С использованием критерия поврежденности выполнено исследование влияния напряженного состояния на деформационную способность алюмоматричного композита В95/10%SiC на примере обратного выдавливания типовой детали «стакан». Для оценки напряженно-деформированного состояния и поврежденности в процессе выдавливания вы-полнено моделирование процесса методом конечных элементов. Установлено, что для полу-чения качественного изделия необходимо осуществлять выдавливание в условиях всестороннего сжатия при околосолидусной температуре. Для экспериментальной проверки ре-зультатов моделирования спроектирован и изготовлен лабораторный штамп, особенностью которого является возможность регулирования величины сжимающих напряжений в процессе деформации. Получено бездефектное изделие при выдавливании. Установлено, что нагрев до околосолидусной температуры способствует разбиению первоначальной ячеистой струк-туры композита при внешнем нагружении.
Предпросмотр статьи
Идентификаторы и классификаторы
Алюминий и его сплавы наиболее часто используются при создании металломатричных композитов (ММК) в качестве материалов матрицы, которая усиливается различного рода наполнителями: частицами карбида кремния SiC [1–5], углеродных нановолокон, угле-родных нанотрубок, графена [6–8], керамическими частицами [9]. Композиты, как правило, производят горячим прессованием [10], литьем [1, 2, 11–13], различными видами спекания порошков [14–16]. Благодаря высокой теплопроводности и низкому коэффициенту термического расширения, высокой жесткости и прочности ММК обладают большим потенциалом применения в качестве конструкционного материала в электронной промышленности [17, 18], машиностроении [19], автомобильной и аэрокосмической промышленности [20–23].
Список литературы
1. Pramanik A., Basak A. K. Fracture and fatigue life of Al-based MMCs machined at different conditions // Engineering Fracture Mechanics. – 2018. – Vol. 191.– P. 33–45. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.01.013.
2. Huang S.-J., Ali A. N. Effects of heat treatment on the microstructure and microplastic deformation behavior of SiC particles reinforced AZ61 magnesium metal matrix composite // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 711. – P. 670–682. – DOI: 10.1016/j.msea.2017.11.020.
3. Study of mechanical characteristics of advanced aluminum–matrix composites reinforced with SiC and Al2O3 / Yu. A. Kurganova, A. G. Kolmakov, I. Chen, S. V. Kurganov // Inorganic Materials: Applied Research. – 2022. – Vol. 13. – P. 157–160. – DOI: 10.1134/S2075113322010245.
4. Structure, physical and mechanical properties of aluminum matrix composites reinforced with carbide particles / S. V. Gladkovskii, S. V. Petrova, T. S. Cherkasova, A. M. Patselov // Metal Science and Heat Treatment. – 2023. – Vol. 65. – P. 54–61. – DOI: 10.1007/s11041-023-00891-5.
5. Corrosion polarization behavior of Al–SiO2 composites in 1M and related microstructural analysis / N. Munasir, T. Triwikantoro, M. Zainuri, R. Bäßler, D. Darminto // International Journal of Engineering. – 2019. – Vol. 32 (7). – P. 982–990. – DOI: 10.5829/ije.2019.32.07a.11.
6. Multi-layer graphene reinforced aluminum – manufacturing of high strength composite by friction stir alloying / S. Dixit, A. Mahata, D. R. Mahapatra, S. V. Kailas, K. Chattopadhyay // Composites Part B: Engineering. – 2018. – Vol. 136. – P. 63–71. – DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.10.028.
7. 3D printing graphene-aluminum nanocomposites / Z. Hu, F. Chen, J. Xu, Q. Nian, D. Lin, Ch. Chen, X. Zhu, Y. Chen, M. Zhang // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 746. – P. 269–276. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.02.272.
8. Ogawa F., Masuda C. Fabrication and the mechanical and physical properties of nanocarbon-reinforced light metal matrix composites: a review and future directions // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 820. – P. 141542. – DOI: 10.1016/j.msea.2021.141542.
9. Ma J., Kang J., Huang T. Novel application of ultrasonic cavitation for fabrication of TiN/Al composites // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Vol. 661. – P. 176–181. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.11.159.
10. Diamond/aluminum composites processed by vacuum hot pressing: microstructure characteristics and thermal properties / Z. Tan, Z. Li, G. Fan, X. Kai, G. Ji, L. Zhang, D. Zhang // Diamond and Related Materials. – 2013. – Vol. 31. – P. 1–5. – DOI: 10.1016/j.diamond.2012.10.008.
11. Preparation of 6061 Al–Al2O3 MMC’s by stir casting evaluation of mechanical and wear properties / V. Bharath, M. Nagaral, V. Auradi, S. A. Kori // Procedia Materials Science. – 2014. – Vol. 6. – P. 1658–1667. – DOI: 10.1016/j.mspro.2014.07.151.
12. Mechanical and thermal properties of aluminum matrix composites reinforced by in situ Al2O3 nanoparticles fabricated via direct chemical reaction in molten salts / L. A. Yolshina, A. G. Kvashnichev, D. I. Vichuzhanin, E. O. Smirnova // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (17). – P. 8907. – DOI: 10.3390/app12178907.
13. Kumar D., Angra S., Singh S. Mechanical properties and wear behavior of stir cast aluminum metal matrix composite: a review // International Journal of Engineering. – 2022. – Vol. 35 (4). – P. 794–801. – DOI: 10.5829/ije.2022.35.04a.19.
14. Najimi A. A., Shahverdi H. R. Microstructure and mechanical characterization of Al6061-CNT nanocomposites fabricated by spark plasma sintering // Materials Characterization. – 2017. – Vol. 133. – P. 44–53. – DOI: 10.1016/j.matchar.2017.09.028.
15. Equilibrium composition variation of Q-phase precipitates in aluminum alloys / B. Chen, J. Shen, X. Ye, L. Jia, S. Li, J. Umeda, M. Takahashi, K. Kondoh // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 140. – P. 317–325. – DOI: 10.1016/j.actamat.2017.08.048.
16. Preparation and tensile properties of homogeneously dispersed graphene reinforced aluminum matrix composite / X. Gao, H. Yue, E. Guo, H. Zhang, X. Lin, L. Yao, B. Wang // Materials & Design. – 2016. – Vol. 94. – P. 54–60. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.01.034.
17. Synthesis and characterization of pure and graphene (Gr)-doped organic/polymer nanocomposites to investigate the electrical and photoconductivity properties of Au/n-GaAs structures / O. Çiçek, H. Uslu Tecimer, S. O. Tan, H. Tecimer, İ. Orak, Ş. Altındal // Composites Part B: Engineering. – 2017. – Vol. 113. – P. 14–23. – DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.01.012.
18. Synthesis and characterization of ZnO NWAs/graphene composites for enhanced optical and field emission performances / J. Liu, Z. Zhang, Y. Lv, J. Yan, J. Yun, W. Zhao, L. Kou, C. Zhai // Composites Part B: Engineering. – 2016. – Vol. 99. – P. 336–372. – DOI: 10.1016/j.compositesb.2016.05.036.
19. Bozkurt Y., Boumerzong Z. Tool material effect on the friction stir butt welding of AA2124-T4 alloy matrix MMC // Journal of Materials Research and Technology. – 2018. – Vol. 7 (1). – P. 29–38. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2017.04.001.
20. Zhang X., Chen Y., Hu J. Recent advances in the development of aerospace materials // Progress in Aerospace Sciences. – 2018. – Vol. 97. – P. 22–34. – DOI: 10.1016/j.paerosci.2018.01.001.
21. Design and materials development of automotive crash box: a review / N. S. B. Yusof, S. M. Sapuan, M. T. H. Sultan, M. Jawaid, M. A. Maleque // Ciência & Tecnologia dos Materiais. – 2017. – Vol. 29 (3). – P. 129–144. – DOI: 10.1016/j.ctmat.2017.09.003.
22. Hamza M., Mondal S. Effect of reinforcement with ceramic microparticles on structure and properties of composites with an aluminum matrix // Metal Science and Heat Treatment. – 2022. – Vol. 64 (3). – P. 163–166. – DOI: 10.1007/s11041-022-00778-x.
23. Adetunla А., Akinlabi Е. Fabrication of aluminum matrix composites for automotive industry via multipass friction stir processing technique // International Journal of Automotive Technology. – 2019. – Vol. 20 (6). – P. 1079–1088. – DOI: 10.1007/s12239-019-0101-0.
24. Cao T. S. Models for ductile damage and fracture prediction in cold bulk metal forming processes: a review // International Journal of Material Forming. – 2015. – Vol. 10 (2). – P. 1–33. – DOI: 10.1007/s12289-015-1262-7.
25. Богатов А. А, Мижирицкий О. И., Смирнов С. В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. – М. : Металлургия, 1984. – 144 c.
26. Bai Y., Wierzbicki T. A new model of metal plasticity and fracture with pressure and Lode dependence // International Journal of Plasticity. – 2008. – Vol. 24 (6). – P. 1071–1096. – DOI: 10.1016/j.ijplas.2007.09.004.
27. Xue L. Stress based fracture envelope for damage plastic solids // Engineering Fracture Mechanics. – 2009. – Vol. 76 (3). – P. 419–438. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2008.11.010.
28. Khan A. S., Liu H. A new approach for ductile fracture prediction on Al 2024–T351 alloy // International Journal of Plasticity. – 2012. – Vol. 35. – P. 1–12. – DOI: 10.1016/j.ijplas.2012.01.003.
29. Malcher L., Mamiya E. N. An improved damage evolution law based on continuum damage mechanics and its dependence on both stress triaxiality and the third invariant // International Journal of Plasticity. – 2014. – Vol. 56. – P. 232–261. – DOI: 10.1016/j.ijplas.2014.01.002.
30. Kolmogorov V. L., Shishmintsev V. F., Matveev G. A. Ultimate deformability of metals tensile-tested to failure under hydrostatic pressure // Physics of Metals and Metallography. – 1967. – Vol. 23 (1). – P. 170–171.
32. Rahmanifard R., Akhlaghi F. Effect of extrusion temperature on the microstructure and porosity of A356SiCp composites // Journal of Materials Processing Technology. – 2007. – Vols. 187–188. – P. 433–436. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.11.077.
33. Jia Y., Bai Y. Ductile fracture prediction for metal sheets using all-strain-based anisotropic eMMC model // International Journal of Mechanical Sciences. – 2016. – Vols. 115–116. – P. 516–531. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.07.022.
34. Vichuzhanin D. I., Khotinov V. A., Smirnov S. V. The effect of the stress state on the ultimate plasticity of steel X80 // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 1. – P. 73–89. – DOI: 10.17804/2410-9908.2015.1.073-089. – URL: http://dream-journal.org/issues/2015-1/2015-1_21.html
35. Ковка и штамповка : справочник : в 4 т. Т. 2. Горячая объемная штамповка / под общ. ред. Е. И. Семенова. – 2-е изд., перераб. и доп.– М. : Машиностроение, 2010. – 720 с.
36. A fracture locus for a 10 volume-percent B95/SiC metal matrix composite at the near-solidus temperature / D. I. Vichuzhanin, S. V. Smirnov, A. V. Nesterenko, A. S. Igumnov // Letters on Materials. – 2018. – Vol. 8 (1). – P. 88–93. – DOI: 10.22226/2410-3535-2018-1-88-93.
37. Structure and thermophysical properties of aluminum-matrix composites / N. B. Pugacheva, N. S. Michurov, E. I. Senaeva, T. M. Bykova // The Physics of Metals and Metallography. – 2016. – Vol. 117 (11). – P. 1144–1151. – DOI: 10.1134/S0031918X16110119.
38. A comparative study of cavitation characteristics in composite and 7475 aluminum alloy / H. Iwasaki, M. Takeuchi, T. Mori, M. Mabuchi, K. Higashi // Scripta Metallurgica et Materialia. – 1994. – Vol. 31 (3). – P. 255–260. – DOI: 10.1016/0956-716x(94)90279.
39. Mabuchi M., Higashi K., Langdon T. G. An investigation of the role of a liquid phase in Al Cu Mg metal matrix composites exhibiting high strain rate superplasticity // Acta Metallurgica et Materialia. – 1994. – Vol. 42 (5). – P. 1739–1745. – DOI: 10.1016/0956-7151(94)90384-0.
40. Грудев А. П., Зильберг Ю. В., Тилик В. Т. Трение и смазки при обработке металлов давлением. – М. : Металлургия, 1982. – 312 с.
41. Effect of heat treatment on the structure and phase composition of aluminum matrix composites containing silicon carbide / N. B. Pugacheva, I. Yu. Malygina, N. S. Michurov, E. I. Senaeva, N. P. Antenorova // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2017. – Iss. 6. – P. 28–36. – DOI: 10.17804/2410-9908.2017.6.028-036. – URL: http://dream-journal.org/issues/2017-6/2017-6_161.html
42. Pugacheva N. B., Senaeva E. I. Influence of Al/SiC composite structure on corrosion damages nature // AIP Conf. Proc. – 2016. – Vol. 1785. – P. 040049. – DOI: 10.1063/1.4967106.
Выпуск
Другие статьи выпуска
Методика ускоренных ресурсных испытаний применена к цифровому моделированию стендовых испытаний колтюбинговых труб. В пакете Ansys Mechanical сформированы конечно-элементные модели стенда и образца трубы. Расчетом кинетики напряженно-деформированного состояния образца получены петли неупругого гистерезиса для стабили-зированного цикла при ряде сочетаний эксплуатационных нагрузок: внутреннего давления, веса трубной плети, размера направляющего устройства. На этой основе построены карты состояний, связывающие параметры неупругого деформирования (знакопеременное пластическое течение, одностороннее накопление деформации на фоне знакопеременного пластического течения) с нагрузками. Использование карт состояний позволяет обоснованно спланировать программы реальных экспериментальных исследований для моделирования требуемого вида выхода колтюбинга из строя в условиях эксплуатации, что существенно сокращает временные, трудовые и материальные затраты.
Использование искусственных нейронных сетей в металловедении для решения задач анализа изображений, в частности сегментации или классификации микроструктур металлов, включает в себя 6 основных этапов: определение проблемы, составление набора данных, выбор модели, обучение модели, оценка модели, интеграция с существующим рабочим процессом. В статье подробно рассмотрены эти этапы, приводится пример их реализации для се-мантической сегментации микроструктур композиционных покрытий, содержащих крупные первичные карбиды. Выделение карбидов нейронной сетью позволяет автоматизировать процесс определения их объемной доли в структуре покрытий.
В работе выполнено исследование процесса переноса тепла в пористой среде с внутренними источниками тепла. Рассматривается модельный материал – пористая пластина с топологией трижды периодических минимальных поверхностей, образованная элементарными ячейками типа Фишера – Коха S. В статье приведены результаты решения краевой за-дачи теплопроводности в тонкой пластине при симметричных граничных условиях первого рода. С использованием разработанного численно-аналитического метода получено простое по форме решение задачи с учетом топологических особенностей материала. При определении коэффициентов переноса и теплофизических свойств исследуемой области использованы методы вычислительной гомогенизации среды на основе CAE-моделирования в программном комплексе Ansys. В статье приведены графики распределения температуры в по-ристой пластине в различные моменты времени, выполнено сравнение полученных аналитических решений с численными. Результаты работы могут быть использованы при проектировании тепловой защиты тепловыделяющего оборудования, тепломассообменных трактов тепломеханического оборудования и др. Решения представлены в простом аналитическом виде, что делает возможным их использование широким кругом исследователей, инженеров и не требует использования дорогостоящего программного обеспечения и вычислительной техники.
Исследована структура, механические свойства и износостойкость композита, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), со средним химическим составом, вес. %: 35,47 ± 1,5 Fe; 24,08 ± 1,4 Ti; 13,99 ± 0,5 Ni; 17,91 ± 0,4 B; 8,54 ± 0,5 C. В результате испытаний установлено, что композит обладает износостойкостью на уровне с одной из износостойких сталей Hardox 500. Композит характеризуется широким интервалом значений предела прочности на поперечный изгиб Rbm30 от 200 до 800 МПа. Сталь 40X показала предел прочности на изгиб Rbm30, равный 1590 МПа, а сталь Hardox 500 – 2970–3020 МПа. Композит имеет низкие значения ударной вязкости KCU = 0,02 МДж/м2 по сравнению со значениями KCU = 0,35 МДж/м2 для стали 40X и KCU = 1,59 МДж/м2 для стали Hardox 500. СВС-композит системы Fe–Ni–Ti–C–B не следует применять для деталей, работающих на изгиб и испытывающих ударные нагрузки, однако он отлично подойдет для защиты поверхностей деталей, подверженных интенсив-ному абразивному износу.
Сложные пористые структуры, основанные на трижды периодических минимальных поверхностях, обладающие высокими удельными показателями физико-механических характеристик, находят все более широкое применение во многих отраслях промышленности. Численный анализ имеет большое значение при оценке несущей способности и механического поведения таких структур. В работе представлены результаты конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния структур, составленных из трижды пери-одических минимальных поверхностей, под действием сжимающей нагрузки. Сложность моделирования отклика таких структур на механическое воздействие заключается в большой размерности задачи, обусловленной необходимостью мелкой дискретизации, требуемой для адекватного представления сложной геометрии модели. Показаны этапы построения фасетной геометрии для формирования численных моделей. На примере поверхностей Шёна IWP и примитивов Шварца рассмотрено влияние типа и параметров данных структур на их меха-ническое поведение при сжатии. Выполнен анализ жесткостной эффективности в зависимо-сти от топологии структур.
Предложена и рассмотрена модель микромагнитного моделирования намагниченности ферримагнитной пленки, состоящей из сплава ферромагнитного и редкоземельного металлов. Показано, что модель качественно повторяет экспериментально наблюдаемые температурные зависимости намагниченности насыщения ферримагнитных сплавов для разного процентного содержания редкоземельного элемента, а также имеет аналогичную петлю магнитного гистерезиса. Результаты работы представляют интерес для теоретического анализа особенностей поведения намагниченности пленочных металлических наноструктур типа «ферримагнетик – тяжелый металл» и решения задач прикладного материаловедения и магнетизма.
В работе на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований сформулированы критерии, которым должны удовлетворять металлы для наблюдения в них туннелирования водорода, и методики измерения коэффициентов квантовой диффузии. Во-первых, должно быть достаточно малым (на уровне 0,15 нм) расстояние между ближайшими равновесными позициями атомов водорода в кристаллической решетке металла. Во-вторых, должна быть достаточно низкой температура Дебая металла, ниже 350 К. В-третьих, необходимым условием наблюдения туннелирования водорода является корректный выбор методики измерения коэффициентов диффузии водорода. Если в районе температуры Дебая коэффициент диффузии водорода по классическому механизму миграции находится на уровне 10−11 м2/с и выше, то целесообразно применять непрямые методики, основанные на эффекте Горского или измерении скорости спин-решеточной релаксации с помощью ядерного магнитного резонанса. При более низких значениях коэффициента классической диффузии в районе температуры Де-бая металла для наблюдения квантовой диффузии необходимо применять прямую методику ядерных реакций в режиме онлайн или ее же в сочетании с методом ядерных реакций.
Издательство
- Издательство
- ИМАШ УрО РАН
- Регион
- Россия, Екатеринбург
- Почтовый адрес
- 620049 г. Екатеринбург, ул.Комсомольская, 34
- Юр. адрес
- 620049 г. Екатеринбург, ул.Комсомольская, 34
- ФИО
- Швейкин Владимир Павлович (Директор)
- E-mail адрес
- ges@imach.uran.ru
- Контактный телефон
- +7 (343) 3744725