11059

где L и D – соответственно толщина и диаметр цилиндрического образца.

Рис. 1. Синхронизированные импульсы напряжения мерных стержней при испытании образца на сжатие в системе РСГ [11]

Рис. 2. Усилия, действующие на образец и полученные на основе синхронизированных импульсов деформации мерных стержней при раскалывании [11]

Таким образом, одним из способов определения скорости роста напряжений в эксперименте на сжатие или раскалывание является вычисление среднего наклона восходящих участков прошедшего и суммы нагружающего и отраженного импульсов напряжений мерных стержней или соответствующих усилий. Для вычисления этого наклона может быть использована аппроксимация отрезков экспериментальных графиков линейной функцией, угловой коэффициент которой и будет равен искомому коэффициенту k1 или k2. Наиболее распространенным методом аппроксимации является метод наименьших квадратов, который основан на

150

минимизации суммы квадратов отклонений значений аппроксимирующей функции (в данном случае линейной функции) от входных значений:

где n – количество таблично заданных (зарегистрированных) значений аппроксимируемых функций y(x) на восходящем участке их графиков.

После проведения испытания, синхронизации и сохранения импульсов деформации мерных стержней в виде массивов данных необходимо производить их обработку. Для автоматизации процессов обработки и, в частности, аппроксимации может быть использована среда графического программирования LabVIEW, которая является эффективным инструментом реализации целей экспериментальных научных исследований. Функции аппроксимации находятся на подпалитре Fitting палитры Mathematics. Среди них есть функция (виртуальный прибор (ВП)) Linear Fit Coefficients (рис. 3), которая производит аппроксимацию набора входных данных Y и X линейной функцией с помощью одного из трех методов [12], среди которых есть метод наименьших квадратов. В результате применения функции можно получить значения коэффициентов аппроксимирующей прямой на выходах «наклон» (slope) и «смещение» (intercept). Входные последовательности Y и X должны содержать как минимум два значения. Вход «вес» (Weight) представляет массив весовых коэффициентов для наблюдаемых значений (X, Y). «Вес» должен быть того же размера, что и Y. Если этот вход не подключен, то ВП устанавливает все значения веса равными 1. Если значение элемента веса отрицательно, ВП использует абсолютное значение элемента.

Рис. 3. ВП Linear Fit Coefficients

В среде LabVIEW был разработан программный модуль для аппроксимации восходящих участков экспериментальных кривых и определения скорости роста напряжений. В реализованном универсальном алгоритме предполагается, что испытание проводилось на установке с диаметром мерных стержней 20 мм, изготовленных из алюминиевого сплава. Предусмотрено два способа выделения восходящих участков. В одном случае при положении переключателя «автоматически» аппроксимируются участки графиков до момента достижения первого максимума. В другом случае при положении переключателя «курсорами» аппроксимируются участки графиков, расположенные между курсоров. В качестве примера на рис. 4 представлена лицевая панель, отображающая результат работы модуля, использованного при обработке данных испытаний мелкозернистого фибробетона. В процессе обработки при заданных размерах образца и

151

выбранном типе эксперимента происходит считывание экспериментальных данных, выделение восходящих участков выбранным способом, их аппроксимация и отображение результатов. Вычисление скорости роста напряжений производилось на основе импульсов деформации мерных стержней по следующим формулам, соответствующим сжатию (формула 4) и раскалыванию (формула 5):

где Е и k – модуль упругости мерных стержней и угловой коэффициент прямой, аппроксимирующей восходящие участки зависимостей εI(t)+εR(t) и

εT(t).

Рис. 4. Лицевая панель модуля обработки экспериментальных данных

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-00151, https://rscf.ru/project/21-79-00151/.

Литература

1. Qin Y., Xu D., Zhang S., Fan X. Dynamic behavior of carbon nanotubes and basalt fiber reinforced coral sand cement mortar at high strain rates. Construction and Building Materials 340 (2022) 127396.

152

2.Feng S., Zhou Y., Li Q.M. Damage behavior and energy absorption characteristics of foamed concrete under dynamic load. Construction and Building Materials 357 (2022) 129340.

3.Wang J., Ma L., Zhao F., Lv B., Gong W., He M., Liu P. Dynamic strain field for granite specimen under SHPB impact tests based on stress wave propagation. Underground Space 7 (2022) 767-785.

4.Sun B., Ping Y., Zhu Z., Jiang Z., Wu N. Experimental study on the dynamic mechanical properties of large-diameter mortar and concrete subjected to cyclic impact. Shock and Vibration (2020) 8861197.

5.Ламзин Д.А., Брагов А.М., Ломунов А.К., Константинов А.Ю., Новиков В.В., Гонов М.Е. Методические аспекты динамических испытаний хрупких материалов на сжатие // Приволжский научный журнал. 2019. № 4 (52). С. 65-78.

6. Rodriguez T., Navarro C., Sanchez-Galvez V. Splitting tests: an alternative to determine the dynamic tensile strength of ceramic materials // Journal de Physique IV. – 1994. Р. 101-106.

7.Gomez J.T., Shukla A., Sharma A. Static and dynamic behavior of concrete and granite in tension with damage. Theoretical and Applied Fracture Mechanics 36 (2001) 37-49.

8.Zhou Z., Li X., Zou Y., Jiang Y., Li G. Dynamic Brazilian tests of granite under coupled static and dynamic loads. Rock Mechanics and Rock Engineering 47 (2014) 495-505.

9.Lu Y., Yu S., Cai Y. Experimental study on dynamic splitting of recycled concrete using SHPB. EPJ Web of Conferences 94 (2015) 01008.

10.Guo Y.B., Gao G.F., L. Jing, Shim V.P.W. Quasi-static and dynamic splitting of high-strength concretes – tensile stress–strain response and effects of strain rate. International Journal of Impact Engineering 125 (2019) 188-211.

11.Dai F., Huang S., Xia K., Tan Z. Some fundamental issues in dynamic compression and tension tests of rocks using split Hopkinson pressure bar. Rock Mechanics and Rock Engineering 43 (2010) 657-666

12.Суранов А.Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 536 с.

1В.В. Мыльников, 2А.Д. Романов, 1Е.А. Чернышов, 1Н.А. Рябов

1ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», г. Нижний Новгород, Россия

2ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», г. Нижний Новгород, Россия

153

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА КЕРАМИЧЕСКОЙ ФАЗЫ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ТОРМОЗНОГО ДИСКА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОДЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Внастоящее время в технике заметно возрастает применение алюминиевых сплавов [1]. Эта тенденция особенно заметна в автомобилестроении – она связана со стремлением снижения веса автомобилей, а вместе с тем, уменьшением расхода горючего и дополнительными экономическими и экологическими эффектами. Перспективным направлением решения проблем, связанных с повышением износостойкости, явилось применение композиционных материалов, развитие и освоение технологий получения, а также методов обеспечения оптимального комплекса механических и эксплуатационных свойств для разнообразных условий эксплуатации. Так для повышения энергоемкости дисково-колодочных тормозов автотранспортных средств создаются и внедряются новые материалы и усовершенствуются методы расчета тормозных дисков с точки зрения их динамической и тепловой нагруженности. В ряде случаев для тормозных дисков успешно применяются дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДУКМ) на основе алюминия, так как при этом введение армирующих частиц в алюминиевые сплавы приводит к повышению их износостойкости. Высокая износоустойчивость и теплопроводность ДУКМ позволяют уменьшить вес изделия на 50 - 60% по сравнению со стальными или чугунными.

Вработе [2] испытывались новые алюминиевые антифрикционные сплавы с комплексным легированием, даны рекомендации по оптимальному содержанию легирующих элементов для обеспечения антифрикционности сплавов на основе алюминия.

Внастоящей работе проведен предварительный поиск оптимального

состава системы «Al-Al2O3» для применения в дисковом тормозе автомобиля. Материалы изготавливали по принципиально новой технологии получения литых ДУКМ на основе алюминия [4 – 8], которая основана на процессе выгорания расплава алюминия при взаимодействии с кислородом или кислородно-азотной смесью. Способ позволяет получать композиты в одну стадию и обеспечить равномерное распределение дисперсных частиц Al2O3 в расплаве и прочную межфазную границу между матрицей и наполнителем, а следовательно, более полно реализовать потенциальные

возможности ДУКМ.

На рис 1 показана микроструктура полученных образцов. На рис 2 показана микроструктура образцов аналогов.

154

2.Миронов А.Е., Гершман И.С., Гершман Е.И., Железнов М.М. Взаимосвязь триботехнических свойств опытных алюминиевых сплавов с их химическим составом // Трение и износ. 2017. Т. 38. № 2. С. 67 – 72.

3.Hanumanthe Gowdaa, P. Rajendra Prasadb Evaluation of Wear and Corrosion Resistance of A356 Alloy Based Hybrid Composite at Different Aging Conditions // International Journal of Materials Science Volume 11, Number 1 (2016), pp. 57 – 69.

4.Чернышов Е.А., Лончаков С.З., Романов А. Д., Мыльников В.В., Романова Е.А. Исследование микроструктуры алюмоматричного дисперсно- наполненного литого композиционного материала, полученного методом внутреннего окисления // Перспективные материалы. – 2016. – № 9. – С. 7883.

5.Чернышов Е.А., Романов А.Д., Романова Е.А., Мыльников В.В. Разработка технологии получения алюмоматричного литого композиционного материала с помощью синтеза упрочняющей фазы оксида алюминия в расплаве алюминия // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2017. – № 4. – С. 29

–36.

6.Мыльников В.В., Романов А.Д., Чернышов Е.А. Исследование влияния количества упрочняющей фазы дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе алюминия на закономерности процесса разрушения // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2018. № 3. С. 55 – 63.

7.Чернышов Е. А., Романов А.Д., Мыльников В.В. Некоторые аспекты влияния природы масштабного эффекта при циклических испытаниях на эксплуатацию и надежность изделий из алюминиевых сплавов // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. – 2018. – № 5.

–С. 56 – 65.

8.Романов А.Д., Чернышов Е.А., Романова Е.А. Исследование триботехнических и теплофизических свойств алюмоматричного композиционного материала в сравнении с чугуном СЧ 24 для оценки возможности применения сплава в качестве материала для тормозного диска автомобиля // Материаловедение. – 2021. – № 2. – С. 44 – 47.

А.О. Осипов, В.В. Мыльников

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», г. Нижний Новгород, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНО- УПРОЧНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ВНУТРЕННЕГО ОКИСЛЕНИЯ

В настоящее время традиционные материалы уже не в полной мере могут удовлетворить новые запросы конструкторов. В ряде случаев только

156

композиционные материалы (КМ) могут удовлетворить требованиям новой техники. Например, в конструкции самолета Боинг 787 композиционные материалы составляют 50% по массе от всех применяемых материалов, при этом применение КМ позволило снизить массу самолета на 30%. Требования современной техники к повышению прочности и жесткости конструкционных материалов при одновременном снижении их плотности привели к созданию и применению нового класса материалов – композиционных с металлической матрицей. Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов [1].

Так у КМ с металлической матрицей достигается повышение предела прочности на 50 – 100%, в 2 – 3 раза увеличивается модуль упругости и коэффициент жесткости, в несколько раз снижается склонность к трещинообразованию и повышается надежность деталей и узлов конструкций [2-5].

ДУКМ имеют ряд важных преимуществ: высокие жесткость, прочность, трещиностойкость, износостойкость, теплопроводность, технологичность, широкий температурный интервал работы.

На первом месте по объему применения находятся алюмоматричные композиционные материалы (рис. 1).

Рис. 1. Использование матричных материалов

Одной из технологий развивающейся в настоящее время является «метод внутреннего окисления», который обладая такими преимуществами, как получение равномерно распределенной устойчивой дисперсной фазы на готовых изделиях. Однако поскольку скорость внутреннего окисления уменьшается с увеличением глубины проникновения кислорода и, следовательно, в том же направлении происходит укрупнение образующихся окислов, метод внутреннего окисления эффективен для изделий или заготовок с небольшой толщиной.

Механические свойства ДУКМ на основе алюминиевых сплавов, основы и армирующих материалов, приведены в табл.1.

Таблица 1

Свойства армирующих и матричных материалов и сплавов

157

Для снижения стоимости изготовления разрабатывается технология получения дисперсно-упроченных композиционных материалов на основе алюминия, которая основана на процессе выгорания расплава алюминия при взаимодействии с кислородом или кислород – азотной смесью [6-10]. В целом данный процесс основан на следующих технологиях: кислородно- конвертерный процесс, разливка алюминиевых сплавов в атмосфере кислорода и создание воздухонезависимой энергетической установки на основе высокометаллизированного топлива. Отличием предложенной работы является меньшая стоимость исходных компонентов, а также упрощенная конструкция установки для получения керамической фазы. Снижение стоимости исходных материалов происходит за счет отказа от порошкообразных компонентов и применение расплава, что практически на порядок дешевле. Кроме того, аппаратная часть, блок продувки также значительно дешевле установок спекания, самораспространяющегося синтеза или механического легирования.

Для проведения экспериментов был спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд для создания дисперсно-упроченного материала, включая разливку сплава и получения опытных деталей. В ходе экспериментальных работ в качестве матричного материала использовался алюминий марки А6 (99,6 Al примеси, в основном Fe 0,25 % и Si 0,18%) для исключения влияния легирующих добавок и изучения упрочнения композита только за счет частиц упрочняющей фазы.

Врезультате металлографических и рентгеноструктурных исследований установлено, что матрицей полученного металлокерамического материала является алюминий, основные фазы внедрения – оксид алюминия, нитрид алюминия.

Изучение структурно-фазового состояния полученного материала проводили с использованием методов оптической металлографии (KEYENCE VHX-1000) и рентгеноструктурного анализа (ДРОН-2). Рентгеноструктурный анализ проводился на дифрактометре общего назначения ДРОН-2. Излучение Мо, высокое напряжение 32 кВ, анодный ток 20 мА. Суммарная погрешность измерений за 10 часов работы составляет не более 0,5%.

Врезультате металлографических и рентгеноструктурных исследований установлено, что матрицей полученного металлокерамического материала является алюминий, основные фазы внедрения – оксид алюминия и нитрид алюминия. Причем данные

158

рентгеноструктурного анализа показали, что возможна различная их комбинация.

Анализ микроструктур, приведенный на рис. 2 показывает практически равномерное распределение упрочняющей керамической фазы в металле. Причем преобладающая форма упрочняющего элемента глобулярная.

Рис. 2. Микроструктура элемента с различной степенью насыщения, при различном увеличении.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-13-20009, https://rscf.ru/project/22-13-20009/

Литература

1.Алюминиевые композиционные сплавы – сплавы будущего: Учебное пособие / Сост. А.Р.Луц, И.А. Галочкина. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013. – 82 с.:ил.

2.Сокол В.А., Шиманович Д.Л., Сякерский В.С. Исследование профилей на границе раздела Al-Al2O3 при глубоком локальном анодировании Al. // Доклады БГУИР. - 2009, № 6 (44), с. 36-41.

159