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 137 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний полимерного композита на основе переплетенных обработанных волокон джута 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, chetank.me@nitp.ac.in Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 3 с. 137–151 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-137-151 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Композиционные материалы на основе натуральных волокон являются хорошей альтернативой композиционным материалам на основе синтетических волокон и находят применение в различных областях, где действуют низкие и средние нагрузки, благодаря их малому весу, низкой стоимости, высокому соотношению ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 678 История статьи: Поступила: 20 июня 2023 Рецензирование: 30 июня 2023 Принята к печати: 10 июля 2023 Доступно онлайн: 15 сентября 2023 Ключевые слова: Натуральное волокно ИКФС Поверхностная обработка Собственная частота Затухание колебаний Свободная вибрация СЭМ (РЭМ) Благодарности Авторы очень благодарны руководству Инженерного колледжа Райкия (Азамгарх) за предоставленную лабораторию для проведения исследовательской работы. АННОТАЦИЯ Введение. В последнее время существенно увеличилось использование натуральных волокон – они эффективно заменяют синтетические, что благотворно влияет на окружающую среду, так как упрощается процесс утилизации отходов. Однако по механическим свойствам натуральные волокна уступают синтетическим. Цель работы. В этом исследовании рассматривалось влияние обработки поверхностных и более глубоких слоев джутового волокна на механические характеристики и характеристики свободных колебаний композиционного материала на его основе. Методы исследования. Благодаря равномерному распределению напряжений в направлениях основы и утка в настоящем исследовании были использованы четырехслойные джутовые волокна корзиночного плетения. Результат и обсуждение. Механические свойства и характеристики свободных колебаний композиционных материалов значительно улучшаются, если джутовые волокна предварительно обработать NaOH, поскольку он устраняет слабый компонент матрицы – лингин – и делает волокна более жесткими и прочными. Однако увеличение процентного содержания NaOH и времени выдержки волокон в растворе NaOH мало влияет на эти свойства. Наибольшие значения временного сопротивления и модуля упругости при растяжении составляют 50 ± 1,17 МПа и 1,94 ± 0,23 ГПа соответственно и характерны для композита на основе джутового волокна корзиночного плетения, обработанного в течение 1 часа. Такая обработка позволяет повысить временное сопротивление и модуль упругости примерно на 12 и 40 % соответственно. Точно так же значения сопротивления разрушению и модуля упругости при изгибе составляют 95 ± 1,17 МПа и 3,99 ± 0,23 ГПа соответственно и характерны для композита на основе джутового волокна корзиночного плетения, обработанного в течение 1 часа. Полученный таким способом композиционный материал демонстрирует самое высокое значение основной частоты: 77,837 Гц. Наличие связи O-H в композиционном материале, как показало исследование ИКФС (инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье), придает ему гидрофильный характер и ограничивает использование во влажной среде. Соотношения волокна и матрицы видны на изображениях СЭМ (РЭМ). Для цитирования: Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний полимерного композита на основе переплетенных обработанных волокон джута // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 137–151. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-137-151. ______ *Адрес для переписки Сингх Савендра Пратап, Национальный технологический институт Патны Патна, Бихар, 800005, Индия Тел.: +91-9455446960, e-mail: savendrasingh123@gmail.com прочности и веса, биоразлагаемости, высокой доступности и другим показателям. Это связано с растущим спросом на материалы с особыми требованиями к свойствам и не загрязняющие окружающую среду. Натуральные волокна обладают лучшими механическими свойствами и характеристиками свободных колебаний в плетеном состоянии. Их свойства улучшаются по мере увеличения количества слоев [1, 2]. В результате армирования динамические механические характеристики композиционных материалов повышаются. Наличие целлюлозы и гемицеллюлозы в ячейках волокна улучшает
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 138 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ тепловые характеристики плетеного композита из натуральных волокон [3]. На характеристики коробления плетеного композита из натуральных волокон влияет тип плетения, и они ухудшаются по мере увеличения количества армирующих слоев. Армирование стекловолокном улучшает характеристики композиционных материалов [4]. На механические свойства плетеных композиционных материалов из натуральных волокон также влияет ориентация волокон [5]. М. Мейри (M. Mejri) исследовал использование композиционных материалов из натуральных волокон в производстве зубчатых колес [6–7]. Свойства композиционного материала улучшаются по мере увеличения толщины, что требует новых методов обработки [8–10]. Тидарут Джираваттанасомкул (Tidarut Jirawattanasomkul) и его коллеги изучили применение натурального волокна в бетоне. Натуральные волокна могут использоваться для поглощения звука, поскольку они обладают хорошей акустикой [11]. Нанонаполнители, такие как углеродные нанотрубки, нано-SiO2, нано-глина и другие, добавлялись в композит для улучшения его качеств без увеличения его плотности [12]. С. Шри Картикеян (S. Sri Karthikeyan) и его коллеги исследовали использование композита из натуральных волокон в качестве замены асбестовых волокон, пыль от которых оказывает опасное воздействие [13]. Способность натуральных волокон впитывать воду разрушает их. Синтетические волокна могут быть добавлены в композиты из натуральных волокон для дальнейшего улучшения их качества [14, 15]. Функциональная группа, входящая в состав композита, выявляется с помощью ИКФС-анализа [16, 17]. Исследование морфологии поверхности было проведено Ядвиндером Сингхом (Yadvinder Singh) с коллегами, которые пришли к выводу, что волокна, обработанные щелочью, обладают лучшими свойствами по сравнению с необработанными волокнами. Обзор литературы показывает, что добавление натурального волокна к полимерной матрице (как в виде частиц, коротких и случайных, длинных волокон, так и в плетеной форме) улучшает механические свойства композита, при этом плетеная форма оказывает наиболее положительное влияние на механические свойства [18]. Натуральные волокна снижают горючесть композиционных материалов, а по сравнению с полиэфирной матрицей матрица из полимолочной кислоты демонстрирует более высокие механические свойства при армировании банановыми и сизалевыми волокнами [19]. Результаты испытаний композитов на основе волокон сизаля и алоэ вера на расслаивание показали, что композит из волокон сизаля расслаивается в меньшей степени и полученные поверхности характеризуются меньшей шероховатостью [20]. Помимо улучшения до определенной степени характеристик композита, добавление волокон также увеличивает процент пустот и водопоглощение в композите [21]. На механические свойства композита из натурального волокна влияет тип плетения и степень водопоглощения [22, 23]. Поскольку добавление нанонаполнителей способствует адгезии между волокном и матрицей и увеличивает межфазный контакт, то заполнение пустот композита наноматериалами улучшает механические свойства и снижает водопоглощение [24]. Комбинирование улучшает характеристики композиционных материалов, а также порядок укладки и обработки поверхности [25, 26]. На характеристики композита влияет количество добавленных слоев, эффект комбинирования, создаваемый между слоями синтетическими волокнами, такими как стекло [27, 28]. Несмотря на то что некоторые исследователи провели обширные исследования различных композитов из натуральных волокон и комбинированных полимерных композитов, ни одно из этих исследований не было признано относящимся к плетеным композитам на основе обработанных натуральных волокон из-за проблем с плетением. Согласно различным академическим источникам, обработанные натуральные волокна обладают лучшими свойствами, чем необработанные. Цель настоящего исследования состоит в том, чтобы подготовить слоистые композиционные материалы, изготовленные из плетеных натуральных волокон и полимеров, и изучить, как обработка поверхности влияет на механическое свойства и характеристики свободных колебаний, а также изучить механическое поведение плетеных полимерных композитов и характер свободных колебаний после выдержки в растворе NaOH. Спектр ИКФС был извлечен для анализа функциональной группы в джутовом волокне.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 139 MATERIAL SCIENCE Материалы и методы исследования Материалы В качестве армирующего материала в исследовании использовались джутовые волокна, которые были сотканы. Джутовая ткань, когда-то бывшая рыхлой, превратилась в пряжу. В каждой нити имеется от 80 до 120 свободных нитей. Затем, как видно на рис. 1, эти нити были сплетены в конструкцию, напоминающую корзину. Плетеные маты для этого исследования были закуплены у компании Kiran Jute Industry в КальРис. 1. Корзиночное плетение джутовых волокон Fig. 1. Basket weave jute fi bers кутте, Западная Бенгалия, Индия. Эпоксидная смола с отвердителем HV953 в соотношении 1:1 использовалась в качестве матричного материала. Компоненты были закуплены у индийской компании Vasavibala Resins Ltd., Ченнаи. Метод изготовления Слоистые композиционные материалы изготавливаются с использованием компрессионной формовочной машины. В форму из нержавеющей стали размерами 260×260×4 мм предварительно заливали достаточное количество смолы. Затем внутрь смолы помещали мат корзиночного плетения и с помощью валика смолу распределяли по мату. Процесс повторяли до тех пор, пока не был получен четырехслойный мат, прежде чем заполнить полость рассчитанным количеством смолы. Затем на пресс-формовочной машине прессовали форму, выдерживая ее в течение 1 часа при температуре 80 °С и давлении 150 кгс/см2. Полученные слоистые композиционные материалы разрезали для приготовления образцов в соответствии со спецификациями ASTM. На рис. 2 и 3 соответственно показана подготовка композита и установка машины для компрессионного формования. Согласно стандарту ASTM D-638 испытание на растяжение проводили при скорости испытания 2 мм в минуту. Образец в форме собачьей кости имел следующие размеры: длина 165 мм, калибровочная длина 57 мм и ширина 13 мм. Испытания на изгиб по трехточечной схеме проРис. 2. Схема получения композита Fig. 2. Composite preparation fl ow diagram
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 140 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 3. Экспериментальная установка Fig. 3. Experimental setup водили в соответствии со стандартом ASTM D-790 при скорости испытания 1,7 мм в минуту с точностью определения положения 0,001 мм и точностью скорости 0,005 %. Образец изготавливали со стандартными размерами: 127 мм в длину, 12,7 мм в ширину и 4 мм в толщину. При проведении ударного испытания на композитном образце размерами 63,7×12,7×3 мм следовали рекомендациям ASTM D-256 с точностью по углу 0,1°. Анализ свободных колебаний позволил исследователям лучше понять динамическое поведение композиционных материалов. С использованием экспериментального модального анализа была обнаружена собственная частота и связанный с ней коэффициент затухания композита. Экспериментальный модальный анализ выполнялся с использованием теста ударным молоточком, как схематически показано на рис. 4. Для этого анализа были приняты во внимание первые три режима изгибания композита, изготовленного из джутового волокна корзиночного плетения. Исследование свободных колебаний проводилось при свободных граничных условиях. Образец размером 170×17×3 мм был закреплен на жесткой концевой опоре, такой как консольная балка, и с помощью воска над образцом был установлен легкий акселерометр весом 4 г для получения первых трех собственных частот композита на основе плетеного джутового волокна. Использование легкого акселерометра помогло избежать дополнительного воздействия на массу тканого композита. После удара сигнал удара отправлялся в 8-канальную систему сбора данных DEWE для использования алгоритма быстрого преобразования Фурье (алгоритма БПФ) с целью преобразования сигнала во временной области в частотную форму. Непосредственные измерения соответствующих значений Рис. 4. Экспериментальная установка для изучения собственных колебаний Fig. 4. Free vibration setup
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 141 MATERIAL SCIENCE коэффициента затухания могут быть выполнены с помощью системы сбора данных DEWE. В зависимости от резонансного пика частотной характеристики изначально были четко видны три пика; были извлечены соответствующие этим пикам собственные частоты. По методу аппроксимирующих кругов для расчета коэффициента затухания использовался график Найквиста (nqyust). Метод аппроксимирующих кругов учитывал только несколько мест по соседству с ответом, поэтому пиковая амплитуда мало влияла на результаты. Расположение пика отклика лежит на дуге окружности при использовании метода аппроксимирующих кругов. Рис. 5 иллюстрирует типичный Рис. 5. График Найквиста для метода аппроксимирующих кругов Fig. 5. Nyqust plot for fi tting circle method график Найквиста, использующий подход круга подгонки. Формула для расчета коэффициента затухания: 2 2 2 1 2 1 0 2 1 , 2 tan tan 2 2 ω − ω ς = α α ⎡ ⎤ ω ω +ω ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ где ω0 – угловая резонансная частота; ω1, ω2 – угловые частоты; α1, α2 – углы между угловыми частотами. Результаты и их обсуждение В настоящем исследовании после получения композиционного материала из него изготовили образцы, масса и размер которых приведены в табл. 1. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что увеличение массы композиционного материала происходит преимущественно из-за увеличения массы смолы. Соответственно в исследованиях композиционных материалов влияние массы обусловлено массой смолы. Для настоящего исследования были выбраны джутовые волокна в четырехслойном корзиночном переплетении изза их способности равномерно распределять силу как в направлении основы, так и в направлении утка. По мере увеличения количества слоев в композите улучшаются его качества. Испытание на растяжение Испытание на растяжение проводили на универсальной разрывной машине для разного процентного содержания NaOH и разного времени Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Масса и размер образцов Weight and Size of specimen № Тип (толщина) Масса, г 1 Однослойный (~4 мм) 16–18 2 Двухслойный (~4 мм) 18–19 3 Трехслойный (~4 мм) 21–22 4 Четырехслойный (~4 мм) 24–25 Тип испытания Размер образца 1 На растяжение (ASTM D-638) 30×3 см 2 На изгиб (ASTM D-790) 125×12,7 мм 3 На прочность при ударе (ASTM D-256) 63,5×12,7 мм 4 На свободные колебания 170×17 мм
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 142 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ обработки поверхности волокон. Результаты представлены в табл. 2. Как видно из табл. 2, обработка поверхности улучшает временное сопротивление разрушению при растяжении и модуль упругости примерно на 12 и 40 % соответственно. Из этого можно сделать вывод, что влияние времени выдержки при обработке поверхности волокон раствором NaOH не приводит к значительному улучшению характеристик композиционного материала при растяжении; повышение временного сопротивления разрушению при растяжении настолько минимально, что его можно не заметить. Аналогичные результаты получены при увеличении процентного содержания NaOH. Это указывает на то, что при применении щелочи лигнин и гемицеллюлоза быстро удаляются из волокон. Очевидно, что самое высокое значение временного сопротивления разрушению при растяжении для КМ с корзиночным плетением составляет 50 ± 1,17 МПа при предварительной обработке 4%-м раствором щелочи в течение 1 часа, а его модуль упругости при растяжении – 1,94 ± 0,23 ГПа. Второе по величине значение временного сопротивления разрушению при растяжении для КМ с корзиночным плетением составляет 49 ± 0,60 МПа при предварительной обработке 1%-м раствором щелочи в течение 1 часа, а его модуль упругости при растяжении – 1,90 ± 0,10 ГПа. Самое низкое значение временного сопротивления разрушению при растяжении для КМ с корзиночным плетением составляет 48 ± 0,61 МПа при предварительной обработке 1%-м раствором щелочи в течение 30 минут, а его модуль упругости при растяжении – 1,90 ± 0,11 ГПа. Второе и последнее самое низкое значение временного сопротивления разрушению при растяжении для КМ с корзиночным плетением составляет 48,8 ± 2,61 МПа при предварительной обработке 4%-м раствором щелочи в течение 30 минут, а его модуль упругости при растяжении – 1,91 ± 0,18 ГПа. Испытание на изгиб Для изучения прочности на изгиб и модуля изгиба проведено соответствующее испытание, его результаты представлены в табл. 3. По результатам описанных выше испытаний видно, что поверхностная обработка композиционных материалов повышает их способность к изгибу. Наибольшее значение предела прочности на изгиб и модуля упругости при изгибе было обнаружено при предварительной выдержке в 4%-м растворе NaOH в течение 1 часа. По сравнению с другими результатами результаты с часовой выдержкой в 4%-м растворе щелочи заметно выше. Это может быть вызвано увеличением содержания целлюлозы и максимально возможной адгезией между волокнами и матрицей. Предел прочности на изгиб и изменение модуля упругости не сильно отличаются для трех других комбинаций. Увеличение предела прочности на изгиб и модуля упругости слоистых образцов без предварительной обработки поверхности составляет около 10,40 и 32,24 % соответственно. Таким образом, можно сказать, что обработка Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Поведение тканого джутового композита при испытании на растяжение Tensile test behavior of woven jute composite Количество слоев Тип плетения, концентрация NaOH и время выдержки Временное сопротивление разрушению, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа 4 Корзиночное (30 мин, 1 %) 48 ± 0,61 1,90 ± 0,11 Корзиночное (1 час, 1 %) 49 ± 0,60 1,90 ± 0,10 Корзиночное (30 мин, 4 %) 48,8 ± 2,61 1,91 ± 0,18 Корзиночное (1 час, 4 %) 50 ± 1,17 1,94 ± 0,23 Количество слоев Тип плетения, без выдержки в NaOH Временное сопротивление разрушению, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа 4 Корзиночное 43,60 ± 2,3 1,15 ± 0,27
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1