи вар1 ацшний метод, задання геометрично! структу-ри композиту шдикаторною функщею 1 визначаючи його властивост пошуком екстре-муму дисипативно! функцИ - густини пружно! енергп деформування, отримаш математичш вирази для розрахунку модуля пружност1, меж1 пластичност та в'язкост композиту за вщповщними властивостями наповнювач1в, змодельованими елшсо1дними та сферични-ми частинками.
У математичну процедуру оптим1зацп складу композиту введений новий базовий критерш зносно! стшкост - параметр узгодження пластичних 1 пружних властивостей - вщношення динам1чно! в'язкост до модуля пружность Запропонована модель 1 стратепя пошу-ку оптимального складу трикомпонентного пол1мерного композиту.
Рис. 6. Граничне стввщношення вм1сту сферичних (Vs) i елтсоТдних (Vf) частинок у пол1мерному композит] за критер]ем узгодження (1,1') та за вщносною зносост]йк]стю (2-5) при нормальному навантаженш на
зразок (Н): 2 - 20; 3 - 50; 4 - 105; 5 - 160
2
3
Л^ература
1. Будник, А.Ф. Разработка абразивостойкого трехкомпонентного композитного материала на основе политетрафторэтилена [Текст] : дис. ... канд. техн. наук / А.Ф. Будник. - Киев, 1993. - 132 с.
2. Будник, А.Ф. Пути повышения абразивной стойкости наполненных полимеров [Текст] / А.Ф. Будник // Тез. докл. III Все-союзн. науч.- техн. конф. «Композиционные полимерные материалы - свойства, производство и применение». - М., 1987. -С. 79-83.
3. Сиренко, Г.А. Антифрикционные карбопластики [Текст] / Г.А. Сиренко. - Киев : Техника, 1985. - 195 с.
4. С1ренко, Г.О. Створення антифрикцшних композитних матер1ал1в на основ1 порошюв термотривких пол1мер1в та вуглеце-вих волокон [Текст] : дис. ... докт. техн. наук / Г.О. С1ренко. - Кшв, 1997. - 431 с.
5. Дудукаленко, В.В. Выбор структуры трехфазного карбопластика для износостойких уплотнений [Текст] / В.В. Дудукаленко, С.П. Шаповалов, А.Ф. Будник // Сб. науч. трудов «Химическое машиностроение: расчет, конструирование, технология». -Киев, 1992. - С. 94-100.
6. Шаповалов, С.П. Разработка новых структур износостойких композитов, применяемых в узлах трения [Текст] / С.П. Шаповалов, А.Ф. Будник // Тез. докл. респуб. науч.- техн. конф. «Материалы и упрочняющие технологии - 92». - Курск, 1992. -С. 117-124.
7. Крагельский, И.В. Основы расчетов на трение и износ [Текст] : учеб. / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. -М. : Машиностроение, 1977. - 526 с.
8. Кузьмин, А.А. О выборе критериев оценки герметизирующей способности полимерных материалов [Текст] / А.А. Кузьмин, А.С. Тимощук // Рук. деп. в НИИТЭХИМ №465. - ХП-Д-81. - С. 3-10.
9. Fridrich, K. Wear of reinforced polymers by different abrasive counterparts [Текст] / K. Fridrich // Friction and wear polymer composites. - Amsterdam e.a., 1986. - pp. 233-287.
10. Tpение, изнашивание и вмазка ^екет] : еправочник / B.B. Алиеин, А.Я. Алябьев, A.M. Архаров и др. ; под ред. ИЛ. Храгель-екого, B.B. Алиеина. - T. 1. - M. : Mашиноcтpоение, 1978. - 4QQ c.
11. Tpение, изнашивание и емазка [Tекcт] : еправочник / B.B. Алиеин, А.Я. Алябьев, АМ. Архаров и др. ; под ред. ИЛ. ^атсл^ екого, B.B. Алтеина. - T. 1. - M. : Mашиноcтpоение, 1979. - 358 c.
12. Дудукаленко, B.B. О плаотичеоких овойотвах материала, оодержащего пластинчатые включения ^екст] / B.B. Дудукаленко, Н.Н. Льгсач // Изв. АН СССР. - Сер. MTT. - №1. - 1980. - С. 1Q3-1Q9.
13. Дудукаленко, B.B., Шаповалов, С.П. ^е^т] // Применение композиционных материалов на полимерной и металличе^ой матрицах. - Пермь, 1985. - С. 23-24.
14. Bолков, С.Д. ^ати^иче^ая механика композитных материалов ^е^т] : учеб. / С.Д. Bолков, B.H Ставров. - M^ : Изд-во БГУ, 1978. - 207 c.
15. Дудукаленко, B.B. Оптимальное ^пользование аэбственной прочности волокон в композитах c пластиче^ой матрицей ^кст] / B.B. Дудукаленко. - Сумы : СФ ХПИ, 1990. - С. 1-10.
16. Соколкин, ЮЛ. Mеханика деформирования и разрушения структурно неоднородных тел ^е^т] : учеб, потбие / ЮЛ. Со-колкин, А.А. Tашкинов. - M. : Изд-во «Наука», 1984. - 115 c.
17. Hаshin, Z. Analysis of composite materials a survey ^кст] // Trans. ASME: J. Appl. Mech. - Vol. 50. 1983. - №3. - pp. 481-505.
18. Kerner, E.N. The electrical conductivity of composite materials ^е^т] // Proc. Phys. Soc. - № 69B. - 1956. - pp. 802-807.
19. Дудукаленко, B.B., BA. Mинаев ^кст] // Изв. АН СССР. - Сер. ПMM. - T.34. - Bbm. 5. - 1970. - С. 942-944.
20. Ивлев, Д.Д. Mеханика плаcтичеcких €ред ^е^т]. T. 1. Tеоpия идеальной пластичности : учеб, пошбие / Д.Д. Ивлев. - M. : ФИЗMATЛИT, 2QQ1. - 448 c. - ISBN 5-9221-0140-4.
21. Болотин, B.B. Некоторые вопрос механики композитных полимерных материалов ^екст] / B.B. Болотин // Mеханика полимеров, №1. - 1975. - №1. - С. 126 - 133.
22. Дудукаленко, B.B. О пластичности композиционного материала, €одержащего бферичебкие включения ^е^т] / B.B. Дудукаленко, B.B. Mешков // Изв. АН СССР. - Сер. MTT. - №5. - 1983. - С. 109-112.
23. Левин, B.M. ^кст] // Изв. АН СССР. - Сер. MTT. - №6. - 1976. - С. 137-145.
24. Юэттрел, А. Прочность материалов ^е^т] / А. Юэттрел // Mеханичеcкие отой^та новых материалов. - M. : Mnp, 1996. - С. 7-20.
25. Ах. 1635523 СССР, M^ CQ8J5/16 ; CQ8L27/18 ; С08Ю3/00. Антифрикционный материал ^кст] / Г.А. Сиренко, А.Ф. Буд-ник, T.M. Сорокин, ЛЖ. ^ртенк^, BÄ Ящук. (Украина). - № 4607772 ; заявл. 26.09.88; зареестр. в Гобреестре изобр. 15.11.90.
26. Сиренко, Г.А. Стратегия «издания абразивостойкого композиционного материала, €моделированного бферичебкими и эллипшидными частицами ^екст] / Г.А. Сиренко, А.Ф. Будник. // Сб. науч. трудов «Управление триботехничежими и прочностными гаойствами механиче^их cиcтем. - ^ев, 1990. - С. 20-26.
27. Ах. 1467893 СССР, MKИ B32B3/12 ; DQ4C5/QQ ; F16C33/12. Антифрикционный материал ^кст] / Г.А. Сиренко, TM. Сорокин, А.Ф. Будник, AM. Сиренко (Украина). - № 4Q5Q632 ; заявл. 07.04.86 ; зареестр. в Гобреестре изобр. 01.02.88. - Бюл. № 20.
Запропоновано комбгнований метод фтшног обробки деталей з використанням енерги ультразвукових коливань та лазерного випромгнювання як з оплавленням та I без оплавлення поверхт. Визначено змти рельефу та мгкротвердостг поверхневого шару детали {з бронзи, в залежностг в1д мпульсних лазер-но-ультразвукових джерел енерги
Ключовг слова: поверхневий шар, лазер-на обробка без оплавлення поверхт, лазерна
обробка з оплавленням поверхт
□-□
Предложен комбинированный метод финишной обработки деталей с использованием энергии ультразвуковых колебаний и лазерного излучения как с оплавлением так и без оплавления поверхности. Определены изменения рельефа и микротвердости поверхностного слоя детали из бронзы, в зависимости от импульсных лазерно-ультразвуковых источников энергии
Ключевые слова: поверхностный слой, лазерная обработка без оплавления поверхности, лазерная обработка с оплавлением поверхности___
УДK 621.373.826
ВПЛИВ1МПУЛЬСНИХ ЛАЗЕРНО-УЛЬТРА-ЗВУКОВИХ ДЖЕРЕЛ ЕНЕРГИ НА ФОРМУ-ВАННЯ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ ДЕТАЛЕЙ
В. В. Д же м е л i н с ь к и й
Кандидат техшчних наук, професор* E-mail: vitaly.dzhemelinsky@gmail.com Д. А. Л ес и к
Астрант* E-mail: lesyk_d@ukr.net *Кафедра лазерноТ техыки та фiзико-технiчних технолопй Нацюнальний техшчний ушверситет УкраТни «КиТвський пол^ехшчний шститут» пр. Перемоги, 37, м. КиТв, УкраТна, 03056
