По всем вопросам звоните:

+7 495 274-22-22

УДК: 629.7.02:678.67

Расчет термических остаточных напряжений в слоистых материалах

Петрушин С.И. д-р техн. наук, профессор, Томский национальный исследовательский политехнический университет (филиал), г. Юрга, Кемеровская обл., e-mail: victory@_28mail.ru
Даниленко К.Б. МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, e-mail: danilenko@email.com

Рассмотрена задача определения температурных остаточных напряжений на границах раздела слоев в слоистых композиционных материалах. Технологический нагрев рассматривается как одна из основных причин появления межслойных трещин. Доказывается, что эксплуатационные напряжения могут привести как к расслоению композиционного материала, так и, наоборот, к увеличению его прочности. Даются рекомендации по выбору наиболее благоприятного сочетания физико-механических свойств материалов. Предлагается создание градиентных структур, предназначенных для компенсации неравномерности внешних нагрузок. Рассмотрены примеры двух- и трехслойных композиционных материалов. Решена задача расчета нерастрескивания композиционных материалов при комбинированном нагружении (силовом и температурном).

Литература:

1. Баженов С. Л., Берлин А. А., Кульков А.А., Ошмян В. Г. Полимерные композиционные материалы. — Долгопрудный: Изд. дом «Интеллект», 2010. — 352 с.

2. Янюшкин А. С. и др. Технология композиционных материалов. — Братск: Изд. БрГУ, 2012. — 152 с.

3. Шишковский И. В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объемных изделий. — М.: Физматлит, 2009. — 424 с.

4. Петрушин С. И. Проектирование режущей части инструментов из композиционных материалов // СТИН. — 1997. — № 2. — С. 26–29.

5. Биргер И. А. Остаточные напряжения. — М.: Машгиз, 1963. — 239 с.

6. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Т. 1., кн. 2. Инженерные расчеты в машиностроении. — М.: Машгиз, 1948. — 457 с.

Все композиционные материалы (КМ) по форме и размерам армирующего компонента можно разделить на порошковые, волокнистые и слоистые [1, 2]. При этом традиционные композиты, как правило, содержат равномерно распределенную в матрице арматуру. В то же время изделия в процессе эксплуатации подвергаются неравномерным во времени и пространстве внешним нагрузкам силовой, тепловой или иной природы. Поэтому эффект от применения композиционных материалов будет значительно выше, если в теле или на поверхности изделия будут созданы градиентные структуры [3], основная задача которых состоит в противопоставлении неравномерности внешних нагрузок градиенту физико-механических свойств материала.

Прочность многослойных композиционных материалов определяется не только пределами прочности материалов слоев, но и межслойной прочностью. Часто именно прочность границы между двумя смежными слоями является лимитирующей с точки зрения обеспечения сплошности композита. Обусловлено это тем, что изготовление КМ сопровождается нагревом изделия до значительной температуры (TЕ). После спекания, наплавки, нанесения покрытия, послойного синтеза и т. п. происходит охлаждение композита до температуры окружающей среды (TО). При этом в связи с различием в значениях коэффициента линейного расширения (КЛР) между двумя смежными слоями на их границе возникают термические (температурные) остаточные напряжения (ТОН). В случае превышения ими предела прочности материала какого-либо слоя возникают холодные межслойные трещины, и КМ становится непригодным для работы в данном изделии. С этим явлением сталкиваются также при спекании многослойных режущих пластин для инструмента из твердосплавных порошков [4].

Когда величина ТОН меньше пределов прочности материалов слоев, монолитность КМ обеспечивается, однако наличие ТОН может снизить прочностные характеристики изделия. Слой материала с бльшим КЛР при охлаждении стремится сократить свои размеры сильнее, чем слой с меньшим КЛР. В результате первый слой будет растянут вторым, а второй будет сжат первым. В материале с бльшим КЛР возникнут растягивающие ТОН, а в материале с меньшим КЛР — сжимающие ТОН [5].

Для Цитирования:
Петрушин С.И., Даниленко К.Б., Расчет термических остаточных напряжений в слоистых материалах. Главный механик. 2016;4.
Полная версия статьи доступна подписчикам журнала
Язык статьи:
Действия с выбранными: