CC BY
37
ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ
УДК 621.01:691-419.8
Д. В. Козлов, И. С. Лось
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА СИСТЕМЫ ТИТАН-АЛЮМИНИЙ С ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИМ УПРОЧНЕНИЕМ
Аннотация. Выполнено компьютерное моделирование композиционного материала системы титан-алюминий с интерметаллическим упрочнением в условиях статического нагружения с применением пакета прикладных программ Л№УБ. Напряжения в армированном композите в упругой области близки к напряжениям в слоистом материале.
Ключевые слова: многослойные материалы, интерметаллиды, армирование, метод конечных элементов.
Введение
Одной из актуальных задач материаловедения является задача разработки композиционных материалов, сочетающих высокие показатели прочности, пластичности и вязкости, на основе легких сплавов. Наиболее перспективный путь решения указанной проблемы заключается в разработке слоистых композиционных высокопрочных материалов на основе сплавов титана и алюминия. Известно, что механизм разрушения композиционных материалов в значительной мере отличается от механизма разрушения монометаллов, что связано со сложной конфигурацией и различием свойств компонентов композитов [1]. В монометаллических материалах разрушение происходит по вязкому или хрупкому механизмам в зависимости от состава и структуры. В слоистых материалах распространению трещины препятствуют границы раздела слоев. Снижение скорости распространения трещины достигается за счет наличия в структуре слоев с различными показателями вязкости. При статическом и динамическом воздействии на границах раздела наблюдается локальное расслоение, характер которого зависит от условий нагружения, свойств и толщины слоев композита [1-3].
Достижение высокой прочности слоистых композитов на основе легких сплавов -титана, алюминия, магния - обеспечивается подбором материалов слоев из металлов, образующих интерметаллиды, и применением комплексной технологии, которая включает этапы соединения слоев, формообразования и термического воздействия. В результате формируется структура со сплошными упрочняющими интерметаллическими слоями. Однако полученные материалы характеризуются невысокой вязкостью [4].
Разработан композиционный материал, содержащий три слоя «титан + алюминий + + титан», в котором внутренний слой из алюминия имеет перфорацию. Соединение слоев достигается сваркой взрывом. За счет перфорации получается гибрид - слоистый армированный композит, в котором создаются условия для синтеза упрочняющих интерметаллических элементов в виде локальных образований [5]. Таким образом, часть поперечного сечения композита содержит три слоя, а часть - соединение «титан + титан». На свойства разработанного материала влияют многие факторы: толщина слоев титана и алюминия, размеры, форма и геометрия расположения отверстий в перфорированном листе, толщина и состав слоя интерметаллических элементов.
В этих условиях эффективным методом изучения особенностей поведения разработанного композиционного материала при статическом и динамическом нагружении является компьютерное моделирование. Варьирование параметров моделирования -таких, как состав, геометрические размеры слоев и упрочняющих элементов, скорости и диапазон нагружения - позволяет осуществлять поиск рациональных решений с наименьшими затратами.
Целью настоящей работы является изучение напряженно-деформированного состояния в упругой области разработанного композиционного материала системы титан-алюминий с локальными интерметаллическими элементами в сравнении со слоистым материалом со сплошным интерметаллическим слоем.
Материалы и методы
По технологии сварки взрывом сварены листовые полуфабрикаты из титана марки ВТ1-0 толщиной 2 мм и алюминиевого сплава марки АМг5М толщиной 1 мм. Использована схема с параллельным расположением элементов. Перфорация в среднем листе имела шахматное расположение в виде отверстий диаметром 10 мм и межосевым расстоянием 20 мм [6, 7]. Такая конфигурация в наибольшей степени обеспечивала перераспределение внутренних напряжений и создание условий для анизотропии свойств. На рис. 1 показана макроструктура композиционного материала в поперечном направлении после сварки взрывом.
^^ 1 2
Рис. 1. Макроструктура композиционного материала: 1 - титан ВТ1-0; 2 - алюминий АМг5М
Методом рентгеноспектрального анализа установлено, что при термическом воздействии на межслойной границе ВТ1-0 + АМг5М формируется преимущественно соединение Т1Л1э в виде слоя толщиной 90-100 мкм [8].
В табл. 1 представлены физико-механические характеристики компонентов композиционного материала [3].
Таблица1
Физико-механические характеристики компонентов
Материал Временное сопротивление Ов, МПа Предел текучести От, МПа Модуль упругости E, ГПа Коэффициент Пуассона д Плотность р, кг/м3
ВТ1-0 345,0 220,0 105,0 0,34 4510
АМгбМ 275,0 205,0 70,0 0,33 2690
Т1Л1з 1200,0 980,0 235,0 0,17 3300
Расчет напряженно-деформированного состояния композиционных материалов осуществляли в программном комплексе ANSYS с применением решателя Mechanical APDL. В ANSYS используется модульная интерактивная среда Workbench. Основной функцией данной подсистемы является упрощение и ускорение постановки и решения задачи за счет унификации модулей, таких, как Mechanical APDL, LS-DYNA, Autodyn. Это
позволяет производить расчеты механики твердого тела с учетом нелинеиности свойств материалов, пластичности и контактного взаимодействия, решать задачи нелинейных динамических процессов в одной платформе [9].
Для построения моделей слоистого армированного и слоистого материалов использовали метод конечных элементов. Расчет выполняли со следующими допущениями:
- задача решается в двумерной проекции;
- поведение материалов ограничивается упругой областью;
- геометрия материала с локальным расположением интерметаллидов упрощена;
- гравитация отсутствует;
- критерии разрушения отсутствуют;
- присутствует только интерметаллид Т1Л1э;
- температурные эффекты не учитываются.
На рис. 2, 3 представлена геометрия образцов с локальным расположением интер-металлидов и со сплошным слоем интерметаллидов соответственно.
Рис. 2. Геометрия образца с локальным расположением интерметаллидов
1 , /
1 ч
] <5? 1 о\ 60,0
ВТ1-0
■ Т1А1;
АМг5М
■ Т1А1=
ВТ1-0
Рис. 3. Геометрия образца со сплошным расположением интерметаллидов
Сетки для образцов обоих видов имели следующие размеры: в зонах сплавов ВТ1-0 и АМг5М размер элемента составлял 0,1 мм, в зоне интерметаллидов - 0,0125 мм. Количество узлов модели образца с локальным расположением интерметаллидов составляло 129800, модели образца со сплошным расположением интерметаллидов -202300.
Результаты и обсуждение
Нагружение образцов длиной 60 мм проводили путем приложения сосредоточенной нагрузки по центру. Образцы имели шарнирное закрепление. На рис. 4 представлена схема нагружения образцов. Критерием выбора абсолютного значения нагрузки являлось достижение напряжений, сопоставимых с пределом текучести в основном элементе композиционных материалов - сплаве ВТ1-0. Предварительные расчеты проводили при варьировании нагрузки в диапазоне 10-12 МПа.
Рис. 4. Схема нагружения образца
В результате расчетов получены эпюры распределения напряжений и общего перемещения при нагрузке 11 МПа, представленные на рис. 5-8. На рис. 5, 6 приведены эпюры общего перемещения образцов с локальным расположением интерметаллидов и со сплошным расположением интерметаллидов соответственно. На рис. 7, 8 представлены эпюры распределения эквивалентных напряжений в указанных образцах.
Рис. 5. Эпюра распределения общего перемещения образца с локальным расположением интерметаллидов
Рис. 6. Эпюра распределения общего перемещения образца со сплошным расположением интерметаллидов
Рис. 7. Эпюра распределения эквивалентных напряжений в образце с локальным расположением интерметаллидов
Рис. 8. Эпюра распределения эквивалентных напряжений в образце со сплошным расположением интерметаллидов
Анализ эпюр образцов с локальным и со сплошным расположением интер-металлидов показал, что максимальные перемещения (общий прогиб) в обоих образцах наблюдались в зоне приложения нагрузки. При этом перемещения в образце с локальным расположением интерметаллидов (общий прогиб) - на 15 % выше. Сравнение эпюр эквивалентных напряжений позволило сделать вывод о том, что при приложении нагрузки в зонах сжатия и растяжения достигались напряжения, сопоставимые с пределом текучести сплава ВТ1-0 (220 МПа). Так, эквивалентные напряжения в зонах сжатия образцов с локальным и со сплошным расположением интерметаллидов составили 231,9 МПа и 226,6 МПа соответственно. Расхождение значений не превышало 16 %.
В целом эпюры эквивалентных напряжений и общих перемещений весьма схожи, что объясняется близким поведением материалов в упругой области. Дальнейшее исследование напряженно-деформированного состояния должно включать расчет напряженно-деформированного состояния в области пластической деформации.
Выводы
Построены модели композиционных слоистых материалов с локальным и сплошным расположением интерметаллидов с применением программного комплекса ANSYS. Выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния в упругой области для обоих материалов. Установлено, что сплошность упрочняющей интерметаллической прослойки незначительно влияет на значения эквивалентных напряжений и общих перемещений.
Сформулирована задача дальнейшего этапа исследований - изучение поведения композиционных слоистых материалов с локальным и сплошным расположением интер-металлидов при нелинейном поведении материалов в условиях статического и динамического нагружения.
Авторы статьи выражают благодарность д.т.н., профессору, заведующему кафедрой «Теоретическая и прикладная механика и графика» Муйземнеку А. Ю.
Библиографический список
1. Kenneth, S. V. Synthetic Multifunctional Metallic-Intermetallic Laminate Composites / S. V. Kenneth // JOM. - Vol. 57 (3). - UC San Diego 2005-03-01. - P. 25-31.
2. Nesvadba, P. Explosive welding for preparation of multilayer materials. Shock-assisted synthesis and modification of materials / P. Nesvadba. - Moscow : TORUS PRESS Ltd, 2006. - P. 82-92.
3. Павлюкова, Д. В. Структура и механические свойства слоистых материалов на основе титана и алюминия по технологии сварки взрывом и дополнительной термической обработки : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Павлюкова Д. В. - Новосибирск, 2011. - 20 с.
4. Трыков, Ю. П. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов / Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, В. Г. Шморгунов. - М. : Металлургиздат, 2004. - 230 с.
5. Пат. 2522505 Российская Федерация, МКИ B32B7/04, B32B15/0, B23K20/08. Способ получения композиционного материала / Розен А. Е., Крюков Д. Б., Кирин Е. М., Гуськов М. С., Хорин А. В., Усатый С. Г., Любомирова Н. А. ; заявитель и патентообладатель: общество с ограниченной ответственностью Инженерно-технологический центр «Сварка». - Дата поступл.: 26.04.2013 ; дата регистрации: 20.05.2014.
6. Крюков, Д. Б. Особенности новых схем армирования композиционных материалов с интерметаллическим упрочнением / Д. Б. Крюков, А. О. Кривенков, С. Н. Чугунов, Д. В. Козлов // Известия Волгоградского ГТУ. - 2016. - № 10 (189). - С. 72-75.
7. Первухин, Л. Б. Металлические композиционные материалы, армированные интерметаллическими упрочняющими элементами / Л. Б. Первухин, А. Е. Розен, Д. Б. Крюков, А. О. Кри-венков, С. Н. Чугунов // Металлург. -2015. - № 10. - С. 74-77.
8. 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.
9. Программные продукты ANSYS. - URL: https://www.cadfem-cis.ru
Козлов Дмитрий Вячеславович, магистрант, Пензенский государственный университет. E-mail: kozlovdimanJe@yahoo.com
Лось Ирина Сергеевна, кандидат технических наук, доцент, кафедра «Сварочное, литейное производство и материаловедение», Пензенский государственный университет. E-mail: silverelk@yandex.ru
УДК 621.01:691-419.8 Козлов, Д. В.
Расчет напряженно-деформированного состояния композиционного материала системы титан-алюминий с интерметаллическим упрочнением / Д. В. Козлов, И. С. Лось // Вестник Пензенского государственного университета. - 2018. - № 3 (23). - С. 82-87.
