Метод расчета эволюции напряжений в стеклометаллокомпозите с учетом структурных и механических релаксационных процессов

  • Ольга Николаевна Любимова Дальневосточный федеральный университет
  • Максим Андреевич Барботько Дальневосточный федеральный университет
Ключевые слова: стеклометаллокомпозит, механические напряжения при отжиге стекла, структурная и механическая релаксации, стеклование, численное моделирование

Аннотация

Исследуются технологические режимы отжига слоистого стеклометаллического композиционного материала - стеклометаллокомпозита, которые включают нагрев до температуры размягчения стекла и последующее охлаждение с отжигом. Стеклометаллокомпозит цилиндрической формы с наружным металлическим и внутренним стеклянным сплошными цилиндрами используется как модельный образец при экспериментальных исследованиях сильно сжатых хрупких горных пород. Рассматривается математическая модель эволюции технологических и остаточных напряжений при его отжиге. Сложность при моделировании обусловлена процессом стеклования в стекле и упругопластичным поведением металла. Структурные и механические релаксационные процессы в стекле рассчитываются по методу Тула-Нарайсвами-Мойнихана-Мазурина, который основан на представлении о структурной температуре как дополнительном параметре, характеризующем состояние стекла, и принципе суперпозиции Больцмана-Вольтерры. Учитывается зависимость вязкости и коэффициента линейного температурного расширения от структурной температуры. Для металлического цилиндра упругое состояние в пространстве напряжений ограничено поверхностью предельного состояния Мизеса. На границе соединения стекла и металла выполняется условие идеального контакта. В работе предлагается конечно-разностная схема расчета структурных изменений и технологических напряжений в композите во всем интервале температурной обработки после нагрева. Для оценки точности предложенного алгоритма расчетов находилось аналитическое решение задачи с ядром Максвелла при отсутствии температурно-временной аналогии в стекле и упругого деформирования металлического слоя. Приведены расчеты технологических и остаточных напряжений в стеклометаллокомпозите, изготовленном из боросиликатного стекла и малоуглеродистой стали, при различных температурных режимах отжига. Предложенная математическая модель и метод расчета могут быть полезными, например, при расчетах остаточных напряжений при нанесении стеклянных покрытий на металлические трубы.

Литература


  1. Пикуль В.В. Эффективность стеклометаллокомпозита // Перспективные материалы. 2000. № 6. С. 63-65.

  2. Фролова Е.Г. Стеклянные покрытия на стальных трубах // «Стекло»: Бюллетень НИИ стекла. 1961. № 3. 36 с.

  3. Любимова О.Н., Морковин А.В., Дрюк С.А. Особенности структуры зоны соединения стекла и стали в технологии получения стеклометаллокомпозита // Материаловедение. 2017. № 4. С. 3-7.

  4. Тропин Т.В., Шмельцер Ю.В.П., Аксенов В.Л. Современные аспекты кинетической теории стеклования // УФН. 2016. Т. 186, № 1. С. 47-73. DOI

  5. Александров А.П., Лазуркин Ю.С. Температура размягчения полимеров // Доклады АН СССР. 1944. Т. XLIII, № 9. С. 396-399.

  6. Шульц М.М., Мазурин О.В. Современные представления о строении стекол и их свойствах. Л: Наука, 1988. 197 с.

  7. Schmelzer J.W.P. Kinetic criteria of glass formation and the pressure dependence of the glass transition temperature // J. Chem. Phys. 2012. Vol. 136. 074512. DOI

  8. Старцев Ю.К. Феноменологическое описание стеклования и процессов структурной релаксации // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Тверь: Твер. гос. ун-т, 2015. Вып. 7. С. 494-504.

  9. Мазурин О.В. Отжиг спаев стекла с металлом. Л.: Энергия, 1980. 140 с.

  10. Мазурин О.В., Старцев Ю.К., Ходяковская Р.Я. Релаксационная теория отжига стекла и расчет на ее основе режимов отжига. М: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1987. 83 с.

  11. Старцев Ю.К. Релаксационные явления в стеклах в интервале стеклования при отжиге, ионном обмене стекла с расплавом соли и в спаях / Дис. … д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07. С.-Петербург: ИХС РАН, 2001. 301с.

  12. Мазурин О.В. Стеклование. Л.: Наука, 1986. 158 с.

  13. Tool A.Q. Relation between inelastic deformability and thermal expanshion of glass in its annealing range // J. Am. Ceram. Soc. 1946. Vol. 29, no. 9. P. 240-253. DOI

  14. Narayanaswami O.S. A model of structural relaxation in glass // J. Am. Ceram. Soc. 1971. Vol. 54, no. 10. P. 491-498. DOI

  15. Moynihan C.T., Macedo P.B., Montrose C.J., Montrose C.J., Gupta P.K., DeBolt M.A., Dill J.F., Dom B.E., Drake P.W., Easteal A.J., Elterman P.B., Moeller R.P., Sasabe H., Wilder J.A. Structural relaxation in vitreous material // Ann. New York Acad. Sci. 1976. Vol. 279. P. 15-35. DOI

  16. Гончукова Н.О. Расчет напряжений в аморфных никель-фосфорных покрытиях на металлических подложках // ФХС. 2004. Т. 30, № 4. С. 484-487. (English version DOI)

  17. Ратушняк С.Л. Структурная релаксация в аморфных материалах и влияние напряжений на прочность композиции «покрытие – подложка» / Дис. … канд. хим. наук: 02.00.04. С.-Петербург, ИХС РАН, 2008. 131 с.

  18. Труфанов А.Н., Лесникова Ю.И., Труфанов Н.А., Сметанников О.Ю. Выбор критерия конструкционной прочности неоднородного кварцевого стержня на основе натурных и вычислительных экспериментов // Вычисл. мех. сплош. сред. 2016. Т. 9, № 1. С. 97-108. DOI

  19. Сметанников О.Ю., Ильиных Г.В. Исследование термомеханического поведения стыковочного модуля волоконно-оптического гироскопа // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 7. С. 46-52. (English version DOI)

  20. Matveenko V.P., Smetannikov O.Y., Trufanov N.A., Shardakov I.N. Models of thermomechanical behavior of polymeric materials undergoing glass transition //Acta Mech. 2012. Vol. 223. P. 1261-1284. DOI

  21. Briard R., Heitz C., Barthel E. Crack bridging mechanism for glass strengthening by organosilane water-based coatings // J. Non Cryst. Solids. 2005. Vol. 351. P. 323-330. DOI

  22. Hand R.J., Ellis B., Whittle B.R., Wang F.H. Epoxy based coatings on glass: strengthening mechanisms // J. Non Cryst. Solids. 2003. Vol. 315. P. 276-287. DOI

  23. Priller S., Frischat G.H., Pye L.D. Strengthening of glass through surface crystallization of β-spodumene ss // J. Non Cryst. Solids. 1996. Vol. 196. P. 144-149. DOI

  24. Pikul V.V., Goncharuk V.K., Maslennikova I.G. A cylindrical shell made of glass-metal composite // Appl. Mech. Mater. 2015. Vol. 756. P. 230-235. DOI

  25. Немилов С.В. Оптическое материаловедение: Физическая химия стекла. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009 г. 113 с.

  26. Бартенев Г.М., Сандитов Д.С. Релаксационные процессы в стеклообразных системах. Новосибирск: Наука, 1986. 240 с.

  27. Любимов М.Л. Спаи стекла с металлом. М.: Энергия, 1968. 280 с.

  28. Солоненко Э.П. Моделирование напряженного состояния в стеклометаллокомпозитных материалах при температурной обработке / Дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.02.04. Комсомольск-на-Амуре, ДВФУ, 2017. 154 с.

  29. Галанин М.П., Гузев М.А., Низкая Т.В. Численное решение задачи термопластичности c дополнительными параметрами состояния: Препр. / ИПМ им. М.В. Келдыша. М., 2007. 20 с. (URL: https://www.keldysh.ru/papers/2007/prep08/prep2007_08.html)

  30. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: МАШГИЗ, 1963. 232 с.

  31. Мазурин О.В., Стрельцина М.В., Швайко-Швайковская Т.П. Свойства стекол и стеклообразующих расплавов. Л.: Наука, 1977. Т. 3. Ч. 1. Трехкомпонентные силикатные системы. 586 с.

Опубликован
2019-06-30
Как цитировать
Любимова, О. Н., & Барботько, М. А. (2019). Метод расчета эволюции напряжений в стеклометаллокомпозите с учетом структурных и механических релаксационных процессов. Вычислительная механика сплошных сред, 12(2), 215-229. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.2.19
Раздел
Статьи