Введение к работе
Актуальность работы. Успешное развитие таких областей новой техники, как авиационная и космическая, разработка новых конструкций, работающих при интенсивных динамических нагрузках в широком интервале температур и т.п., возможно лишь при условии создания принципиально новых конструкционных материалов, существенно превосходящих по комплексу своих свойств традиционные металлы и сплавы. Одним из видов таких материалов являются композиционные материалы. Легко объясним большой интерес к этим материалам. Помимо высокого уровня таких свойств, как прочность, жаропрочность, жаростойкость и т.д., композиционные материалы обладают одним очень важным свойством - высоким сопротивлением распространению трещин. Последнее свойство позволяет существенно повысить надежность конструкций.
Среди композиционных материалов особое место занимают армированные композиционные материалы с металлической матрицей. Материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными волокнами и полосами, за счет варьирования компонентами (матрицами, упрочняющими элементами и их объемным содержанием) дают возможность создавать материалы с уникальным комплексом свойств.
Особый интерес представляют волокнистые композиционные материалы с титановой матрицей, так как, во-первых, они могут применяться при температурах, недопустимых для армированных материалов с полимерной матрицей и, во-вторых, титановые сплавы среди обычных конструкционных материалов обладают самой высокой удельной прочностью.
Одной из причин, из-за которой титановые сплавы длительное время не использовались в качестве матричного материала, является высокая реакционная способность титана. Это было главным препятствием при изготовлении композитов, т.к. высокая реакционная способность титана отражается на структуре и физико-механических свойствах границы раздела волокно - матрица. Но в последнее время к титану вновь проявился интерес, вызванный новыми высокоскоростными методами изготовления композиционных материалов, при которых уменьшается степень химического взаимодействия между упрочняющими элементами и матрицей в процессе создания композита.
Практически все методы получения армированных композиционных
материалов с металлической матрицей, за исключением сварки взрывом, приводят к изменению исходных свойств армирующих элементов вследствие температурного воздействия в процессе изготовления. Это и ряд других факторов делают сварку взрывом одним из перспективных методов получения металлических материалов, армированных высокопрочными и высокомодульными волокнами. Вместе с тем, отсутствие комплексных исследований, включающих изучение механизмов, физических основ и предельных возможностей сварки взрывом армированных композиционных материалов, а также физических явлений, сопровождающих процесс образования соединения, не дает возможности прогнозировать структуру и свойства этих материалов. Возникающие при высокоскоростных нагружениях явления потери устойчивости армирующих элементов не позволяют рассчитывать исходя из общих соображений, конечные свойства аршрован-ных материалов. Поэтому особую актуальность приобретают вопросы установления причин, вызывающих эти явления, роли этих явлений в формировании структуры и конечных свойств армированных композиционных материалов и разработки методов.управления параметрами процесса сварки взрывом для создания материалов с максимальным эффектом упрочнения.
Цель работы. Исследование механизмов образования соединения армированных композиционных материалов, особенностей структуры границы соединения, определение необходимых и достаточных условий для получения армированных композиционных материалов с максимальным эффектом упрочнения. Теоретическое и экспериментальное исследование форм потери устойчивости армирующих элементов,, исследование и прогнозирование структуры и свойств волокнистых композиционных материалов с титановой матрицей и однонаправленных волокнис тых с труктур.
Научная новизна. Анализ микроструктурных особенностей границы раздела матрица - матрица и волокно - матрица позволил предложить модели для описания механизмов взаимодействия элементов волокнистого композиционного материала при продольном и поперечном армировании, объяснить характер образующихся границ соединения, определить максимальное объемное содержание армирующих волокон, обеспечивающее условие прочной связи на границе матрица - матрица.
Проведен численный анализ возможных дозвуковых соударений в окрестности точки контакта при сварке металлов взрывом. Для
ряда сочетаний металлов получены предельные параметры соударения, разграничивающие область сверхзвуковых скоростей точки контакта на область с ударными волнами в точке контакта и область с дозвуковым соударением, в которой возможна реализация процесса сварки металлов взрывом.
Сформулированы условия, достаточные для получения армированных материалов с максимальным эффектом упрочнения, зависящие от характеристик компонентов, составляющих композиционный материал, и параметров соударения, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными результатами.
Дано объяснение динамическому выпучиванию армирующих волокон и полос, как явлению потери устойчивости при высокоскоростном нагрунении. В рамках моделей потери устойчивости упругопласти-ческих стержней конечной длины, а также стержней и полос, нагруженных на переменном интервале, получены решения, описывающие установленные экспериментальные факты. Предложены методы устранения явлений потери устойчивости армирующих элементов при сварке взрывом армированных композиционных материалов.
Основные результаты работы распространяются на все армированные композиционные материалы с металлической матрицей, получаемые сваркой взрывом, и однонаправленные волокнистые структуры, а исследование свойств композитов при различных условиях термического воздействия и видах нагружения применимо для прогнозирования длительных прочностных характеристик армированных материалов независимо от способа их изготовления.
Практическая ценность. В работе получены волокнистые композиционные материалы на основе титана, армированного высокопрочными стальными и молибденовыми волокнами. Установлено влияние потери устойчивости волокон на ползучесть и длительную прочность волокнистых композиционных материалов. Получена зависимость долговечности композиционного материала от постоянно действующего напряжения, основанная на правиле смеси с учетом характеристик ползучести и длительной прочности компонентов.
С учетом характеристик ползучести и длительной прочности компонентов и возможных изменений свойств длительной прочности композиционных материалов вследствие термического воздействия получен интегральный критерий, позволяющий при известном законе изменения напряжений при нагрунении вдоль направления армирования прогнозировать долговечность армированных композицион-
ных материалов.
Получено критериальное уравнение для определения долговечности цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним давлением, произвольно изменяющимся во времени. Экспериментально подтверждена возможность использования полученного уравнения. При условии равнонапряженности цилиндрической оболочки расчеты и эксперименты показали, что цилиндрическая оболочка из волокнистого композиционного материала титан ВТІ-0 - молибденовые волокна с объемным содержанием армирующей фазы равным 2Ъ% оказывается на 1Ъ% легче, чем оболочка из наиболее технологического титана 0Т4 при одинаковом разрушающем давлении и одинаковых схемах действующей нагрузки.
Разработан метод и технологии соединения сталеалюминиевых проводов высоковольтных линий электропередачи с использованием энергии взрыва для всех классов напряжений.
Структура диссертации. Диссертация содержит 276 страниц, в том числе 181 страницу машинописного текста, 102 рисунка, 23 таблицы и приложения на 9 страницах; состоит из Введения,трех глав, заклтаения и приложения. Библиографический список цитированной литературы включает 151 наименование работ отечественных и зарубежных авторов.