10716

Испытания на одноосное растяжение плоских образцов проводили на универсальной испытательной машине AG-Xplus-0.5 фирмы Shimadzu при комнатной температуре, скорость нагружения составляла 5 Н/мм2.

Исследования поверхности разрушения проводили с использованием оптического микроскопа KEYENCE VHX-1000 с расширенными возможностями за счет усовершенствованной длиннофокусной оптической системы и цифровой обработки изображения.

Результаты исследований и их обсуждение

Фрактографические картины поверхностей статического разрушения исследованных серий образцов из дисперсно-упроченных композиционных материалов изучались на образцах, разрушившихся при максимальном значении напряжения.

а б в Рис. 2. Фрактограммы излома образца № 1: а – оптическая

макроструктура х40; б - макроструктура в режиме Optimal Image; в – 3D структура с профилограммой по выделенному сечению

На рисунке 2,а приведен макроскопический вид поверхности излома плоского образца ДУКМ №1 с наименьшим количеством включений твердой фазы 10%, состоящий из волокнистой зоны с областями случайно расположенных волокон без какой-либо преимущественной ориентировки. Очаг разрушения и зона зарождения трещины неопределённы (рис. 2,б), что связано со стабильностью процесса высокоэнергетического распространения трещины при разрушении. Излом характеризуется морфологически единой поверхностью разрушения, т.е. однородный по макрогеометрии без геометрических зон существенно различающихся по рельефу с наличием однотипных элементов разрушения, что показано на рисунке 2,в в виде характеристики степени неровности поверхности разрушения в направлении, перпендикулярном плоскости приложения нагрузки. Небольшое количество дисперсных включений в матрице исследуемого материала расположенных на значительных расстояниях приводит к образованию в некоторых направлениях невысоких гребней, что можно объяснить фактом обхода или огибания их фронтом

60

продвижения трещины, которому такое продвижение проще выполнимо, чем по телу высокотвердых фаз. При этом поликристаллический характер структуры (зеренное строение) определяет тот факт, что фронт разрушения материала претерпевает незначительное ветвление.

Заключение

В исследованном материале с низким процентным содержанием Al2O3 макроанализ поверхности разрушения показывает вязкий характер разрушения, состоящий преимущественно из одной волокнистой зоны. При тройном увеличении упрочняющей фазы относительно образцов первой партии наблюдается ярко выраженное чередование вязкого разрушения по механизму отрыва и сдвига с проявлениями хрупкого разрушения сколом.

Литература

1.Agureev L.E., Kostikov V.I., Eremeeva Zh.V., Barmin A.A., Savushkina S.V., Ivanov B.S. Aluminum composites with small nanoparticles additions: corrosion resistance // Mechanics, Materials Science and Engineering Journal. 2016. No. 2. С. 23-28.

2.Kurganova Y.A., Chernyshova T.A., Kobeleva L.I., Kurganov S.V. Service properties of aluminum-matrix precipitation-hardenet composite materials and the prospects of their use on the modern structural material market

//Russian metallurgy (Metally). 2011. Т. 2011. No. 7. С. 663-666;

3.Mitra R., Mahagan Y.R. Interfaces in discontinuously reinforced metal matrix composites: an overview // Bull. Mater. Sei. 1995. vol. 18, No. 4. p. 405434.

4.Hosking .F.M, Portillo F., Wunderlin R. Mehrabian R. Composites of aluminum alloys; fabrication and wear behavior // J.Mater.Sci. 1982. 17. No. 2. P.477-498.

5.Rohatgi P. Cast aluminum matrix composites for automotive applications // JOM. 1991. 43. No. 4. P. 10-16.

6.Goswami R.K.,Dhar Ajay, Srivastava A.K., Gurta Anil K. Effect of deformation and ceramic reinforcement on work hardening behavior of hot extruded2124 Al-SiC metal matrix composites // J. Compos. Mater. 1999. 33. No. 13 Р. 1160 -1172.

7.Goswami R.K,Dhar Ajay, Srivastava A.K, Gurta Anil K. Effect of deformation and ceramic reinforcement on work hardening behavior of hot extruded2124 Al-SiC metal matrix composites // J. Compos. Mater. 1999. 33. No.13. Р. 1160 -1172.

8.Olmos L., Martin Christophe L., Bouvard D., Sintering of Mixtures of Powders: Experiments and Modelling // Powder Technology. 2009. 190. Р. 134140.

61

9.Chen Z., Takeda T., Ikeda K., Murakami T., The Influence of Powder Particle Size on Microstructural Evolution of Metal-Ceramic Composite // Scripta Matter. 2000. 43. Р. 1103-1109.

10.Sebo P., Kavecky S., Stefanik P. Wettability of Zirconia-coated carbon by aluminium // J Mater Sci Letters. 1994. 13. Р. 592-593.

11.Muolo M.L., Passerone V.A., Passerone D., Oxygen influence on ceramics wettability by liquid metals Ag/α-Al2O3- Experiments and Modelling

//Mater Sci and Eng. 2008. 3 (495). Р. 153-158.

12.Liu Y. B., Lim S. C., Lu L., Lai M.O., Recent development in the fabrication of metal matrix-particulate composites using powder metallurgy techniques // J Mater Sci. 1994. 29. Р. 1999-2007.

13.Moyal J. S., Lopez-Esteban S., Pecharroma’n C., The challenge of ceramic/metal microcomposites and nanocomposites // Progress in Material Science. 2007. 52. Р. 1017-1090.

14.Kablov, E.N., Ospennikova, O.G., and Lomberg, B.S., Strategic trends of development of structural materials and technologies of their processing for modern and future aircraft engines // The Paton Welding J. 2013. No. 11. Р. 23– 32.

15.Романов А.Д., Чернышов Е.А., Мыльников В.В., Романова Е.А. Разработка технологии получения композиционного материала на основе алюминия // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. No. 12-2. С. 176-179.

16.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. No. 9.

С. 78-83.

17.Чернышов Е.А., Мыльников В.В., Романов А.Д., Романова Е.А. Разработка технологии получения алюмоматричного дисперстнонаполненного литого композиционного материала с контролем размеров фаз упрочнения / VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва. 10-13 ноября 2015 г.

//Сборник материалов. – Москва: ИМЕТ РАН. 2015. С. 667-669.

18.Чернышов Е.А., Мыльников В.В., Романов А.Д., Романова Е.А Разработка метода получения литых многокомпонентных систем с заданным размером и распределением неметаллических упрочняющих частиц // Современные проблемы науки и образования. 2014. No.6. С. 324.

62

Мыльников В.В., Кондрашкин О.Б.

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет»

РЕАКЦИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ИЗМЕНЕНИЕ ЧАСТОТЫ НАГРУЖЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Целью данной работы является исследование связи физикомеханических характеристик цветных металлов с показателями сопротивления усталости в условиях симметричного знакопеременного изгиба с вращением в широком диапазоне спектра нагружения.

Материалы и методы исследований Для выявления закономерностей влияния частоты циклического

нагружения на усталостную прочность и долговечность было принято решение исследовать чистые металлы с разным типом кристаллической решетки.

За количественные оценки показателей сопротивления усталости были приняты повреждаемость поверхности (Ф) и наклон левой ветви кривой усталости к оси циклов tg αw

Полосы скольжения исследовались с помощью оптической и электронной микроскопии. Испытания образцов проводились на воздухе при температуре 20°С по схеме консольного изгиба с вращением.

Результаты экспериментов и их обсуждение 1. Повреждаемость поверхностного слоя металлов при изменении

частоты циклического нагружения.

Влияние частоты циклического нагружения (ω) можно рассматривать как влияние на сопротивление усталости (пластическому деформированию) скорости деформирования, либо продолжительности времени действия напряжений. С увеличением частоты циклического нагружения (скорости деформирования) время нарастания напряжения сокращается, при этом напряжение, соответствующее определенной пластической деформации, увеличивается. Интенсивность снижения сопротивления разрушению материала связана с интенсивностью накопления повреждений. Чем легче деформируется поверхностный слой, тем сильнее повреждается поверхность материала (тем больше величина Ф). Повреждаемость активного слоя и собственно поверхности описывается выражением вида:

(1)

63

– параметр повреждаемости активного слоя поверхности; τ – напряжение, действующее на петлю дислокации; Вд.у – площадь дефекта упаковки; Uп – энергетический порог повреждаемости поверхностного слоя; Kj – параметр, связанный обратной зависимостью с поперечным размером (толщиной) поверхностного слоя j; KАy – параметр, определяющий сопротивление среды прохождению физического процесса пластической деформации, параметр упрочнения материала поверхностного слоя.

Вследствие увеличения прочности (при ω2 > ω1 → σω2 > σω1) энергетический порог начала повреждаемости поверхностного слоя (Uп) повышается за счет роста сопротивления металла сдвиговой деформации (Kу увеличивается) и параметра повреждаемости активного слоя

пленки;

Uо.д – энергия, связанная с величиной отрицательного давления (натяжением поверхности, удерживающим твердое тело как единое целое); USп /V – энергия, определяемая отношением площади поверхности (Sп)

к объему (V);

Uп.в – энергия, зависящая от прочности вещества (имеется в виду материал тонкого поверхностного слоя).

Следствием этого являются уменьшение интенсивности поперечного скольжения.

Чем меньше ω, тем меньше скорость деформации и тем меньше сопротивление среды прохождению процессов разупрочнения (меньше параметр КАу), то есть разупрочнение происходит легче, чем упрочнение. Вероятность повреждаемости увеличивается.

2. Роль энергии дефекта упаковки в сопротивлении прохождению физического процесса локализованной пластической деформации на усталостную прочность и долговечность материалов.

Природа возникновения широких полос связана с поперечным скольжением, энергия активизации которого обратна энергии дефекта упаковки (γ). Чем ниже γ, тем больше материал способен к деформационному упрочнению, сопротивление среды прохождению физического процесса пластической деформации становится выше. Узкая дислокация имеет более высокую энергию дефекта упаковки – γ и движется в плоскости скольжения свободней, чем широкая дислокация с низкой γ. Узкая дислокация также более свободно совершает поперечное скольжение.

64

Торможение дислокаций у препятствий в плоскостях скольжения тем эффективнее, чем ниже энергия γ. Следовательно, чем выше энергия γ, тем больше превалирует разупрочнение и тем меньше материал сопротивляется пластической деформации путем скольжения расщепленных дислокаций. И наоборот, чем ниже энергия γ, тем больше материал сопротивляется пластической деформации, т. е. материал способен к деформационному упрочнению. Параметр, определяющий сопротивление среды прохождению физического процесса пластической деформации, параметр упрочнения материала при скольжении расщепленных дислокаций обозначен как К Ау (формула 1). Стало быть,

К Ау 1 > К Ау 2 при γ1 < γ2. Величина энергии дефекта упаковки определяет

интенсивность поперечного скольжения, которое приводит к накоплению усталостных повреждений в полосах скольжения. Это обстоятельство снижает параметры сопротивления усталости материала в виде увеличения наклона кривой усталости, приводящего к уменьшению количества циклов до разрушения.

3. Гомологическая температура как отклик на параметрах сопротивления усталости при изменении частоты нагружения.

Гомологическая температура определяется отношением:

Тпл = tпл+273 оС - температура плавления металла, К.

Из представленного соотношения следует, что при одинаковой температуре эксперимента гомологическая температура различных металлов будет существенно отличаться. С увеличением частоты циклов

(ω) увеличивается скорость деформации. Скоростной эффект, когда при условии ω2 > ω1 напряжение σω2 всегда больше σω1 (за исключением случаев, относящихся к деформационному старению), наблюдается у всех испытанных металлов, но в разной степени. Чем выше гомологическая температура испытания (Θ), тем сильнее должен быть выражен скоростной эффект, т.е. изменение частоты циклического нагружения более существенным образом скажется на показателях сопротивления усталости. С ростом температуры плотность полос скольжения возрастает (скоростной эффект усиливается), т. е. поперечное скольжение увеличивается. Наклон кривых усталости с ростом температуры растет. Однако, следует иметь ввиду, что при предплавильной температуре влияние скорости на напряжение может становиться слабее. В этом случае долговечность определяется ползучестью, которая связана, как известно, со временем, а не с числом циклов нагружения.

65

Structural Materials Subject to Cyclic Loading // Physics of atomic nuclei. 2015. Vol. 78. P. 1374-1381.

Осятушкин М.С., Зотов Д.И.

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТИВООПОЛЗНЕВЫХ СООРУЖЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

В качестве примера выбраны противооползневые сооружения д/л «Солнечный» расположенные на участке относящегося к западной части Южного склона Крымских гор, с преимущественно - гравитационным расчленением, и развитием терригенных пород таврической серии, к Туакскому (Алуштинскому) антиклинорию (II-А-2-а)

Сложность инженерно-геологических условий обусловлена геоморфологическими особенностями. Участок расположен в западной части крупного водораздела между реками Хаста и Суук-Су.

На формирование рельефа южного склона Главной гряды оказывают влияние землетрясения и гравитационные (обвально-осыпные и оползневые) процессы.

Амплитуда колебаний абсолютных отметок 78 метров. Формирование рельефа участка застройки обусловлено

техногенными и природными факторами.

Техногенные факторы связанны с устройством комплекса берегоукрепительных сооружений. В границах естественной пляжной зоны были отсыпаны грунты, которые служат основанием набережной. Мощность насыпных грунтов изменяется от ~ 3 м до ~ 4,6 м.

Природные включают в себя:

Эрозионные формы рельефа наблюдаются в пределах выхода известняка на поверхность, которые связаны с плоскостной эрозией. Плоскостной поток воды в соответствии с рельефом местности постепенно разбивается на отдельные струи и является начальной стадией развития струйчатой эрозии.

Оползневые формы рельефа. На рассматриваемой территории наблюдаются два оползня, образовавшихся в результате подрезки склона при строительстве автомобильных дорог. Первый оползень расположен в центральной части участка изысканий и захватывает автодорогу на д/л «Кипарисный» и далее распространяется до въезда на д/л «Солнечный». В рельефе поверхности земли на теле оползня наблюдается несколько бровок срыва. Протяженность оползня по подошве вдоль побережья достигает 151м, а в глубь территории д/л от побережья достигает 78м. Второй

67

оползень захватывает автомобильную дорогу в южной части участка изысканий и распространяется до бетонной дорожки на д/л «Лазурный». В рельефе поверхности земли наблюдается четкая бровка срыва, хотя и задернована травянистой и древесной растительностью.

Структурно-тектонический фон развития оползней на Южном Берегу Крыма (ЮБК) характеризуется наличием большого количества складчатоблоковых структур разных порядков, а также разновозрастных и разнонаправленных разрывных тектонических нарушений.

На площадке проектируемого строительства распространены эндогенные и экзогенные процессы.

Эндогенные процессы связаны с высокой сейсмичностью - 8 баллов. Экзогенные процессы. На территории изысканий развиты следующие процессы, которые тесно связаны между собой, активизируются в связи с хозяйственной деятельностью человека и оказывают отрицательное влияние на строительство и эксплуатацию

зданий и сооружений:

-техногенные связанные с изменения природного ландшафта;

-подтопление подземными водами и затопление поверхностными;

-водами территории; - затопление поверхностными водами;

-физико-химическое выветривание ИГЭ;

-плоскостная эрозия склона при выпадении атмосферными осадками;

-оползневые.

В ходе проектирования противооползневых сооружений д/л «Солнечный» были рассмотрены варианты подпорных сооружений, по данным расчетов была подобрана оптимальная конструкция сооружений исходя из требований СП и специальных технических условий.

Противооползневая защита выполняется в виде удерживающих сооружений - свайных ростверков. На рассматриваемом участке применяется характерная планово-высотная компоновка посадки здания на склон, которая располагается на 4 ярусах, так же условным 5-м ярусом является площадка, расположенная с нагорной стороны, по которой проходит проезд.

Для исключения восприятия бокового давления грунта с учетом оползневого давления и сейсмических сил на стену здания предусматриваются подпорные стены в виде свайных ростверков:

-подпорная стенка 3-го яруса;

-подпорная стенка 4-го яруса;

-подпорная стенка 5-го яруса;

Подпорная стенка 3-го яруса В силу крайне стесненных условий подпорная стенка 4-го яруса

устраивается под фундаментной плитой корпуса 4-го яруса.

68

Тип подпорной стенки – двухрядный, трехрядный и четырех рядный свайный ростверк с несистематическим расположением свай.

Протяженность ростверка - 103,1 м. Размеры ростверка: 5,34х1,0 м; 3,75х1,0 м.

Основные отметки ростверка: низ - 12,00 м БС; верх - 13,00 м БС.

Тип свай: БСИ-750-22.2, СБН 25.100, СБН 30.100, СБН25.75.

Рис. 1. Противооползневые сооружения д/л Солнечный

Подпорная стенка 4-го яруса Подпорная стенка 4-го яруса устраивается под фундаментной плитой

корпуса 4-го яруса. Ростверк защищает сооружения спального корпуса 2- го яруса и воспринимает на себя боковую нагрузку от грунта.

Тип подпорной стенки - двухрядный свайный ростверк с систематическим расположением свай.

Протяженность ростверка – 82,8 м. Размеры ростверка - 3,745х1,0 м.

Основные отметки ростверка: низ - 20,70 м БС; верх - 21,70 м БС. Тип свай: внешний ряд - БСИ-750-22.2; внутренний ряд - СБН35.75.

Подпорная стенка 5-го яруса Подпорная стенка 5-го яруса устраивается со стороны склона

относительно местоположения 4-го яруса здания. Подпорная стенка с ростверком повышает общую устойчивость склона и воспринимает на себя боковую нагрузку от грунта в том числе и от сейсмических сил. Основные показатели свайного ростверка приводятся ниже:

Тип подпорной стенки - двухрядный и трехрядный свайный ростверк с систематическим расположением свай.

Протяженность ростверка - 86,3 м.

69