Водород – один из самых распространенных элементов в природе, является потенци- ально приемлемым для зарядки, производства и потребления энергии, а также для ис- пользования его в различных отраслях промышленности. Наиболее безопасный способ аккумулирования водорода – металлогидридный, например, в виде гидрида магния, что дает возможность безопасно хранить и транспортировать его. Существенным показателем эффективности системы «металл – водород» является скорость гидридного превращения, которая у магния недостаточно высока. Известно, что при оптимальных термодинамических условиях насыщения магния водородом на кинетику сорбции основное влияние оказывают размер частиц (площадь поверхности), размер кри- сталлитов/зерен (протяженность границ), различные добавки – катализаторы. Расчеты, выполненные в настоящем исследовании и определяющие возможность за- рождения гидрида, основаны на предложенном авторами новом энергетическом соотно- шении, учитывающем как физико-химические, так и механические факторы. Показано, что оценка размера области фазового превращения на основе минимума полной энергии си- стемы адекватно отражает процессы, происходящие при гидридообразовании в магнии. Размер критического зародыша при фазовом (гидридном) превращении в твердой фазе (магнии) контролируется в том числе соотношением объема и поверхности зарождающей- ся фазы, аналогично кристаллизации из раствора. Учет механического отклика системы на образование гидрида позволил предложить трактовку ряда явлений, которые регулярно фиксируют в процессе проведения экспериментов. Речь идет о влиянии специальных до- бавок и механической текстуры, инициирующих ускорение гидридообразования. Получен- ные результаты позволяют предложить механизм ориентированного зарождения гидрида в текстурированной матрице магния за счет анизотропии упругих характеристик образую- щейся фазы.

Изготовленные из композиционных материалов конструкции в процессе эксплуатации подвержены циклическим, динамическим, вибрационным и другим воздействиям, приводящим к накоплению повре- ждений и постепенной деградации механических характеристик. В связи с этим актуальным является проведение экспериментальных и теоретических исследований влияния комбинированных воздействий на изменение механических характеристик материала. При этом необходим учет реализуемого в кон- струкциях сложного напряженного состояния. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию закономерностей деградации жест- костных характеристик стеклопластиковых трубчатых образцов, полученных непрерывной намоткой, по мере накопления усталостных повреждений вследствие двухосного пропорционального циклического воздействия. Рассмотрены методические аспекты реализации двухосного нагружения. Проведены ква- зистатические и усталостные испытания образцов с различными углами намотки при одноосном растя- жении, кручении, а также пропорциональном растяжении с кручением с тремя различными соотношени- ями нормальной и касательной компонент тензора напряжений. Выявлено наличие ниспадающего участка на диаграммах нагружения при кручении. Построены поверхности прочности. С использованием ранее разработанной авторами аппроксимации кривых усталостной чувствительности проведена обра- ботка экспериментальных данных о снижении динамических модулей упругости по мере роста числа цик- лов воздействия. Отмечена высокая описательная способность разработанной модели и низкие значе- ния коэффициентов вариации рассчитанных параметров. Выявлены немонотонные зависимости пара- метров модели от вида напряженного состояния. Обнаружено значительное влияние угла намотки на усталостную чувствительность композита. Сделан вывод о необходимости учета возникающего вслед- ствие усталостных повреждений снижения механических характеристик материалов в расчетах конструк- ций и рациональности проведения дальнейших экспериментальных исследований для верификации ра- нее разработанных моделей.

В рамках теории мелкодисперсных нанокомпозитов получена зависимость эффектив- ного модуля Юнга от абсолютного размера армирующих частиц. Рассмотрены два случая управления/изменения эффективного модуля Юнга при постоянной относительной объём- ной доле армирующих частиц. Первый – распад армирующих частиц на более мелкие с по- следующей диффузией по объему матрицы. В этом случае эффективный модуль наноком- позита возрастает. Второй – агломерация армирующих частиц в более крупную. В этом слу- чае эффективный модуль нанокомпозита снижается. Эти закономерности представляются универсальными и не зависящими от технологии термообработки. Предполагается, что управление процессом агломерации или распада армирующих частиц осуществляется пу- тем выбора технологии термообработки нанокомпозита. Технологии термообработки можно разделить на две группы. Первая группа определяет те технологии, которые приводят к аг- ломерации армирующих частиц. Вторая группа определяет те технологии, которые приво- дят к распаду армирующих частиц. Важно подчеркнуть, что технология термообработки должна быть выбрана такой, чтобы в процессе термообработки не протекали фазовые пе- реходы как в материале армирующих частиц, так и в материале матрицы. Появление фазо- вых переходов должно быть исключено потому, что новая фаза является полем дефектов. В частности, полем дислокаций замещения. Для таких процессов градиентная теория без- дефектной среды уже несправедлива, и необходимо строить более сложные модели де- фектных сред. Поэтому критерии выбора технологии термообработки настоящая статья не рассматривает. Остается открытым вопрос о том, что наряду с градиентным обобщением теории композитов возможно нелинейное обобщение. Действительно, в отличие от керамик, сохраняющих физическую линейность практически до разрушения, металлокомпозиты про- являют пластичность на достаточно большом интервале деформаций. Однако обобщение на физически нелинейный случай, а тем более – на пластичность, осложняется тем, что до настоящего времени не существует общепринятой теории построения кривой напряжение- деформация даже для однородных материалов.

Рассматриваются вопросы влияния физико-механических характеристик материала конструкции на распространение акустических волн в газе в модельном канале. Исследование влияния материала кон- струкции, в частности трубопроводов, на распространение волновых процессов связано с проблемой шума, возникающего при транспортировке природного газа и водородсодержащих смесей. Особенно ак- туальной является проблема шума с учетом прогнозов по развитию отрасли транспортировки и хранения водородной энергетики. Моделирование акустических процессов зачастую связано с источниками воз- никновения и распространения в моделируемой среде. При этом не учитываются возможное возникно- вение резонансных явлений или процессов ослабления акустических волн в динамической системе «газ – конструкция». Краевая задача сформулирована в постановке двунаправленного взаимодействия (2-way Fluid- Structure Interaction, или 2FSI) между деформируемой конструкцией и потоком водорода. Прогнозирова- ние поведения конструкции трубопровода в модельном представлении при воздействиях газа в процессе транспортировки позволит подобрать оптимальный вариант материала для снижения акустического воз- действия как внутри канала, так и за его пределами. Исследования, приведенные в данной работе, осуществляются с использованием системы инже- нерного анализа ANSYS, позволяющей моделировать рассматриваемые процессы в 2FSI-постановке. В работе приводится анализ поведения волны, генерируемой одномодальным источником звука, взаи- модействующей с перегородками, защемленными в трубе прямоугольного сечения. Представлены ос- новные результаты исследования в виде зависимостей амплитуды давления от времени в характерных точках; зависимости перемещений от времени модельных перегородок из различных материалов; зави- симости изменения давления и перемещения для разных рабочих тел.

Технология автофретирования предназначена для упрочнения полых деталей цилин- дрической и сферической формы и обычно состоит из одного цикла нагрузки-разгрузки. На первой стадии заготовка нагружается с тем расчетом, чтобы некоторая ее часть перешла в пластическое состояние. В ходе разгрузки в окрестности внутренней поверхности заготовки формируется поле остаточных сжимающих напряжений. Настоящая работа посвящена тео- ретическому исследованию процесса ротационного автофретирования полой цилиндриче- ской заготовки с закрепленными торцами. Постановка задачи основана на теории малых упругопластических деформаций, условии пластичности Треска и ассоциированном с ним законе течения. Предполагается, что на стадии нагрузки материал цилиндра следует ли- нейно-экспоненциальному закону изотропного упрочнения, а при разгрузке ведет себя как чисто упругое тело. Исследуется эффект снижения модуля Юнга при разгрузке в результате предварительного пластического деформирования и его влияние на остаточные напряже- ния, вызванные ротационным автофретированием цилиндра. Для количественного описа- ния падения модуля Юнга используется экспоненциальная модель с насыщением. Для ста- дии нагрузки получено точное аналитическое решение на основе W-функции Ламберта. Расчет остаточных напряжений в цилиндре осуществляется с помощью метода Рунге – Кутты. В качестве примера рассмотрены материалы, у которых достаточно ярко выражено падение модуля Юнга: алюминиевый сплав AA6022, сталь DP980 и марганцевая сталь. Установлено, что учет переменного модуля Юнга может приводить к существенному сниже- нию расчетного уровня остаточных напряжений. Данный эффект особенно важен для рас- чета толстостенных цилиндров и достаточно высоких скоростей автофретирования.

Плунжерные насосы, используемые для нефтедобычи, изготавливаются из длинных полых биме- таллических цилиндров. С целью повышения прочностных и иных физико-механических характеристик данные элементы конструкции подвергаются термомеханической обработке. В процессе таких воздей- ствий в изделиях возникают остаточные напряжения, которые могут приводить к положительным, неже- лательным и недопустимым изменениям геометрии. В настоящей работе рассмотрена задача выбора оптимальных режимов обработки. В связи с трудоёмкостью оценки остаточных напряжений во всём из- делии было решено использовать небольшие кольца, являющиеся представительными для каждой кон- кретной трубы. Ввиду сложности или невозможности применения существующих методов предложена методика, которая позволяет оценить уровень остаточных напряжений. Для этого сформулирована и ре- шена задача в рамках теории упругости. Получено аналитическое решение, которое позволяет находить уровень напряжений в зависимости от экспериментальных измерений при разрезании колец. Рассмот- рено три различных материала – стали 38Х2МЮА, 15Х5М, 12Х18Н10Т. Исходя из условий эксплуатации, сформулировано четыре критерия оптимизации при термообработке: минимальный уровень остаточных напряжений в трубе; минимальная разница между напряжениями в обечайке и лейнере; минимальное изменение радиуса трубы после обработки; наибольшее значение адгезии между лейнером и обечайкой. Согласно введённым критериям, проведён анализ полученных результатов. Выявлены оптимальные ре- жимы термомеханической обработки и отброшены недопустимые, которые приводят к нежелательным изменениям в изделиях. Для каждого исследуемого материала установлены необходимая степень де- формации и температура постдеформационного нагрева. В результате даны рекомендации промышлен- ному предприятию по производственному процессу.

Использование структурной сверхпластичности является перспективным направлением развития технологий создания изделий сложной формы с улучшенными физико-механическими и эксплуатацион- ными характеристиками. Деформирование в режиме сверхпластичности характеризуется пониженными (в сравнении с обычной пластической обработкой) нагрузками на обрабатывающие инструменты и со- кращением числа операций финишной обработки. Предпочтительным представляется реализация обра- ботки в режиме структурной сверхпластичности при относительно умеренных гомологических темпера- турах (менее 0,7) и высоких скоростях (порядка 10–2 с–1), в котором возможно сохранение равноосной формы зерен с несущественным изменением их размеров. При обозначенных условиях для многих спла- вов, предварительно подготовленных методами интенсивной пластической деформации, в эксперимен- тах на одноосное растяжение с выходом в режим структурной сверхпластичности наблюдается стадий- ность (колоколообразность) кривых растяжения. Последнее связано с действием и взаимодействием раз- личных физических механизмов, сменой их ролей в ходе процесса деформирования, с эволюцией дефектной структуры материала. На перечисленные факторы оказывают влияние исходные темпера- турно-скоростные условия и характеристики структуры материала после его предварительной обработки, в частности, форма и размеры зерен, доля высокоугловых границ, степень рекристаллизованности струк- туры, наличие легирующих добавок, которые могут образовывать в материале различные фазы. В пред- лагаемом обзоре предпринята попытка систематизировать экспериментальные данные по сверхпластич- ности алюминиевых сплавов 1420 и 1421 с акцентированием внимания на основных характеристиках структуры материала до и во время испытания на сверхпластическое деформирование, а также ее вли- яние на действующие механизмы. Это позволит сформировать более полное представление о физиче- ской природе процесса деформирования с переходом к режиму структурной сверхпластичности для алю- миниевых сплавов и разработать сценарий действия и взаимодействия механизмов с учетом влияния эволюционирующей структуры материала. Указанное будет являться концептуальной основной для раз- вития многоуровневой конститутивной модели неупругого деформирования сплавов, способной описы- вать изменение структуры материала и смену режимов деформирования, необходимой для совершен- ствования технологий сверхпластического формования.