Том 25 № 3 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/ Д16/АМг3............................................................................................................................................................ 6 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов скоростного шлифования рельсов.................................................................................................... 19 Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Концепция микромоделирования процесса соединения разнородных материалов пластической деформацией.......................................................................................................... 36 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Тратия Д.K., Шеладия М.В., Ачарья Г.Д., Ачарья Ш.Г. Разработка экономичной конструкции коленчатого вала механического пресса с С-образной станиной на основании результатов анализа топологии............................................................................................................................................................ 50 Скиба В.Ю., Вахрушев Н.В., Титова К.А., Черников А.Д. Рационализация режимов поверхностной закалки ВЭН ТВЧ рабочих поверхностей пуансона в условиях гибридной обработки............................. 63 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Руктуев А.А., Юргин А.Б., Шикалов В.С., Ухина А.В., Чакин И.К., Домаров Е.В., Довженко Г.Д. Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB.................................................................................................................................... 87 Майтаков А.Л., Грачев А.В., Попов А.М., Ли С.Р., Ветрова Н.Т., Плотников К.Б. Исследование рассеяния энергии и жесткости сварных соединений стыковой сварки давлением................................... 104 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанных волокон муньи........................................ 117 Прибытков Г.А., Барановский А.В., Коржова В.В., Фирсина И.А., Кривопалов В.П. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков......................................................... 126 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний полимерного композита на основе переплетенных обработанных волокон джута..................................... 137 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 152 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 163 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 06.09.2023. Выход в свет 15.09.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,5. Уч.-изд. л. 38,13. Изд. № 167. Заказ 245. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 3 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 3 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Salikhyanov D.R., Michurov N.S. Simulation of the rolling process of a laminated composite AMg3/ D16/AMg3.......................................................................................................................................................... 6 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of high-speed grinding rails modes.......................................................................................................................................................... 19 Salikhyanov D.R., Michurov N.S. The concept of microsimulation of processes of joining dissimilar materials by plastic deformation......................................................................................................................... 36 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Tratiya D.K., Sheladiya M.V., Acharya G.D., Acharya S.G. Economical crankshaft design through topology analysis for C type gap frame power press SNX-320.......................................................................... 50 Skeeba V.Yu., Vakhrushev N.V., Titova K.A., Chernikov A.D. Rationalization of modes of HFC hardening of working surfaces of a plug in the conditions of hybrid processing................................................................ 63 MATERIAL SCIENCE Ruktuev A.A., Yurgin A.B., Shikalov V.S., Ukhina A.V., Chakin I.K., Domarov E.V., Dovzhenko G.D. Structure and properties of HEA-based coating reinforced with CrB particles.................................................. 87 Maytakov A.L., Grachev A.V., Popov A.M., Li S.R., Vetrova N.T., Plotnikov K.B. Study of energy dissipation and rigidity of welded joints obtained by pressure butt welding................................................... 104 Singh S.P., Hirwani C.K. Analysis of mechanical behavior and free vibration characteristics of treated Saccharum munja fi ber polymer composite...................................................................................................... 117 Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Korzhova V.V., Firsina I.A., Krivopalov V.P. Synthesis of Ti–Fe intermetallic compounds from elemental powders mixtures.............................................................................. 126 Singh S.P., Hirwani C.K. Free vibration and mechanical behavior of treated woven jute polymer composite............................................................................................................................................................ 137 EDITORIALMATERIALS 152 FOUNDERS MATERIALS 163 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 117 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанных волокон муньи Савендра Сингх a, *, Четан Хирвани b Национальный технологический институт Патны, Патна, Бихар, 800005, Индия a https://orcid.org/0000-0002-5151-0284, savendrasingh123@gmail.com, b https://orcid.org/0000-0003-4291-4575, hirwani.ck22@gmail.com Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 3 с. 117–125 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-117-125 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение В последние годы натуральное волокно стало конкурентоспособным альтернативным материалом. Натуральные волокна являются полезными материалами и могут заменить синтетические волокна [1]. Недавние исследования показывают, что натуральные волокна могут заменить стекловолокно [2]. В связи с усиливаюИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 678 История статьи: Поступила: 24 мая 2023 Рецензирование: 06 июня 2023 Принята к печати: 13 июня 2023 Доступно онлайн: 15 сентября 2023 Ключевые слова: Мунья (Saccharum munja) Компрессионная формовочная машина Частота свободных колебаний Демпфирование Испытание на растяжение Дисперсионный анализ (ANOVA) Благодарности Авторы очень благодарны руководству Инженерного колледжа Райкия (Азамгарх) за предоставленную лабораторию для проведения исследовательской работы. АННОТАЦИЯ Введение. В настоящее время исследователи, будучи обеспокоенными состоянием окружающей среды, изучают новые слоистые материалы, которые бы могли удовлетворить потребности общества, и способы их получения из возобновляемых и биоразлагаемых ресурсов. Натуральные волокна различного происхождения рассматриваются с целью замены синтетических. Цель работы. В настоящем исследовании обработанные волокна муньи (Saccharum munja) в виде частиц (PC), коротких и случайных (SRC) и однонаправленных (UDC) волокон предложены в качестве армирующего компонента композиционного материала с матрицей из смолы AW106 и отвердителя HV953. В работе проведена оценка механических свойств волокон муньи. Частота свободных колебаний с соответствующими коэффициентами затухания, до шестого порядка включительно, измерена для анализа возможности применения композитного материала. Методы исследования. Для изготовления слоистых композиционных материалов использована компрессионная формовочная машина. Предварительной поверхностной обработкой с волокон удалили пыль, лигнин и гемицеллюлозу, что обеспечило получение наиболее подходящих значений свободных колебаний и механических свойств. Результаты и обсуждение. Испытания на растяжение и изгиб показывают самое высокое значение прочности 170 МПа и 143 МПа в случае UDC-композита, а самое низкое – в случае PC-композита. Добавление волокон муньи в эпоксидную матрицу улучшает адгезию. Композит PC показывает лучшее значение затухания, чем композит SRC и UDC. Наивысшие значения частоты свободных колебаний 43, 233, 298, 849, 918 и 1440 Гц характерны для UDC-композита независимо от всех режимов. Результаты анализа свободных колебаний показывают, что волокнистый композит на основе волокна муньи может быть использован в качестве конструкционного материала. Дисперсионный анализ (ANOVA) показывает, что экспериментальные результаты, полученные в ходе испытаний на растяжение и изгиб, значительны. Для цитирования: Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанных волокон муньи // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 117–125. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-117-125. ______ *Адрес для переписки Сингх Савендра Пратап, Национальный технологический институт Патны, Патна, Бихар, 800005, Индия Тел.: +91-9455446960, e-mail: savendrasingh123@gmail.com щимся энергетическим кризисом и повышением экологической сознательности большое внимание уделяется натуральным волокнам и различным композитам на их основе [3]. Извлечение волокон травы мунья (Saccharum munja) и их использование в композиционных материалах описано в работе [4]. Было проведено много исследований полимерных композиционных материалов на основе натуральных волокон из-за их хороших механических свойств. В последние 20 лет наблюдается большой интерес к использованию целлюлозных и лигноцеллюлозных сельскохозяйственных продуктов в композиционных
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 118 MATERIAL SCIENCE материалах, особенно с целью армирования матрицы [5]. В отличие от синтетических волокон, таких как кевлар, нейлон, полиэстр, искусственный шелк, стекло и углерод, натуральные волокна имеют много преимуществ. Химический состав и клеточная структура натуральных волокон достаточно сложны [6]. Помимо преимуществ использования экологически чистых материалов существуют и определенные трудности, такие как относительно плохое межфазное сцепление «матрица – волокно» при армировании и повышенное влагопоглощение. Потенциальными сырьевыми материалами для использования в промышленности, включая электротехническую, автомобильную, упаковочную и бытовую, являются сизаль, абака, ананас, агава и банановое волокно [7]. Полимерные композиты на основе синтетических волокон обладают превосходными механическими свойствами и легкой конструкцией [8]. Распределение волокон и механические свойства композиционных материалов были в некоторой мере улучшены за счет обработки волокон глиной с неорганической добавкой, хотя, вероятно, в этой области необходима дополнительная минеральная присадка [9]. В последнее время автомобильная промышленность заинтересовалась композиционными материалами на основе натуральных волокон по ряду причин, включая повышение эффективности использования топлива транспортных средств и возросшее беспокойство общественности по поводу постоянства экологической целостности и запаса ресурсов [10]. Добавление рисовых отрубей в полилактидную матрицу (PLA) улучшает механические свойства и частоты свободных колебаний PLAкомпозита из рисовых отрубей, который можно использовать для 3D-печати [11]. Добавление коротких альфа-волокон в эпоксидную смолу делает композит более деформируемым и гибким за счет более низких значений жесткости и высокой пластичности [12]. На основании результатов анализа свободных колебаний композита из бамбукового волокна его рекомендуют применять в транспортной и строительной промышленности [13]. Поверхностная обработка натурального волокна улучшает его механические свойства и показатели свободных колебаний [14–17]. Значения частоты свободных колебаний гибкого волокнистого композита зависят от направления и толщины волокна [18]. На частоту свободных колебаний композиционного волокна на основе волокна алоэ вера влияет последовательность укладки волокон, толщина композита и конечные условия [19]. Частота свободных колебаний композитной балки возрастает с увеличением толщины композита независимо от граничных условий. Это также усиливает затухание колебаний композитного материала [20, 21]. Из вышеприведенной литературы можно сделать вывод, что исследователями был выполнен наибольший объем работ по изучению механических свойств композиционных материалов из натуральных волокон, однако работам, связанным с характеристиками свободных колебаний, уделялось меньше внимания. В настоящей статье механические свойства полимерного композиционного материала на основе волокна муньи были исследованы вместе с его характеристиками свободных колебаний. Собственная частота с соответствующими коэффициентами затухания до шестого порядка включительно была получена на экспериментальной установке. Дисперсионный анализ (ANOVA) был выполнен для проверки уровня значимости испытаний на растяжение и изгиб. Материалы и методы исследования Обработанные волокна муньи (Saccharum munja) в виде частиц (PC), коротких и случайных (SRC) и однонаправленных (UDC) волокон рассмотрены в качестве армирующего компонента композиционного материала, в то время как смола AW106 и соответствующее количество отвердителя HV953, поставляемые предприятиями Prakash (Азамгарх, Уттар-Прадеш, Индия), использовались в качестве матричного материала. Волокна муньи были извлечены из сухого растения, полученного недалеко от берега реки Гагара (Гонда, Уттар-Прадеш, Индия). Волокна муньи промывали одномолярным раствором NaOH в течение 30 минут, после чего снова промывали в дистиллированной воде в течение 1 часа для удаления следов NaOH. Далее промытые волокна сушили в горячей ткани при температуре 120 °С в течение 30 минут. Затем их снова промывали в дистиллированной воде и дополнительно сушили в горячей ткани для уда-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 119 MATERIAL SCIENCE ления любых оставшихся частей NaOH и воды с поверхности волокна. Композиции с различными объемными соотношениями, используемые в настоящем исследовании, представлены в табл. 1. Для изготовления слоистых композиционных материалов (КМ) размером 30×30×3 см использовалась машина для компрессионного формования, представленная на рис. 1. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Состав композиционного материала (по объему) Composite composition (by Volume) № Использованный материал Условное обозначение Марка Объем, доля 1 Чистая смола, дм3 NR ARALDITE AW106 1 2 Отвердитель, дм3 Hardener HV 953 IN 1 3 Частицы волокон муньи, % PC − 20 4 Однонаправленные волокна муньи, % UDC − 20 5 Короткие и случайные волокна муньи, % SRC − 20 Рис. 1. Компрессионная формовочная машина Fig. 1. Compression moulding machine Сначала в полость формы заливали известную массу смолы и отвердителя и ждали 90 минут для начала затвердевания. Затем заливали смесь волокна и смолы и снова ждали 90 минут. Смесь прессовали при давлении 120 бар и выдерживали при 800 °С в течение 48 часов. Процесс изготовления слоистых КМ из волокна муньи представлен на рис. 2. Изготовленные слоистые КМ были разрезаны на образцы разной формы и размера в соответствии со стандартами ASTM для дальнейшего анализа. Для испытания на растяжение образцов волокнисто-полимерного композита прямоугольной формы с расчетной длиной 57 мм использовали стандарт ASTM D638. Испытание проводили на цифровой универсальной испытательной машине (UTM) производства компании Aimil private limited, (Бангалор, Индия) с точностью позициоРис. 2. Процесс изготовления слоистых КМ Fig. 2. Fabrication process нирования 0,001 мм и скоростной погрешностью 0,005 %. Испытуемый образец сначала закрепляли между зажимами UTM, а затем подвергали возрастающей нагрузке со скоростью растяжения 3 мм в минуту до тех пор, пока образец не ломался. Пять различных образцов были вырезаны из пяти различных слоистых КМ и использованы для испытаний на растяжение, чтобы гарантировать воспроизводимость испытаний и учитывать средние значения.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 120 MATERIAL SCIENCE Испытание на изгиб было выполнено на той же цифровой универсальной испытательной машине (UTM) для образцов с пучковым распределением волокон муньи в соответствии со спецификациями ASTM D790. Для каждой комбинации рассматривались пять образцов размером 1560×15×3,5 мм, и были приняты средние результаты для обеспечения воспроизводимости испытаний, при этом скорость испытания на изгиб соответствовала скорости испытания на растяжение. Характеристики свободных колебаний проанализированы с использованием экспериментальной установки, показанной на рис. 3, a и б соответственно, для оценки начальных шести собственных частот и соответствующего коэффициента затухания с помощью частотной характеристики и с использованием метода аппроксимирующих окружностей соответственно. В этом исследовании на основании резонансных характеристик матриц жесткости и массы рассмотрен пик с шестью видимыми резонансами. Основная цель проведения испытаний для определения свободных колебаний – выяснить возможность применения рассматриваемого композита в качестве конструкционного или демпфирующего материала. Образец для испытания имел форму консольной балки с размерами 160×10×3,5 мм. Соответствующие коэффициенты затухания были рассчитаны с помощью метода фиксированной окружности. Для расчета коэффициентов затухания использовалось уравнение 2 2 2 1 2 1 0 2 1 ÞÞ Þ . 2 tan Þ Þ tan 2 2 ω ω ς = α α ⎡ ⎤ ω ω +ω ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ Результаты и их обсуждение Испытание на растяжение Результаты испытания на растяжение образцов в форме гантели (рис. 4) свидетельствуют о том, что механические свойства слоистого КМ увеличиваются при добавлении волокон в матрицу. Временное сопротивление разрушению NR составляет 62 МПа, а при добавлении в смолу 20 % PC-волокон муньи временное сопротивление разрушению возрастает до 85 МПа. Добавление 20 % SRC-волокна в эпоксидную смолу повышает временное сопротивление разРис. 3. Определение характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанной муньи: а – схема; б – процедура Fig. 3. Vibration testing: a – block daigram of free vibration; б – free vibration testing а б Рис. 4. Поведение при растяжении полимерного композита из волокна муньи Fig. 4. Tensile behavior of Saccharum munja fi ber polymer composite
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 121 MATERIAL SCIENCE рушению до 123 МПа. Добавление 20 % UDСволокна в эпоксидную смолу также повышает временное сопротивление разрушению до 170 МПа. Наибольшее временное сопротивление разрушению UDC-композитов составляет 170 МПа, что на 28 % больше, чем предел прочности SRC-композитов, на 50 % больше, чем прочность PC-композитов, и на 63 % больше, чем прочность NR. Добавление волокон муньи в полимерную матрицу увеличивает остаточную деформацию композитного полимера на основе волокна муньи. Временное сопротивление разрушению, равное 85 МПа, было в случае PC, что на 28 % больше, чем предел прочности при растяжении NR. Испытание на изгиб Образец полимерного композита из волокна муньи был подвергнут испытанию на изгиб при помощи цифровой универсальной испытательной машины (UTM). Результаты испытаний представлены на рис. 5. Обнаружено, что самая высокая прочность на изгиб характерна для UDC-композита и составила 143 МПа, когда в эпоксидную смолу добавили 20 %UDC-волокна. Самая низкая прочность на изгиб зафиксирована для NR и составила 65 МПа, а прочность на изгиб двух образцов SRC-композита и PCкомпозита при повторной разработке составляла 113 и 102 МПа при использовании 20 % SRC- и PC-волокна соответственно. Прочность на изгиб UDC-композита на 21 % больше, чем прочность на изгиб SRC-композита, и на 28 % больше, чем прочность на изгиб PC-композита, и составляет приблизительно 54 % прочности на изгиб NR. Определение собственных колебаний Результаты испытаний на свободные колебания, проведенных на экспериментальной установке, представлены в табл. 2. В этом эксперименте было получено шесть собственных частот и коэффициентов затухания, вычисленных в результате обработки методом огибающих. Основная частота из шести частот для NR, PC, SRC и UDC имеет значения 19, 32, 39 и 43 Гц, коэффициенты затухания составляют 0,160, 0,072, 0,065 и 0,051 соответственно, а последняя частота (с коэффициентами затухания) равна 506 Гц (0,022), 1052 Гц (0,017), 1124 Гц (0,015) и 1440 Гц (0,012). Полученное значение коэффициента затухания указывает на практическое использование полимерного композита из волокна муньи в различных сферах, таких как автомобили, продукты безопасности, в производственных фирмах и др. Дисперсионный анализ (ANOVA) Чтобы проверить уровень значимости полученных результатов при испытаниях на растяжение и изгиб с уровнем альфа 5 %, был проведен дисперсионный анализ (ANOVA) композита на основе волокна муньи. Значение вероятности в обоих случаях составило менее 0,05, что подтверждает значимость полученных экспериментальных результатов при испытаниях на растяжение и изгиб (табл. 3). Заключение Из приведенного выше исследования становится очевидно, что добавление волокон муньи в эпоксидную матрицу улучшает механические свойства, а также характеристики свободной вибрации. Самое высокое значение прочности на растяжение и изгиб наблюдается в случае UDC-композита, за которым следует SRC-композит, а самое низкое значение получено в случае PC-композита. Сохранение натурального волокна в сердцевине комРис. 5. Поведение полимерного композита из волокна муньи Fig. 5. Flexural behavior of Saccharum munja fi ber polymer composite
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 122 MATERIAL SCIENCE Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Характер свободных колебаний, известный также как анализ динамического поведения, полимерного композита на основе волокна муньи Free vibration behavior (also known as Dynamic Behavior Analysis) of Saccharum munja fi ber polymer composite Композиционный материал Собственная частота и коэффициент затухания колебаний волокна муньи Мод 1 Мод 2 Мод 3 Мод 4 Мод 5 Мод 6 NR 19 0,160 95 0,074 125 0,059 353 0,033 380 0,029 506 0,022 PC 32 0,072 172 0,045 213 0,050 611 0,021 677 0,023 1052 0,017 SRC 39 0,065 187 0,039 233 0,030 689 0,020 741 0,018 1124 0,015 UDC 43 0,051 233 0,031 298 0,021 849 0,016 918 0,015 1440 0,012 Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Дисперсионный анализ (ANOVA) полимерного композита из волокна муньи ANONA analysis of Saccharum munja fi ber polymer composite Испытание Источник вариации SS df MS F P-значение F-критерий Испытание на растяжение Межгрупповой 15 610,95 4 5203,65 2973,514 0,0000 3,238872 Внутригрупповой 28 16 1,75 Испытание на изгиб Межгрупповой 15 610,95 4 5203,65 2973,514 0,0000 3,238872 Внутригрупповой 28 16 1,75 позита способствует лучшей передаче нагрузки, что приводит к более высоким свойствам. Благодаря наибольшей адгезии волокна к матрице в случае UDC-композита обеспечивается лучшее механическое поведение и поведение при свободных вибрациях. Собственные частоты, соответствующие всем формам колебаний, лучше обнаруживаются в случае UDC-композита. PCкомпозит показывает лучшие значения коэффициента затухания. Значения коэффициентов затухания указывают на возможность применения композиционного материала на основе волокна муньи в качестве конструкционного материала. Дисперсионный анализ (ANOVA) показывает, что все результаты на растяжение и изгиб значимы. Список литературы 1. Rajesh M., Singh S.P., Pitchaimani J. Mechanical behavior of woven natural fi ber fabric composites: Eff ect of weaving architecture, intra-ply hybridization and stacking sequence of fabrics // Journal of Industrial Textiles. – 2018. – Vol. 47 (5). – P. 938–959. – DOI: 10.1177/1528083716679157. 2. Thermophysical properties of natural fi bre reinforced polyester composites / M. Idicula, A. Boudenne, L. Umadevi, L. Ibos, Y. Candau, S. Thomas // Composites Science and Technology. – 2006. – Vol. 66 (15). – P. 2719– 2725. – DOI: 10.1016/j.compscitech.2006.03.007. 3. Characterization of the mechanical and morphological properties of cow dung fi ber-reinforced polymer composites: a comparative study with corn stalk fi ber composites and sisal fi ber composites / S. Wu, M. Guo, J. Zhao, Q. Wu, J. Zhuang, X. Jiang // Polymers
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1