Явление прерывистой текучести, характерное для дисперсионно-твердеющих алюминиевых сплавов обычно связывают с образованием и развитием системы мезоскопических шеек на поверхности деформируемых образцов [1]. Сплавы с высокой концентрацией легирующих элементов, к которым относят сплавы системы Al-Cu-Mg, при условии существования в агрессивных средах, подвержены коррозионному растрескиванию. Причиной такого растрескивания, в том числе, может служить водород (H).
В настоящей работе проведены исследования по влиянию H в результате электролитического насыщения на локализацию пластической деформации сплава Д1 после искусственного старения, а также подвергнутого электролитическому наводороживанию в течение 100 часов в трехэлектродной электрохимической ячейке при постоянном контролируемом потенциале в 1N растворе H2SO4 c добавлением тиомочевины [2]. Механические испытания образцов в форме двойной лопатки с размерами рабочей части 50102 мм проводились при 300 К по схеме одноосного растяжения со скоростью растяжения 6,67×10-5 с-1 на испытательной машине LFM-125, снабженной для изучения макролокализации деформации автоматизированным лазерным измерительным комплексом для анализа цифровых спекл-изображений (ALMEC-tv).
Насыщение водородом образцов сплава Д1 изменяет деформационное поведение, снижая прочность и пластичность. Разрушение происходит без образования макроскопической шейки. Понижение пластичности и переход к межзеренному разрушению в результате электролитического насыщения H связан с разрушением по электрохимическому механизму.
Анализ цифровых спекл-изображений позволил наблюдать в момент резкого спада напряжения на диаграмме нагружения зарождение одиночных фронтов локализованной деформации, подобных полосам Чернова-Людерса, и их перемещение во всем интервале деформаций. Наличие дефектов на поверхности наводороженных образцов в результате расслаивающей коррозии не явилось препятствием для распространения фронтов локализованной деформации.
Установлено, что водород оказывает влияние на количественные характеристики распространяющихся фронтов деформации, а именно увеличивает скорость полос локализации пластической деформации.
Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований Государственной академии наук в 2013–2020 гг. и «Научный фонд им. Д.И. Менделеева Томского государственного университета» в 2014–2015 гг.
Литература
1. Данилов В.И., Бочкарёва А.В., Зуев Л.Б. Макролокализация деформации в материале с прерывистой текучестью // Физика металлов и металловедение. 2009. № 6. Т. 107. С. 660–667.
2. Баранникова С. А., Надежкин М.В., Мельничук В.А., Зуев Л.Б. О локализации пластической деформации растяжения монокристаллов аустенитной стали, электролитически насыщенных водородом // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. №. 17. С. 9–17.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПРОНИЦАЕМОСТИ БИОСОВМЕСТИМЫХ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
THE METHOD OF ASSESSMENT OF THE PERMEABILITY
OF BIOCOMPATIBLE POROUS MATERIALS
Ю.А. Рикун
Yu.A. Rikun
Национальный Исследовательский Томский государственный университет
National Research Tomsk State University
yulirik.93@mail.ru
Восстановление костной ткани является чрезвычайно важным и актуальным разделом медицины. Костная ткань способна к естественной регенерации, но в некоторых случаях, при очень большом повреждении, естественной способности кости к регенерации оказывается недостаточно [1]. Поэтому изучению материалов, способных обеспечить такую функцию кости, как регенерация, уделяется особое внимание. Такие материалы находят свое применение в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии и т.д., а также позволяют сократить время реабилитации от полученной травмы.
Подобные материалы должны быть в первую очередь биологически совместимыми с живыми тканями человека. Одним из ведущих классов таких материалов является высокопористая керамика. Наличие развитой системы пор и соединяющих их каналов дает возможность живым тканям организма человека «прорастать» внутрь керамического изделия [2,3]. При этом в порах идет постепенное образование твердых костных тканей. Таким образом, со временем формируется, так называемый биологический композиционный материал, где в роли включения выступает живая ткань человека, а матрицу образует – керамический материал. Такой вид композита называется биокомпозитом. Чем больше каналов образует материал, тем лучше кость сможет прорасти внутрь данного материала. Поэтому изучению проницаемости таких изделий следует уделить внимание.
Целью данной работы является оценка проницаемости биосовместимого пористого материала.
В рамках рассматриваемой задачи использовалась модель биокомпозита, содержащая в себе поры и каналы. Для рассматриваемого объема строился триангуляционный граф. Далее выбирались связные точки, образующие ребро графа. Данные ребра формировали некоторую область – «коридор». Количество каналов, входящих в «коридор», характеризует проницаемость данной области, а следовательно и всего материала. Результаты показали, что высокая проницаемость «коридора» приводит к созданию наилучших условий прорастания живой ткани в материал, используемый в качестве имплантата, и таким образом быстрее произойдет регенерация костной ткани.
Литература
Копылов А.Н. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен как основа пористых имплантатов для восстановления костных дефектов, исследование in vivo // Российский биотерапевтический журнал. 2013. №4. Т. 12. С. 39–42.
Канюков В.Н. Материалы для современной медицины: учеб. пособ. Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. 113 с.
Буякова С.П. Структура, фазовый состав и механическое поведение керамики на основе диоксида циркония // Вестник ТГУ. 2003. Вып. 13. С. 61–87.
ВЛИЯНИЕ МАЛЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ
НА МИКРОТВЕРДОСТЬ МЕДИ
THE EFFECT OF ELECTRIC POTENTIAL ON COPPER
MICROHARDNESS
О.С. Стаскевич1, Д.В. Орлова 2, В.И. Данилов 2
O.S. Staskevich, DV. Orlova, V.I. Danilov
1Национальный исследовательский Томский государственный университет
2Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск
National research Tomsk State University
Institute of Strength Physics and Materials Science, Tomsk
Solessya92@inbox.ru
На данный момент установлено, что внешние энергетические воздействия на твердые тела способны изменять пластические и прочностные характеристики [1–3]. Токовое воздействие высокой частоты на металлы и сплавы хорошо изучено. Но, в настоящее время известно, что механические свойства металлов изменяются не только при пропускании электрического тока, но и при воздействии значительно более слабых электростатических воздействий. Так, рядом авторов было обнаружено изменение микротвердости при воздействии электрического потенциала, объясняемое образованием двойного электрического слоя на поверхности исследуемого металла и соответственным изменением плотности поверхностной энергии [4–6]. В настоящей работе проанализировано воздействие электрического потенциала на микротвердость меди.
Измерения проводились на микротвердомере ПМТ-3М. Для изменения поверхностного электрического потенциала образцы подключали к одному полюсу стабилизированного источника постоянного напряжения. Для создания электрического контакта образец приклеивался проводящим клеем «Контактол» к медной подложке, которая в свою очередь была соединена с источником медным экранированным проводом. Во время измерений микротвердости образец изолировался от микротвердомера и Земли. Емкость образующего конденсатора «Земля – образец» составляла ~ 50пФ. Подача потенциала производилась пошагово от нуля до заданного значения с измерением микротвердости при каждом его промежуточном значении. От момента приложения поля до начала индентирования производилась выдержка в течение 30 мин, чтобы учесть возможное запаздывание эффекта.
Установлено, что при увеличении значения электрического потенциала микротвердость меди уменьшается. Существенные изменения наблюдаются в интервале 0…0,05 В, а при дальнейшем увеличении абсолютной величины потенциала микротвердость практически не меняется. Максимальное уменьшение микротвердости меди составляет 23 % при росте абсолютного значения потенциала от нуля до 0,1 В с пошаговой выдержкой, соответствующей времени запаздывания.
Для выявления общих закономерностей влияния величины электрического потенциала на микротвердость материалов проанализированы зависимости микротвердости от приложенного потенциала, полученные для циркония, алюминия, монокристаллического цинка, железа [4–6]. Обнаружено, что при действии электрического потенциала микротвердость циркония и железа возрастает, а алюминия, кобальта и монокристаллического цинка, напротив, снижается.
Предположено, что интенсивность и знак изменений микротвердости определяются величиной и знаком константы Холла, то есть, типом проводимости металла. Так, у меди, алюминия, кобальта, и цинка константа Холла отрицательная (электронный тип проводимости), а у циркония и железа – положительная (дырочный тип). По абсолютной величине постоянная Холла максимальна у кобальта, в котором и наблюдается наибольший эффект.
Литература
1. Кишкин С.Т. Эффекты магнитного и электрического воздействия на ползучесть металлов и сплавов // Доклады АН СССР. 1973. №2. С. 325–327.
2. Венстрем Е.К., Ребиндер П.А. Электрокапиллярный эффект облегчения деформаций растяжения металлов // Журн. физ. химии. 1952. Т. 26, № 12. С. 1847–1852.
3. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Филипьев Р.А., Котова Н.В. О вариациях механических характеристик металлов при действии электрического потенциала // Металлы. 2010. № 4. С. 39–45.
4. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Коновалов С.В., Филипьев Р.А., Громов В.Е. О влиянии контактной разности потенциалов и электрического потенциала на микротвердость металлов // ФТТ. 2009. Т. 51. Вып. 6. С. 1077–1080.
5. Данилов В.И., Зуев Л.Б., Коновалов С.В., Филипьев Р.А., Семухин Б.С. О влиянии электрического потенциала на сопротивление микроиндентированию поверхности металлов // Поверхность. 2010. № 2. С. 85–89.
6. Орлова Д.В. Характер изменения микротвердости плоскости (0001) монокристаллов цинка под действием электростатического поля и возможная причина этого эффекта / Д.В. Орлова, Л.Б. Зуев, В.И. Данилов // ФТТ. 2013. Т. 55, вып. 2. С. 313–317.
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕСС
СОРБЦИИ
PHYSICAL AND MATHEMATICAL MODELING OF THE ELECTRIC
FIELD ON THE PROCESS OF SORPTION
М.Ю. Степкина, О.Б. Кудряшова
M.Y. Stepkina , O.B. Kudryashov
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), г. Бийск
Institute for Problems of Chemical & Energetic Technologies of the Siberian
Branch of the Russian Academy of Sciences IPCET SB RAS
Для решения задач очистки поверхности после техногенных и промышленных аварий, военных действий, приводящих к образованию в замкнутых помещениях высокотоксичных облаков пыли и паров, а также заражения вирусами и бактериями предлагается использовать физико-химический метод, позволяющий подобрать и распылить вещество, взаимодействующее с вредным продуктом, нейтрализуя его. Далее отработанный сорбент подвергается сбору с помощью технического средства очистки.
Проведены сравнительные экспериментальные исследования адсорбционной способности частиц аэрозоля модельного вещества (псевдобемита) при различных способах распыления. В качестве способов распыления рассматриваются следующие: пневматическое распыление с помощью инжекторного пескоструйного аппарата, импульсное диспергирование с помощью ударно-волнового распылителя, импульсное распыление с помощью порошкового огнетушителя. Проведен анализ дисперсности и удельно-массовой поверхности частиц распыленных аэрозолей.
В настоящей работе подробно рассмотрен метод распыления мелкодисперсных порошков и создание аэрозольного облака посредством коронного разряда (электростатическое распыление). Проведена экспериментальная оценка времени удержания мелкодисперсного порошка на поверхности различных материалов и конфигурации с применением электростатического напыления. Определено изменение дисперсности в процессе электростатического распыления и последующего распределения частиц мелкодисперсных аэрозольных сред на поверхности. Стоит отметить, что такой метод распыления позволяет достигать равномерного поверхностного распределения частиц; частицы долго (в течение суток и более) сохраняют заряд, удерживаются на поверхности разной структуры и материала. Электростатический метод распыления также приводит к разбиению агломератов мелкодисперсных порошков.
Для возможности прогнозировать временные и пространственные характеристики электростатического воздействия на взвешенные и осажденные частицы продуцируемого аэрозоля необходимо провести измерения потенциала и величины электрического заряда при электростатическом распылении. В результате выявлено, что частицы действительно приобретают заряд, отличный от единичного в несколько раз, что необходимо учитывать при дальнейших исследованиях по сорбции.
Разработана физико-математическая модель электростатического взаимодействия частиц порошков. Получены зависимости относительной массы сорбированного порошка от времени для полидисперсных частиц; при учете силы трения о поверхность приведено условие возможности электростатического взаимодействия частиц.
Проведены комплексные испытания макета по очистке поверхности для выбранных сорбентов с целью определить их эффективности. Для того, чтобы собрать и утилизировать отработанный порошок сорбента с поверхности разработано техническое средство сбора, включающее вакуумную систему сбора порошка и три ступени очистки.
ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ НА СВОЙСТВА
КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ.
INFLUENCE OF ANNEALING ULTRAFINE PLASMA-CHEMICAL POWDERS ON PROPERTIES OF CERAMICS BASED ON ZIRCONIUM DIOXIDE.
А.Д. Пшеничный
A.D. Pshenichny
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Национальный Исследовательский Томский государственный университет
Institute of strength physics and materials science SB RAS
National Research Tomsk State University
adpshenichny@gmail.com
Процесс изготовления керамических изделий сложной формы требует особых условий формования порошка. Традиционный метод прессования порошков в пресс формы, для формования изделий сложной формы не подходит из-за не равномерного распределения давления в объеме сложной формы. Перспективной технологией получения изделий сложной формы является литье термопластичного шликера. При использовании исходного порошка ZrO2, литейная способность достигалась при добавлении связки в количестве не менее 40%, что привело к большой величине порового объема (45–55%), высокой величине линейной усадки (15–20%), низким механическим и упругим характеристикам готового изделия.
Целью исследований настоящей работы является уменьшение количества вводимой связки в смесь «порошок-связка», для уменьшения величины пористости в объеме спеченной керамики, способствуя росту механических свойств и упругих характеристик.
В качестве исходного материала использовался ультрадисперсный плазмохимический порошок ZrO2, стабилизированный 3 мол.% MgO, полученный путём термического разложения водных растворов азотно-кислых солей металлов в плазме высокочастотного разряда.
Процесс приготовления термопластичного шликера осуществлялся при добавлении к порошку термопластичной связки, в качестве которой, в данной работе, выступала органическая связка – парафин. Далее происходило смешивание компонентов до однородного состояния, после чего производилось формование полученной массы в форму под давлением. При использовании исходного порошка, литье шликера было возможно, при количестве связки не менее 40%. При таком количестве связки, после спекания, были получены высокопористые образцы, обладающие низкими упругими характеристиками и механическими свойствами.
Для повышения технологических свойств керамики проводился предварительный отжиг порошка при температурах 800,900,1100°C, с изотермической выдержкой – 1 час. Процесс отжига порошка привел к образованию агломератов с увеличением размера зеренной структуры порошка. Далее, спеченный порошок подвергался механической активации в шаровой мельнице в течение 50 часов.
Предварительный отжиг и последующая механическая обработка порошка, позволили снизить количество термопластичной связки до 13–18% для достижения необходимой литейной способности шликера. Уменьшение количества связки в термопластичном шликере позволило уменьшить объем порового пространства, увеличить плотность, увеличить механические характеристики готового изделия.
Исследование пористости спеченных образцов показало, что с ростом температуры предварительного отжига порошка величина пористости уменьшается. Средний объем порового пространства в образцах полученных из порошков отожжённых при температурах 800, 900, 1100 °C, составляет 28–32, 15–22, 8–10% соответственно. Результаты металлографического анализа и анализ зеренной структуры керамики показали наличие зависимости между средним размером пор и температурой отжига порошка: с увеличение температуры происходит увеличение размера зерен (от 10 до 50 мкм), что привело к уменьшению среднего размера пор (от 17 до 3 мкм). Проведенный рентгенофазовый анализ образцов показал наличие в спеченной керамике высокотемпературной кубической и моноклинной фазы, причем в керамиках, полученных из порошков подвергнутых отжигу при более высоких температурах (900, 1100°C), величина процентного содержания кубической фазы больше, чем у керамики на основе порошков подвергнутых отжигу при низких температурах (800°C). Исследование механических свойств показало увеличение упругих характеристик с ростом температуры предварительного отжига порошка. Модуль Юнга увеличился с 7 до 40 ГПа, предел прочности на сжатие увеличился с 50 до 400–500 МПа.
Исследованиями установлено, что отжиг плазмохимического порошка ZrO2, стабилизированного 3 мол.% MgO, изменяет технологические свойства порошка, такие как: насыпную плотность, площадь удельной поверхности, влияя тем самым на характеристики термопластичного шликера и свойства спеченной керамики. Увеличение насыпной плотности порошка после отжига позволяет снизить количество вводимой в термопластичный шликер связки с 40% для исходного порошка, до 13% для отожженного, при этом литейная способность шликера не ухудшается, а механические свойства спеченной керамики возрастают.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Соглашения № 14.607.21.0069 (RFMEF160714X0069).
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
NVESTIGATION OF STRENGTH PROPERTIES AND FATIGUE
BEHAVIOR OF OXIDE ZIRCONIA CERAMICS
В.Д. Алиев 1, А.С. Нарикович 2, А.А. Козулин1
V.D. Aliev, A.S. Narikovich, A.A. Kozulin
1Национальный Исследовательский Томский государственный университет
2 Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград, Россия
1 National Research Tomsk State University, Tomsk, Russia
2 Immanuel Kant Baltic Federal University, Kaliningrad, Russia
Voldemar4ik@mail.ru
Возможности использования имплантатов, изготовленных из керамического материала, для реконструктивного восстановления органов с поврежденной костной тканью весьма ограничены. Причина состоит в необходимости обеспечения показателей биосовместимости и прочности имплантатов, приближенных к свойствам естественной костной ткани. Благодаря своим уникальным свойствам керамические материалы на основе ZrO2 нашли свое применение в реконструктивно-восстановительной хирургии. Однако показатели их механической прочности, в том числе усталостной долговечности еще мало изучены, поэтому исследования являются актуальными.
Целью данной работы было определение прочностных характеристик образцов из керамики на основе ZrO2 и циклической долговечности при трехточечном изгибе.
Образцы для исследований в виде балок размером 40х6х5 мм, в количестве достаточном для проведения экспериментов и статистической обработки, получены из мелкокристаллического порошка системы ZrO2 -MgO. Порошок состоит из пустотелых частиц сферической формы со средним размером 1.8 мкм. Получение образцов заключалось в прессовании порошка в пресс-формах и последующем высокотемпературном спекании прессовок. Спекание производилось при температуре 1600 °С и выдержке 1 час.
С использованием современных методов рентгеновской томографии с использованием томографа Y.Cheetah фирмы YXLON проводилась оценка дефектности внутренней структуры, определения пористости, наличия микротрещин, пустот в объеме обработанных материалов без разрушения исследуемого объекта. Установлено, что образцы после спекания обладали пористостью в диапазоне 15–30 %. Определение физико-механических свойств образцов проводили при испытаниях методом трехточечного изгиба на электродинамической испытательной системе Instron ElectroPuls E1000. Особенностью данной испытательной системы является возможность проведения испытаний при статических и динамических условиях нагружений с усилием до 1 кН.
Величину предела прочности и модуля упругости при статическом трехточечном изгибе керамических образцов определяли при скорости нагружения 0.2 мм/мин. Для определения прочности при изгибе использовали 5 образцов одной партии. Среднее значение предела прочности на изгиб для исследуемого материала составило  = 43.7 МПа при максимальном прогибе 0.12 мм, модуль упругости при изгибе Е=22 МПа.
Для определения усталостной долговечности производили построение кривой усталости Веллера. Кривую усталости строили по экспериментальным точкам в координатах «максимальное напряжение цикла σmax – число циклов до разрушения N». Условия нагружения по схеме однополярного синусоидального нагружения от 10 Н с размахом цикла в трех диапазонах нагрузки соответствующих 0.91-0.98 , 0.8-0.83, 0.73-0.77 и частотой воздействия 10 Гц. Предел выносливости определен в диапазоне 31.75-33.86 МПа, что составляет около 0.75 . Результаты усталостных испытаний данных керамических образцов имеют повышенный разброс. Это обусловлено природой материала – керамические образцы, изготовленные методами порошковой металлургии, имеют большое количество дефектов в виде пор и включений, которые служат источниками усталостных трещин и понижают усталостную прочность материала.
Методом рентгеновской томографии показана возможность исследования внутренних дефектов микроструктуры в объеме материала, оценки повреждаемости при многоцикловом нагружении методами неразрушающего контроля.
ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД И АЛГОРИТМ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ
ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ
АЭРОЗОЛЯ ПО РАЗМЕРАМ
NUMERICAL METHODS AND ALGORITHMS IN SOLVING
PROBLEMS RESTORATION DISTRIBUTION FUNCTION AEROSOL PARTICLES IN SIZE
А.А. Жирнов, О.Б. Кудряшова
A.A. Girnov, O.B. Kudryashova
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем
химико-энергетических технологий
Сибирского отделения Российской академии наук
Institute for Problems of Chemical & Energetic Technologies of the Siberian
Предложен численный метод оптимизации интегрирования в решении задачи определения дисперсных характеристик аэрозоля в турбидиметрическом высокоселективном методе. Описывается алгоритм восстановления функции распределения частиц аэрозоля по размерам.
Бесконтактные оптические методы диагностики потоков являются перспективным направлением в исследовании аэрозолей, так как они не вносят возмущения в исследуемую среду. Турбидиметрический высокоселективный метод (ТВСМ) является оптическим методом (модификация метода спектральной прозрачности) и позволяет определять дисперсные характеристики аэрозольных сред в диапазоне от ~20-6000 нм [1].
В ТВСМ при решении задачи восстановления функции распределения частиц аэрозоля по размерам (обратная задача оптики аэрозолей) производится перебор параметров гамма-распределения таким образом, чтобы теоретические расчёты наиболее точно описывали экспериментальные данные. Минимизируется функционал:
 ,
где
 , 
– соответственно, экспериментально и теоретически определяемые коэффициенты спектральной прозрачности. При переборе параметров распределения решение обратной задачи происходит с помощью решения серии прямых задач оптики аэрозолей. Очевидно, что при таком подходе требуются большие вычислительные затраты. В частности, при численном решении задачи значительное время расчёта занимает нахождение интеграла по формуле:
 ,
где  – теоретически определяемая оптическая толщина на разных длинах волн;  – индекс длины волн;
 – фактор эффективности ослабления;
 – диаметр частиц;
 – функция распределения частиц по размерам, в которой  и  – параметры распределения,  является нормировочным коэффициентом.
Для ускорения расчётов предлагается использовать численное интегрирование по методу Симпсона с двойным перерасчётом, что позволит автоматически вычислять результат с заданной точностью. В соответствии с алгоритмом [2] и его модификацией в виде замены подынтегрального выражения удалось ускорить расчёт интеграла и увеличить точность. Как показывают результаты вычислений, данный интеграл в диапазоне длин волн от 570 до 740 нм сходится значительно хуже – требуется, приблизительно, 800 итераций, – в то время как в диапазоне длин волн 850 нм до 1010 нм требуется около 300 итераций при точности 10-8.
Литература
Титов С.С. Турбидиметрический высокоселективный метод и быстро-действующий измерительный комплекс определения параметров нестационарных многофазных сред: дис. … канд. техн. наук / С.С. Титов Бийск, 2011. 153 с.
Царегородцева В.В. Вычислительная математика: лабораторный практикум по курсам «Численные методы» и «Вычислительная математика» для студентов всех специальностей и направлений подготовки / В.В. Царегородцева, Г.И. Севодина. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2014. 78 с.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВСПЛЫТИЯ ПОДВОДНЫХ СУДОВ В ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ
ПРИ ОГРАНИЧЕННОЙ ГЛУБИНЕ АКВАТОРИИ
EXPERIMENTAL STUDY OF POSSIBILITY OF SUBMARINE
VESSELS EMERGING IN THE ICE CONDITIONS
В.М. Козин, В.Л. Земляк, Н.О. Баурин
V.M. Kozin, V.L. Zemlyak, N.O. Baurin
Приамурский государственный университет им. Шолом-Алейхема, г. Биробиджан.
Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan
vellkom@list.ru
Традиционно всплытие субмарин из-под ледяного покрова осуществляется путем статического нагружения льда снизу за счет создания положительной плавучести главными балластными цистернами. Однако величина проламываемого льда (порядка 1 метра) из под которого может всплывать современная субмарина существенно ограничивает возможность использования традиционного метода, особенно при эксплуатации субмарин в тяжелых ледовых условиях Арктического региона. Для всплытия подводных судов в ледяном покрова большей толщины, могут быть использованы изгибно-гравитационные волны (ИГВ), возникающие при движении субмарины с определенной скоростью в близи нижней поверхности льда [1]. Известно, что в прибрежных районах глубина дна часто составляет менее 100 метров, поэтому весьма актуальным становиться решение задачи влияния глубины акватории на параметру генерируемых изгибно-гравитационных волн и их ледоразрушающую способность.
В работе выполнено экспериментальное исследование влияния глубины дна на ледоразрушаюшую способность изгибно-гравитационных волн, генерируемых от движения модели субмарины вблизи нижней поверхности сплошного ледяного покрова.
Экспериментальные исследования движения модели подводного судна под сплошным ледяным покровом при ограниченной глубине акватории проводились в ледовом бассейне размерами 10×3×1 м лаборатории “Ледотехники” Приамурского государственного университета имени Шолом-Алейхема (г. Биробиджан) [2].
Подвесное дно моделировалось с помощью трех секций установленных на подвижные модули, позволяющие с помощью компьютерного управления задавать необходимую глубину дна.
Модель субмарины, выполненная в масштабе λl=1:120 представляла собой тело вращения каплевидной формы с относительным удлинением Lm/Bm=8.4 (где Lm=1.15 м длина модели; Bm-ширина модели). Длина цилиндрической вставки модели составила Lcm=0.7 м. Полное подводное водоизмещение после пересчета на натуру равнялось Dn=24000 т. Параметры модели выбирались с учетом ранее проведенных экспериментальных исследований и являются оптимальными с учетом моделируемых ледовых условий.
В качестве критерия разрушения модельного льда использовался коэффициент α, равный максимальному значению тангенса угла наклона пластины.
Зависимость между разрушением пластины и коэффициентом α была установлена ранее эмпирически в экспериментальной работе [1]. При этом проводились серии модельных экспериментов по разрушению натурального ледяного покрова различной толщины при помощи моделей подводного судна и судов на воздушной подушке.
И для движения нагрузки по льду, и для движения подводного тела было получено, что в случае, когда максимальное значение угла наклона ледяной поверхности превышает значение 0.04, происходит полное разрушения льда и раскрытие трещин. Значение в экспериментальных исследованиях определялось по формуле
=2ωm/m,
Глубина акватории определялась безразмерным параметром. В экспериментах он составлял 0.35, 0.45, 0.55 и 0.65. Для проведения опытов была спроектирована и изготовлена необходимая оснастка и сформирован измерительный комплекс для регистрации колебаний модельного льда. В процессе буксировки модели определялась скорость ее движения, и записывались профили взволнованной поверхности льда. В ходе экспериментов были определены зависимости параметров изгибно-гравитационных волн от рассматриваемых ледовых условий. Установлено влияние глубины акватории на величину критической скорости перемещения модели, при которой генерировались изгибно-гравитационные волны наибольшей интенсивности. Определен характер разрушения ледяного покрова. Выполнена оценка ледоразрушающей способности изгибно-гравитационных волн, с помощью критерия ледоразрушения. Выявлены режимы движения, при которых разрушение льда было наиболее интенсивным.
Литература
1. Козин В.М., Онищук А.В., Марьин Б.Н. Ледоразрушающая способность изгибно-гравитационных волн от движения объектов. Владивосток: Дальнаука. 2005. 191 с.
2. Земляк В.Л., Курбацкий Д.А., Баурин Н.О. Лаборатория «Ледотехники» // Вестн. Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2013. Т. 12. № 1. С. 75-84.
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ГОРЯЧЕПРЕССОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ AL2O3 – ZRO2 – TIC НА ИХ МЕХАНИЧЕСКИЕ И РЕЖУЩИЕ СВОЙСТВА
INFLUENCE OF THE COMPOSITION OF HOT-PRESSED
COMPOSITES AL2O3 - ZRO2 - TIC ON MECHANICAL AND CUTTING PROPERTIES
Н.Л. Котельников 3, М.В. Григорьев 1,2
N.L. Kotelnikov, M.V. Grigoriev
1 Институт физики прочности и материаловедения СОРАН
2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
3 Национальный исследовательский Томский государственный университет
National Research Tomsk State University, Tomsk, Russia
National Research Tomsk Polytechnic University
Institute of Strength Physics and Materials
n.l.kotelnikov@yandex.ru
Керамические композиты Al2O3–TiC и Al2O3–ZrO2 широко используются в промышленности [1]. Композит Al2O3–TiC известен как «черная керамика» и имеет состав 70% Al2O3 и 30% TiC, благодаря высоком модулю упругости и твердости карбида титана «черная керамика» обладает повышенной твердостью порядка 22ГПа, но недостаточной вязкостью разрушения – не более 4 МПа*м1/2 [2]. Добавление до 20% ZrO2 частично стабилизированного иттрием, обладающего очень высокой вязкостью разрушения 10 МПа*м1/2, в матрицу оксида алюминия напротив повышает вязкость разрушения композита, но ухудшает твердость, в данном случае твердость и вязкость разрушения Al2O3- ZrO2 композитов составляют 18 ГПа и 5 МПа*м1/2, соответственно. В связи с этим вызывает интерес создание трехкомпонентного композита с добавлением, как диоксида циркония, так и карбида титана в матрицу оксида алюминия, что, по-видимому, позволит повысить вязкость разрушения композита при сохранении его высокой твердости.
Цель исследования – получить оксикарбидный трехкомпонентный композит на основе оксида алюминия и добавок в него диоксида циркония и карбида титана, и исследовать его структуру и физико-механические свойства, а так же провести испытание режущих свойств.
В работе использованы нано порошки оксида алюминия (США) и диоксида циркония (TOSOH, Япония), и субмикронный порошок карбид титана производство Россия.
Получение однородной порошковой композиции достигалось следующим образом: создавали водные суспензии отдельных компонентов, смешивали их друг с другом с помощью магнитной мешалки, с последующей обработкой суспензии ультразвуком. Осаждение полученной композиции производили путем флоккуляции частиц из раствора за счет повышения уровня PH, с последующей вакуумной сушкой. В результате были получены композиционные смеси состав которых указан в табл. 1.
Керамические композиты были получены методом горячего прессования в среде аргона, при температуре спекания 1500 градусов, давление прессования 50 МПа, и выдержке 10 минут.
Плотность образцов определяли гидростатическим методом. Твердость определяли методом Викерса по формуле, прикладываемая нагрузка составляла 5 кг, индентирование проводили не менее 10 раз.
Проведены испытания композитов на режущие свойства, при условии обработки закаленной стали резанием с ударом. Резание с ударом осуществлялось за счет обработки рабочей части сверла. В качестве обрабатываемой заготовки использовались сверла из закаленной стали 40Х диаметром 34мм, для каждого образца бралась новая заготовка. Условия резания: скорость вращения заготовки 150м/с; подача 0,1 мм на 1 оборот; глубина съема 0,3 мм; количество проходов 7.
Лучшее сочетание твердости и трещиностойкости достигается в составах содержащих диоксид циркония 10%. Добавление карбида титана более 20% понижает твердость и трещиностойкость.
Был проведен сравнительный анализ образцов серии AZT 1–4 на твердость и трещиностойкость в объеме материала (О) и на его поверхности (П). При этом в объеме параметры рассчитывались двумя способами на супервикерсе, и на нанотвердомере.
Механические свойства на поверхности и в объеме композитов отличаются, во всех образцах. Твердость на поверхности меньше чем в объеме, а трещиностойкость наоборот выше. С увеличением содержания карбида титана в системе прочность на изгиб уменьшается.
Показано, что метод горячего прессования в среде аргона, при температуре спекания 1500 градусов и выдержке 10 минут, позволяет получать композиты системы Al2O3 – ZrO2 – TiC с ультрамелкозернистой структурой и минимальной пористостью.
Наилучшее сочетание механических свойств и минимальный износ при точении с ударом показал состав 70%Al2O3 – 10%ZrO2 – 20%TiC его твердость и вязкость разрушения составили 21,3 ГПа и 5,12 МПа*м1/2 соответственно. Модуль упругости составил 503 ГПа. Предел прочности на изгиб – 393 МПа.
Литература
Григорьев М.В., Буякова С.П., Кульков С.Н. Влияние механической обработки на структуру и свойства порошков ZrO2 и TiC и спеченных на их основе керамик // Огнеупоры и техническая керамика -2013. №11/12 С. 20–25.
Zhang Y, Wang L, Jiang W, Chen L, Bai G. Microstructure and properties of Al2O3–TiC nanocomposites fabricated by SPS from high-energy ball milled reactants. // J Eur Ceram Soc. 2006. 26:3393–7.
МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КЕРАМИК МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
MODELING ELASTIC PROPERTIES OF ADVANCED CERAMICS FOR MEDICAL PURPOSES
В.А. Микушина
V.A. Mikushina
Национальный Исследовательский Томский государственный университет
National Research Tomsk State University
mikushina_93@mail.ru
В настоящее время керамические материалы благодаря своей биосовместимости широко применяются в современной медицине. Среди таких материалов можно выделить керамику на основе диоксида циркония, т.к. она занимает особое место в списке перспективных для развития видов керамики. Прежде всего, она обладает высокими показателями механических свойств, включая прочность, и характеризуется высокими показателями трещиностойкости, коррозионностойкости и термостойкости. Диоксид циркония не вызывает раздражения для тканей и не вызывает аллергических реакций. Кроме того, он не участвует в гальванических процессах и пропускает рентгеновские лучи [1]. В процессе внедрения в организм имплантата из керамики происходит врастание костных тканей в поры керамики, что позволяет говорить об образовании нового специфического материала – биокомпозита «кортикальная костная ткань – керамика на основе ZrO2». Важной является задача прогнозирования характеристик этого материала. В связи с этим представляет интерес исследование упругих свойств образовавшегося биокомпозита.
Исследования проводились в рамках компьютерного моделирования в двумерной постановке. Структура пористости биокомпозита описывается при помощи геометрической модели. Распределение размеров пор соответствует известным экспериментальным данным [2]. Поры при построении геометрической модели представлены дискретными элементами, хаотично размещенными в пределах моделируемого объема. Рассмотрен случай статического одноосного нагружения. Полагается, что вследствие такого способа нагружения в материале реализуется плоско-деформированное состояние. Используемая методика решения задачи изложена в работах [3, 4].
В результате проведенного исследования получено распределение локальных модулей упругости, показано, что это распределение является несимметричным и хорошо описывается законом Вейбулла, найдены параметры этого закона. Результаты статистического исследования позволяют найти наиболее вероятное значение распределения локальных модулей упругости (моду распределения), которое может быть принято в качестве эффективного значение модуля упругости биокомпозита. Показано что для модельного биокомпозита, характеризующегося содержанием костной ткани С=40% величина эффективного модуля упругости составляет 80 ГПа.
Литература
1. Канюков В.Н., Стрекаловская А.Д., Килькинов В.И. Материалы для современной медицины : учеб. пособие. Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. 113 с.
2. Калатур Е.С. Влияние пористости на структурно-фазовое состояние, деформацию и разрушение пористой керамики ZrO2(MexOy): автореф. дис. … канд. техн. наук / Е.С. Калатур. Томск, 2013. 18 с.
3. Советова Ю.В., Сидоренко Ю.Н., Скрипняк В.А. Многоуровневый подход к определению эффективных свойств композита с учетом повреждаемости // Физ. мезомех. 2013. Т. 16. № 5. С. 59–65.
4. Советова Ю.В., Сидоренко Ю.Н., Скрипняк В.А. Многоуровневый подход к исследованию влияния объемного соотношения компонентов волокнистого однонаправленного углепластика на его механические характеристики // Вестн. Том. гос. ун-та. Матем. и мех. 2014. № 2(28). С. 79–87.
ВЛИЯНИЕ СХЕМЫ АРМИРОВАНИЯ НА НЕСУЩУЮ
СПОСОБНОСТЬ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
INFLUENCE OF REINFORCEMENT SCHEMES ON THE LOAD BEARING CAPACITY OF ICE
К.И. Ипатов
K.I. Ipatov
ФГБОУ ВПО Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, г.Биробиджан
Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan
vellkom@list.ru
Примеры использования естественного ледяного покрова в качестве ледовых переправ известны очень давно но, несмотря на это экспериментальное и теоретическое определение несущей способности льда под действием статической и динамической нагрузки (грузовых и пассажирских автотранспортных средств) началось сравнительно недавно и вызвано повышением веса передвигаемых по льду грузов. Для повышения несущей способности ледяного покрова могут быть использованы армирующие элементы.
Известны различные способы создания ледовых переправ, которые могут использоваться, если толщина ледяного покрова составляет не менее 1 метра. Однако часто может возникнуть необходимость ввода в строй ледовых переправ и грузонесущих платформ при значительно меньшей толщине льда. Поэтому весьма актуальным становится решение задачи, разработки таких способов повышения несущей способности льда, при которых требуемая прочность обеспечивается при малых толщинах (от 20 см и выше).
Целью работы является разработка схем армирования льда и экспериментальная оценка предельной несущей способности ледяного покрова при воздействии на него статически приложенной нагрузки.
Для решения поставленной задачи на базе лаборатории Ледотехники Приамурского государственного университета имени Шолом-Алейхема (г. Биробиджан) была спроектирована и собрана экспериментальная установка, в основе которой использовался гидравлический пресс с номинальным усилием до 20 т. Пресс был дополнен специально спроектированным и изготовленным цельносварным металлическим поддоном, на который укладывалась ледовая балка, а также бесконтактным лазерным датчиком LAS-Z компании Way Con (Германия), который записывал величину прогиба испытуемого образца. Полученные с датчика значения использовались для построения графиков в программе Test Viewer. Для заготовки ледовых балок размерами L×B×H=2000×200×200 мм, были спроектированы и изготовлены универсальные деревянные опалубки в количестве 10 штук. Для армирования ледовых балок использовались цельносварные каркасы из стальной арматуры диаметром 6 мм. Каркасы различались количеством и расположением (направлением) армирующих элементов.
Модельные эксперименты показали увеличение несущей способности армированного ледяного покрова, по сравнению с обычными ледовыми балками более чем в два раза. Был установлен характер разрушения образцов. Определены те схемы армирования, при которых несущая способность льда была максимальной.
Литература
Земляк В.Л. Лаборатория «Ледотехники» / Курбацкий Д.А., Баурин Н.О. // Вестн. Приамурского государственного университета им. Шолом-Алейхема. 2013. № 1(12), С. 75–84.
Секция 4
БАЛЛИСТИКА И НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА
Session 4
Ballistics and Celestral mechanics
|
