Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

В исследовании определены механические свойства обода железнодорожного колеса в зависимости от расстояния до поверхности катания. В качестве начальных данных использовались результаты эксперимента по определению твердости обода железнодорожного колеса методом Виккерса. Эти данные были переведены в твердость по шкале Бринелля и аппроксимированы монотонной кривой. С помощью известных эмпирических соотношений были определены пределы прочности и текучести обода в зависимости от расстояния до поверхности катания. Было определено, что соотношение полученных величин пределов прочности и текучести обода не соответствует отношению соответствующих величин, полученных экспериментальным путем. C использованием экспериментальных данных было получено дополнительное соотношение, связывающее пределы прочности и текучести для стали марки Т. Создана конечно-элементная модель системы колесо - рельс, учитывающая упруго-пластические свойства материала и контактное взаимодействие между колесом и рельсом. Размер элемента к области контактного взаимодействия составляет 0,5 мм, для остальной модели он колеблется от 2 до 15 мм. Всего модель содержит около 0,5 млн узлов. Решены задачи контактного взаимодействия колеса и рельса с учетом и без учета неоднородности механических свойств обода колеса. Построены графики зависимости эквивалентных напряжений, пластических, упругих и полных деформаций в ободе колеса от расстояния до поверхности катания. На основе этих данных показана целесообразность учета неоднородности в задачах, целью которых является крайне точное описание напряженно-деформированного состояния системы колесо - рельс в зоне контакта.

Статья посвящена актуальной проблеме, связанной с изучением морфологии неметаллических включений, находящихся в рабочем поверхностном слое при модифицировании поверхностного слоя энергией плазменной струи. Исследуется состояние неметаллических включений до и после плазменной обработки методами количественной металлографии и фрактальной параметризации, а также перераспределение неметаллических включений по зоне плазменного воздействия. Количественный металлографический анализ проводили на автоматизированном комплексе анализа изображений и моделирования структур «Видеотест-металл». Для исследования фазообразования при плазменной обработке реализовывали клеточный вариант фрактального алгоритма с помощью программных средств Mathcad, Matlab. Модель распределения напряжений в металлической матрице с включениями разрабатывали в программе COMSOL Multiphysic. Зафиксировано существенное различие между объемными долями неметаллических включений в зоне оплавления и зоне перегрева при плазменной обработке стали 16Г2АФ. В 100 % исследованных образцов в зоне перегрева суммарное количество неметаллических включений на 20-30 % превышает количество включений в зоне оплавления, причем эта разница увеличивается с ростом погонной энергии. Установлено, что при смене полярности плазменной обработки с прямой на обратную наблюдается увеличение объемной доли включений как в зоне расплавления, так и в зоне перегрева. Использование азота в качестве защитного газа при плазменной обработке стали приводит к образованию структуры с равномерным распределением неметаллических включений; наплавки, полученные с использованием углекислого газа в качестве защитного, имеют структуру с фрактальной размерностью включений на 20 % меньше в каждой сравнимой зоне, что говорит о менее равномерном распределении включений. Зоны оплавления для всех образцов характеризуются малым значением фрактальной размерности, независимо от типа защитного газа. Оценен уровень напряжений вблизи неметаллического включения, который возникает в металлической матрице при деформации. Установлено, что неметаллические включения размером более 10 мкм могут являться серьезными концентраторами напряжений: уровень напряжений вблизи включения может превышать предел текучести стали и даже достигать предела прочности.

На индукционном высокоскоростном закалочном дилатометре проведены различные режимы термической обработки сплава, содержащего 0,29 % углерода, а также хром, марганец, кремний, молибден, ванадий. В результате анализа дилатометрических кривых построены термокинетическая и изотермическая диаграммы распада переохлажденного аустенита. В статье анализируется микроструктура экономнолегированной стали в зависимости от скорости непрерывного охлаждения с температуры аустенитизации и температуры изотермической выдержки. Дается сравнение микроструктуры сплава со значениями общей микротвердости при нагрузке 100 г на нетравленом микрошлифе. Подсчитана по дилатометрическим кривым доля различных структурных составляющих при непрерывном охлаждении и изотермической закалке. Определены критические точки сплава, которые необходимо знать для назначения более точной температуры нагрева под закалку для получения требуемых механических свойств. Выявлено, что в процессе трехчасовой изотермической выдержки бейнитное превращение полностью заканчивается, а оставшаяся доля аустенита при дальнейшем охлаждении или претерпевает мартенситное превращение, или остается неизменной. На основе проведенного исследования выдвинуты некоторые предположения о том, что для получения максимальной доли бейнитной фазы (или бескарбидного бейнита) следует применять изотермическую выдержку чуть ниже температуры начала мартенситного превращения, а для получения максимальных прочностных характеристик следует применять изотермическую выдержку максимально близко к температуре конца мартенситного превращения, так как твердость бейнита в этом случае максимальна и образуется наибольшее количество пакетного мартенсита. Особое внимание обращается на устойчивость остаточного аустенита. После непрерывного охлаждения и изотермической закалки доля аустенита является незначительной, что подтверждается снимками микроструктуры.

В рамках серии натурных экспериментов, проведенных в Институте механики сплошных сред УрО РАН доктором физико-математических наук А.А. Адамовым, были получены фрикционные свойства антифрикционных полимерных материалов. На основе результатов натурных экспериментов была составлена программа численного эксперимента для исследования влияния фрикционных свойств на параметры контакта сферической опорной части с прослойкой из модифицированного фторопласта. В рамках работы сделана математическая постановка задачи контактного взаимодействия упругих тел через антифрикционную прослойку при учете трения по сопрягаемым поверхностям. Исходя из результатов натурных экспериментов коэффициент трения зависит от нагружения и уменьшается по мере роста нагрузки. В рамках численного эксперимента исследовано влияние коэффициента трения на параметры контакта сферической опорной части с полимерной антифрикционной прослойкой из модифицированного фторопласта в осесимметричной постановке. Рассмотрено два варианта контактного взаимодействия: без смазки и со смазкой. Для каждого варианта контакта рассмотрено по семь вариантов соотношения нагрузка - коэффициент трения. В рамках численного эксперимента проанализирован характер распределения относительного контактного давления и относительного касательного напряжения и рассмотрено влияние на все параметры контакта фрикционных свойств модифицированного фторопласта. Выявлены качественные и количественные закономерности изменения контактных параметров. Получены зависимости максимальных значений параметров зоны контакта от величины нагрузки и коэффициента трения. Зарегистрирована тенденция уменьшения зоны контактного сцепления при увеличении нагрузки и уменьшении коэффициента трения.

При разработке математических моделей течения и теплообмена полимерных материалов в различных каналах, в том числе в канале формующего инструмента, необходимо задавать реологические характеристики исследуемых полимеров, что в ряде случаев сделать затруднительно, поскольку свойства материала не определены, например для привитого полиэтилена, когда прививка происходит непосредственно в канале экструдера. В статье рассмотрена задача численно-экспериментального определения реологических характеристик полимерных материалов. Был произведен ряд экспериментов для трех экструдеров, используемых для одновременного создания трехслойной изоляции кабеля. В результате эксперимента были получены величины давлений в каналах, температуры, время и масса истечения материалов, последнее позволило определить расходы материалов для трех экструдеров. В качестве материалов были использованы три марки полиэтилена Borealis LE 0592 для наложения экрана по жиле (канал 1), Borealis LE 4205 для изоляции (канал 2) и Borealis LE 0505 для экрана по изоляции (канал 3). Экспериментальные данные были приняты в качестве исходных при математическом моделировании процессов течения и теплообмена в каналах рассматриваемых экструдеров. Разработанные трехмерные математические модели тепломассопереноса реализованы с помощью метода конечных элементов в программном пакете ANSYS. В качестве реологического закона, параметры которого необходимо было определить, выбран степенной закон для эффективной вязкости и температурное уравнение Рейнольдса. В ходе численного исследования были определены реологические характеристики, входящие в степенной закон, и температурный коэффициент. Оценено влияние каждого из параметров на величину расхода материала для каждого из экструдеров. Сделан вывод о значительном влиянии показателя аномалии и начальной вязкости на величину расхода и малом влиянии величины температурного коэффициента для рассматриваемых режимов течения. Были построены расходно-напорные характеристики кабельных головок на основе численных и экспериментальных исследований, сравнение которых показало хорошую согласованность результатов.

В работе представлены рекомендации для выполнения выпускной квалификационной работы магистра (ВКРМ) по направлению 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов». Обоснована важность способности студента к самостоятельной работе. Современный подход к работе заключается в том, что она выполняется на основе системного анализа поставленной темы исследования. ВКРМ должна быть выполнена комплексно с учетом технологических, экономических и экологических факторов. Роль научного руководителя ВКРМ заключается в формировании у магистранта способностей самостоятельно вести научный поиск, ставить и решать профессиональные задачи, профессионально излагать специальную информацию, научно аргументировать и защищать свою точку зрения, опираясь на сформированные компетенции. В ходе работы решаются следующие образовательные задачи: формируются навыки планирования и проведения научного исследования, обработки научной информации, анализа, интерпретации и аргументации результатов проведенного исследования; развивается умение применять полученные знания при решении прикладных задач по направлению подготовки, разрабатывать научно обоснованные рекомендации и предложения. Руководитель студента назначается кафедрой и следит за выполнением работы в срок. Магистранту назначаются в помощь консультанты, в обязанности которых входит руководство работой по отдельным разделам проекта (исследования, разработка технологии, проектирование, технико-экономическое обоснование конструкции, технология термической обработки и т.д.). Консультантами являются преподаватели других кафедр, специалисты разных предприятий и научных институтов, аспиранты кафедры. Выпускная работа выполняется на заводах, в НИИ или лабораториях кафедры. Причем выпускник должен соблюдать правила безопасности и внутреннего распорядка организации, где выполняет работу.