Отчет за 2024 год по теме FURM-2024-0008 "Разработка новых композитных и структурно-неоднородных материалов и технологий их изготовления" (FUMG-2024-0002)

Объектами исследования в 2024 году являлись: - композиционные материалы конструкционного и функционального назначения, обладающие повышенными прочностными свойствами и сопротивлением хрупкому разрушению, - образцы из пластически деформированного по разным схемам никеля, отожженные при различных температурах, - демпфирующее свойство комбинированной преграды для защиты конструкций, машин и оборудования от ударного воздействия, - коррозионностойкая котельная сталь 15Х1М1ФБ, - оптимизация основных технологических и конструктивных параметров мембранно-каталитических устройств на базе анализа влияния этих факторов на производительность и эффективность получения высокочистого водорода из углеводородного сырья с помощью физически обоснованной и верифицированной математической модели, - разработка модели износа деформирующего инструмента (валков и бандажей брикетировочного пресса с диаметром валков 630 мм и шириной валка 360 мм) при валковом брикетировании (окусковании) мелкодисперсных материалов, - концепция автоматизированного проектирования прессовых поковок для широкого класса деталей тел вращения: валов, труб, муфт, дисков, втулок, шестерен, крышек, колец и др. Цели работы в 2024 году: 1. Конструирование и разработка технологических подходов к созданию композиционных материалов конструкционного и функционального назначения, обладающих повышенными прочностными свойствами и сопротивлением хрупкому разрушению. 2. Определение возможностей магнитного неразрушающего контроля для оценки изменений структуры при рекристаллизационном отжиге пластически деформированного никеля. 3. Разработка программного комплекса имитационного моделирования процессов ударного нагружения и прогнозирование разрушения металлополимерных композитов при поперечном ударе проникающими индентерами. 4. Повысить параметры водородного воздействия (температуры и растягивающего напряжения) и безопасность ускоренного протекания ВТВК при проведении испытаний образцов из сталей в условиях установки ИМАШ УрО РАН, а также оценить состояние поверхности рабочей части образцов после выдержки при высокой температуре в среде водорода. 5. Формирование на базе результатов исследований методом математического моделирования комплекса рекомендаций по оптимизации основных технологических и конструктивных параметров, необходимых для дальнейшего развития и совершенствования, перспективных мембранно-каталитических устройств получения высокочистого водорода из углеводородного сырья. 6. Исследование процессов износа технологического инструмента валковых брикетировочных прессов при брикетировании мелкодисперсных материалов, на примере брикетирования карбида кремния с жидким стеклом в качестве связующего. Проведение экспериментальных исследований по определению абсолютного износа валка пресса. Определение вариантов увеличения времени эксплуатации (уменьшения износа) валкового инструмента. 7. Разработка общей модели процесса автоматизированного проектирования прессовых поковок тел вращения. Поставленные задачи выполнены полностью. В результате исследований получены следующие результаты: 1. Выполнена оценка влияния геометрии образцов на напряженно-деформированное состояние на межслойных границах в слоистом композиционном материале при испытании на расслоение. Реализована серия вычислительных экспериментов с варьированием критической скорости высвобождения упругой энергии в условиях отрыва, двух типов и разной шириной. Сформулированы общие закономерности разрушения слоистых композиционных материалов в зависимости от особенностей механических свойств на межслойных границах и материала отдельных слоев композитов. На примере пространственных сетчатых конструкций, полученных методом 3D печати, проведена оценка влияния возможных дефектов печати при построении периодической и квазипериодической структур на несущую способность конструкций в условиях одноосного сжатия. В качестве прототипа для построения пространственной сетки использованы шестиугольники в качестве периодической структуры и биоподобное формирование стеки в качестве квазипериодической структуры. 2. Процессы возврата и рекристаллизации в структуре никеля достаточно информативно отражаются как на изменении таких магнитных характеристик, как коэрцитивная сила, максимальная магнитная проницаемость, число скачков Баркгаузена, так и на изменении полевой зависимости дифференциальной магнитной проницаемости. В различном структурном состоянии (деформированная и рекристаллизованная структуры) положение пика дифференциальной магнитной проницаемости изменяется, как и его высота. Таким образом, установленные закономерности могут быть использованы для анализа процессов рекристаллизации никеля и оценки изменения его структурного состояния в процессе изготовления или эксплуатации. 3. Созданы математическая модель и программный комплекс для прогнозирования разрушения по типу выбивания пробки в бронированных машинах и конструкций ответственного назначения. 4. Проведены высокотемпературные (575 0С) длительные (96 ч.) испытания при постоянно приложенной нагрузке в 260 Мпа в среде водорода под давлением 5 Мпа коррозионностойкой котельной стали 15Х1М1ФБ. Проведен ряд мероприятий по совершенствованию методики проведения испытания образцов при высокой температуре и растягивающем напряжении под влиянием инертной и водородной среды. Для повышения безопасности рабочего процесса проведена замена редукторов баллонов инертных газов и водорода. Изготовлены и проведена замена прокладок для изоляции отверстия гайки крепления токоподводящей шины. Это позволило снизить уменьшение давления газа в процессе выполнения испытаний. Осуществлена замена проводки внутри испытательной камеры. Повышена постоянная нагрузка, прикладываемая в ходе испытаний к образцу, для создания растягивающего напряжения до 260 МПа. Для повышения эффективности предложена схема одновременного крепления и испытания двух образцов в «гирлянде». 5.Разработаны оптимальные технологические и конструктивные параметры мембранно-каталитических устройств с целью повышения производительности и эффективности процесса получения высокочистого водорода из углеводородного сырья. 6. Определены абсолютные параметры износа ячеек, нарезанных на валке пресса. Предложены технологические варианты увеличения времени эксплуатации валкового инструмента (т.е. уменьшение износа ячеек, нарезанных на валках). 7. Произведена укрупненная классификация поковок тел вращения по типам. Всего выделено четыре типа: ВАЛ, ЦИЛИНДР, ДИСК, КОЛЬЦО. Определены признаки распознавания типов поковок и формализованы правила определения типов. Описаны принципы работы механизма корректного воздействия пользователя на результаты определения типа. Разработана общая модель процесса автоматизированного проектирования поковок для рассматриваемого класса деталей. Тема выполнялась в рамках приоритетных направлений Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 н. № 642: а) «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта»; д) «Противодействие техногенным, биогенным, социокультурным угрозам, терроризму и идеологическому экстремизму, а также киберугрозам», а также Концепции развития водородной энергетики, утвержденной в распоряжении Правительства России от 5 августа 2021 года № 2162-р.