Расчёт вклада дисперсных частиц в упрочнение металломатричных композиционных материалов

Выпускная квалификационная работа 153 с., 88 рис., 50 табл., 32 источника.

МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МЕЖЧАСТИЧНОЕ РАССТОЯНИЕ, УПРОЧНЯЮЩИЕ ЧАСТИЦЫ, МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ, ФОРМУЛА SHIVASHANKAR

Объектом исследования являются металломатричные композиционные материалы, упрочнённые дисперсными частицами.

Цель работы – выбор оптимальной формулы определения межчастичного расстояния для расчёта вклада дисперсных упрочняющих частиц в прочность металломатричных композиционных материалов.

В процессе работы проводился анализ существующих формул расчёта межчастичного расстояния, разработана математическая модель распределения частиц, выполнен сравнительный анализ результатов расчёта по различным формулам.

В результате исследования установлено, что формула Shivashankar обеспечивает наиболее точные результаты расчёта межчастичного расстояния в широком диапазоне параметров структуры композиционных материалов.

Основные конструктивные и технико-эксплуатационные характеристики: разработанная модель позволяет прогнозировать свойства металломатричных композитов с погрешностью менее 5 % при оптимальных параметрах структуры.

Степень внедрения: результаты работы могут использоваться при разработке новых композиционных материалов в лаборатории композитов.

Область применения: проектирование и производство металломатричных композиционных материалов для авиакосмической и автомобильной промышленности.

Экономическая эффективность работы заключается в возможности оптимизации состава и структуры композиционных материалов, что позволяет снизить затраты на их разработку и производство.

В будущем планируется расширить модель для учёта влияния формы частиц и характера их распределения в матрице на свойства композиционных материалов.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Композиты, упрочнённые частицами

1.2. Механизмы упрочнения

1.3. Механизм Орована

1.4. Межчастичное расстояние

1.5. Частицы и алюминиевые сплавы, используемые в алюмоматричных композитах

1.6. Алюмоматричные композиты, полученные механическим легированием

1.7. Анализ теоретических и экспериментальных исследований

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА УРАВНЕНИЯ МЕЖЧАСТИЧНОГО РАССТОЯНИЯ

2.1. Анализ существующих формул

2.2. Выбор оптимальной формулы

2.3. Теоретическое обоснование

ГЛАВА 3. АПРОБАЦИЯ УРАВНЕНИЯ

3.1. Методика расчётов

3.2. Компьютерное моделирование

3.3. Анализ результатов

ГЛАВА 4. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЁТА

4.1. Сравнительный анализ формул

4.2. Оценка точности расчётов

4.3. Экспериментальная верификация

ГЛАВА 5. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ

5.1. Обоснование выбора

5.2. Область применения

5.3. Ограничения использования

ГЛАВА 6. РАСЧЕТ ВКЛАДА ЧАСТИЦ В УПРОЧНЕНИЕ

6.1. Методика расчёта

6.2. Результаты расчётов

6.3. Анализ эффективности упрочнения

ГЛАВА 7. ОПТИМАЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЧАСТИЦ

7.1. Рекомендации по размеру частиц

7.2. Рекомендации по объёмной доле

7.3. Технологические рекомендации

ГЛАВА 8. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 

1. Курганова Ю.А., Колмаков А.Г. Конструкционные металломатричные композиционные материалы: учебное пособие. – Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. – 141 с.

2. Кулик В. И. Композиционные материалы с металлической матрицей: учебное пособие / В. И. Кулик, А. С. Нилов; Балтийский государственный технический университет "Военмех". – Санкт-Петербург: БГТУ, 2020. – 69 с.

3. Park D.Y. Direct calculation of inter-particle distance in suspension by image processing // Powder Technology. – 2018.

4. Batchelor G.K. The effect of Brownian motion on the bulk stress in a suspension of spherical particles // Journal of Fluid Mechanics. – 1977.

5. Krieger I.M., Dougherty T.J. A mechanism for non-Newtonian flow in suspensions of rigid spheres // Transactions of The Society of Rheology. – 1959.

6. Батаев А. А., Батаев В. А. Композиционные материалы: строение, получение, применение: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. – 384 с.

7. Стоякина Е. А., Курбаткина Е. И., Симонов В. Н., Косолапов Д. В., Гололобов А. В. Механические свойства алюмоматричных композиционных материалов, упрочнённых частицами SiC, в зависимости от матричного сплава (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 2. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-2-8-8

8. Луц А. Р. Применение алюмоматричных композиционных материалов, дисперсно армированных керамическими частицами, для изделий триботехнического назначения / А. Р. Луц, Д. В. Закамов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2023. – Т. 25, № 3.

9. Серпова В. М., Сидоров Д. В., Няфкин А. Н., Курбаткина Е. И. Гибридные металлические композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2021. №3. С. 68-77. DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-3-68-77

10. Веткасов Н. И. Разработка и исследование процесса получения алюмоматричной композиции, механически легированной техническим углеродом, и композиционного материала из неё / Н. И. Веткасов, А. И. Капустин, В. В. Сапунов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. – 2018. – № 3 (45).

11. Пат. 2616315 Российская Федерация, МПК C22C 1/04, C22C 1/05, C22C 21/00. Способ получения алюмоматричного композитного материала / патентообладатель; заявл. 07.12.2015; опубл. 14.04.2017, Бюл. № 11

12. Веткасов Н. И. Получение, микроструктура и микротвёрдость легированных углеродом алюмоматричных композитов / Н. И. Веткасов, А. И. Капустин, В. В. Сапунов // Наукару. – 2017

13. Park, D. Y. Direct calculation of inter-particle distance in suspension by image processing / D. Y. Park // Solar Thermal Convergence Laboratory, Korea Institute of Energy Research. – Daejeon, Republic of Korea, 2018. – DOI: отсутствует

14. Zhang Z., Chen D. L. Consideration of Orowan strengthening effect in particulate-reinforced metal matrix nanocomposites: A model for predicting their yield strength // Acta Materialia. – 2006. – Vol. 54. – P. 3-9

15. Aikin, R.M. Jr. The Mechanical Properties of In-Situ Composites // JOM. – 1997. – Т. 49, № 8. – С. 35-39

16. Kang, Y.-C. Tensile properties of nanometric Al2O3 particulate-reinforced aluminum matrix composites / Y.-C. Kang, S. L.-I. Chan // Materials Science and Engineering A. – 2004. – Vol. 374, № 1. – С. 273-280

17. Samal, P. Recent progress in aluminum metal matrix composites: A review on processing, mechanical and wear properties / P. Samal, P. R. Vundavilli, A. Meher, M. M. Mahapatra // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 59. – P. 1-66. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.09.010

18. Souza P.H.L., Oliveira C.A.S., Quaresma J.M.V. Precipitation hardening in dilute Al-Zr alloys // Journal of Materials Research and Technology. – 2017. – Принята к публикации 15 мая 2017. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2017.05.006

19. Knipling K. E., Dunand D. C., Seidman D. N. Precipitation evolution in Al-Zr and Al-Zr-Ti alloys during aging at 450-600 C // Acta Materialia. – 2008. – Vol. 56, № 1. – P. 114-127

20. Nunes D., Vilarigues M., Correia J.B., Carvalho P.A. Nickel-carbon nanocomposites: Synthesis, structural changes and strengthening mechanisms // Acta Materialia. 2011. 24 ноября. DOI: не указан.

21. Anderson K.R., Groza J.R. Microstructural Size Effects in High-Strength High-Conductivity Cu-Cr-Nb Alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2024. – С. 1-8

22. Механическое легирование вторичного сырья для производства пеноалюминия / А. А. Аксенов, Ю. Н. Мансуров, Д. О. Иванов, В. П. Рева, Д. С. Кадырова, Р. К. Шуваткин, Е. Д. Ким // Металлург. — 2017. — № 6. — С. 59-68

23. Li Y., Zhao Y.H., Ortalan V., Liu W., Zhang Z.H., Vogt R.G., Browning N.D., Lavernia E.J., Schoenung J.M. Investigation of aluminum-based nanocomposites with ultra-high strength // Materials Science and Engineering: A. – 2009. – DOI: не указан

24. Luan B.F., Wu G.H., Liu W., Hansen N., Lei T.Q. High strength Al2O3p/2024Al composites effect of particles, subgrains and precipitates // Металлы и композиты. – 2008. – Т. 1, № 2. – С. 550-564

25. Akbarpour M.R., Torknik F.S., Manafi S.A. Enhanced Compressive Strength of Nanostructured Aluminum Reinforced with SiC Nanoparticles and Investigation of Strengthening Mechanisms and Fracture Behavior // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2017

26. DeFoff R.T., Rhines F.N. Microstructural Analysis: Tools and Techniques. – New York: Plenum Press, 1973.

27. Shivashankar T.S. et al. A new approach to calculate inter-particle spacing in powder metallurgy systems // Journal of Materials Science. – 2015.

28. Bagheri R., Pearson R.A. Role of particle cavitation in rubber-toughened epoxies // Polymer. – 2000. – Vol. 41.

29. Zhang M.Q. et al. Mechanical properties of SiO2/epoxy nanocomposites // Polymer Engineering & Science. – 2003.

30. Jiang L. et al. Study on mechanical properties of epoxy/nano-Al2O3 composite // Journal of Materials Science Letters. – 2001.

31. Rechberger F. et al. Surface plasmon resonance of single gold nanoparticles studied by dark-field microscopy // Journal of Physical Chemistry C. – 2009.

32. Akbarpour, M. R. Microstructural development and mechanical properties of nanostructured copper reinforced with SiC nanoparticles / M. R. Akbarpour, E. Salahi, F. Alikhani Hesari, E. Y. Yoon, H. S. Kim, A. Simchi // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – Vol. 568. – P. 33-39