2025 № 5

Приведено результати комплексних експериментальних досліджень із визначення енергетичних характеристик руйнування при зародженні та розповсюдженні тріщин у зразках трьох типів (стандартні зразки Шарпі, зразки з бічними надрізами, малорозмірні зразки), вирізаних у трьох взаємно перпендикулярних напрямках із поковки зі сталі 15Х2НМФА-А, при випробуваннях на ударний згин. Випробування проводились на інструментованому вертикальному копрі, обладнаному високошвидкісною системою реєстрації даних, у діапазоні температур 􀜶 􀵌 –100…150°С. За результатами випробувань отримано діаграми навантаження у координатах зусилля−час і розраховано повну енергію деформування і руйнування та її складові: енергію зародження, в’язкого підростання і крихкого проскоку тріщини та в’язкого долому зразка. За допомогою методів кількісної фрактографії досліджено поверхні зламів зразків та визначено питому енергію деформування і руйнування та її складові. Показано, що напрямок вирізки зразків суттєво впливає на енергетичні характеристики руйнування. Установлено, що напрямок вирізки впливає на механізм утворення бічних утягувань як у стандартних зразках Шарпі, так і у малорозмірних, а на значення енергії деформування та руйнування впливає механізм в’язкого руйнування як у зоні утворення бічних утягувань, так і в зоні долому. Використання високошвидкісної системи реєстрації дає змогу визначати середню швидкість розповсюдження тріщини та її швидкість на окремих ділянках при зіставленні відповідних зон на діаграмі навантаження і на поверхні зламу зразків. Установлено, що для зразків із бічними надрізами швидкість розповсюдження крихкої тріщини суттєво вища, ніж в інших зразках, і змінюється в діапазоні 816…182 м/с. Значення швидкості розповсюдження в’язкої тріщини для зразків Шарпі змінюється в діапазоні 0,6…130 м/с, для малорозмірних − 0,6…11 м/с, для зразків з бічними надрізами − 6,2…21 м/с. За результатами експериментальних досліджень і фрактографічного аналізу з використанням методу сканувальної електронної мікроскопії встановлено механізми руйнування й особливості розповсюдження тріщини в зразках із бічними надрізами. Визначено, що підвищення енергоємності руйнування зразків у напрямку 􀜻 (площина 􀜺􀜱􀜼) пов’язане з неоднорідністю мікроструктури, що виникла під час термомеханічної обробки сталі.

Ключові слова:зразок Шарпі, зразок із бічними надрізами, малорозмірний зразок, енергія деформування і руйнування, критична температура крихкості, фрактографічний аналіз, ударний згин, енергетичні характеристики руйнування, швидкість розповсюдження тріщини, критична температура крихкості.

Досліджено контакт двох пружних ізотропних тіл з узгодженими плоскими поверхнями за наявності локального зношування вздовж смуги зі сталим коефіцієнтом тертя, поза якою тертя відсутнє. Використано модель Панасюка–Андрейківа–Чернеця, яка передбачає, що стирання відбувається лише на тих ділянках контактної поверхні, де питома сила тертя перевищує певне порогове значення. Відповідну контактну задачу теорії пружності зведено до сингулярного інтегрального рівняння з ядром Коші для товщини зношеного матеріалу, яке розв’язано аналітично. Проаналізовано вплив навантаження, коефіцієнта тертя і ширини смуги стирання на розподіл контактного тиску і товщини зношеного матеріалу після завершення процесу стирання.

Ключові слова:тертя, локальне зношування, контактний тиск, товщина зношеного матеріалу, сингулярне інтегральне рівняння.

Досліджено процес розшарування зразків типу подвійної консольної балки (DCB) зі склопластику з реєстрацією параметрів акустичної емісії (АЕ). Суттєво змінено традиційну методику реєстрації сигналів АЕ, апаратна частина включала два окремих канали з різними частотними діапазонами: 30…600 кГц і 0,8…200 кГц, а до складу програмного забезпечення входили програми AE Monitor, Sound Energy і вільний аудіоредактор Audacity. Розвиток розшарування оцінювали з використанням інтегральних параметрів АЕ, а саме: підсумкового рахунку, числа подій і енергії сигналів АЕ. Через розкид абсолютних значень параметрів АЕ використано їхні нормалізовані величини. Установлено, що довжину розшарування більш достовірно відображає нормалізована енергія сигналів АЕ в частотному діапазоні 0,8…200 кГц. Спостерігається зв’язок стрибків цього параметра з різким падінням зусилля при навантаженні зразків, що пов’язано з розвитком розшарування. Одержано повні спектрограми АЕ при випробуванні зразків DCB зі склопластику в вищевказаному діапазоні частот, виявлено наявність суттєвих спектральних складових сигналу в області звукових частот. Запропоновано визначення поточної довжини розшарування у таких зразках за величини нормалізованої енергії сигналів АЕ в частотному діапазоні 0,8…200 кГц.

Ключові слова:розшарування, склопластик, акустична емісія, енергія сигналу, інтерламінарна в’язкість руйнування.

Розглядаються моделі прогнозування довговічності металів за умов малоциклового непропорційного навантаження. Запропоновано модифікацію моделі Фатемі–Сосі, яка включає додатковий параметр, що враховує вплив повороту головних осей напружень і чутливість матеріалу до непропорційного навантаження. Базовими експериментами для встановлення параметрів моделі є втомні випробування з контролем за деформаціями на розтягання– стискання, знакозмінне кручення та непропорційне навантаження зі зсувом фаз на 90. Валідація запропонованого підходу здійснювалася шляхом порівняння отриманих розрахунків із набором експериментальних даних, опублікованих у літературних джерелах. Зокрема, до набору даних входили результати випробувань дев’яти металевих сплавів за чотирма непропорційними траєкторіями. Здійснено порівняльний аналіз підходу з моделями Фатемі– Сосі й Іто та ін. Розглянуто варіант моделі, який не вимагає проведення базового випробування за непропорційного навантаження зі зсувом фаз на 90, що робить її більш доступною для інженерних застосувань. Установлено, що обидва варіанти нової моделі дають надійні результати прогнозування для всіх досліджених матеріалів і покращують прогнозування довговічності за умов непропорційного навантаження.

Ключові слова:багатоосьова втома, критична площина, додаткове зміцнення, непропорційне навантаження, оцінювання довговічності.

Показано, як порогові характеристики росту втомної тріщини (пороговий розмах коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) за асиметрії 􀜴 􀟂􀜭􀯧􀯛,􀯋, ефективний 􀟂􀜭􀯧􀯛,􀯘􀯙􀯙 і внутрішній 􀟂􀜭􀯧􀯛,􀯜􀯡 порогові розмахи КІН використовуються для прогнозування швидкості росту короткої втомної тріщини. Наведено результати розрахунку кінетичних кривих швидкості росту короткої втомної тріщини за запропонованою моделлю, які порівнюються з експериментальними даними для зразків із титанового Ti-6Al-4V й алюмінієвого 2024-Т3 сплавів та сталі 45. Зроблено спробу пояснити, що спільного між кінетикою швидкості росту короткої втомної тріщини й “ефектом Марсі” у кінетиці швидкості росту довгої втомної тріщини.

Ключові слова:порогові характеристики росту втомної тріщини, кінетика швидкості росту короткої втомної тріщини, конструкційні сплави, ефект Марсі.

Явище флатера лопаток ротора турбіни зустрічається досить рідко, але наслідки його виникнення можуть бути катастрофічними. Більшою мірою це стосується лопаток останніх ступенів парових турбін, які через свою довжину і вагу мають низькі власні частоти, порівнюючи їх із частотою обертання. Досліджуються коливання лопаток ротора останнього ступеня потужної парової турбіни, що працює на частковому режимі, викликані нестаціонарним потоком із боку соплових лопаток і нерівномірністю потоку у вихлопному патрубку. Взаємодію потоку з коливаннями лопаток було змодельовано за допомогою розв’язання зв’язаної задачі аеродинаміки і динаміки лопаток. Коливання лопаток моделювалися з використанням модального методу. Чисельне дослідження проведено з використанням програмного комплексу ANSYS Fluent із додатковим власним програмним забезпеченням. Моделювання виконано для проточної частини, що містить усі лопатки статора і ротора останнього ступеня циліндра низького тиску і частину вихлопного патрубка від виходу зі ступеня до конденсатора. Отримано нестаціонарні аеродинамічні сили, що діють на лопатку ротора, та її переміщення під дією цих сил. Виявлено, що на першій власній формі при куті зсуву фаз коливань лопатки близько 270° спостерігається постійне зростання амплітуди її коливань, для кута зсуву, близького до 180° – стійкі автоколивання, для інших кутів – демпфування коливань. Зміну амплітуди коливань лопатки визначено за допомогою розрахунку логарифмічного декременту коливань. Порівнюючи з іншими методами, застосований вдосконалений метод моделювання зв’язаних коливань лопаток ротора дає змогу отримати ширшу зону режимів зі значно меншими значеннями аеродинамічного демпфування, за яких можлива поява флатера лопаток.

Ключові слова:аеропружність, стійкість до флатера, коливання лопаток, парова турбіна, вихлопний патрубок, чисельне моделювання течії, зв’язана задача.

Диски компресорів і турбін авіаційних газотурбінних двигунів (ГТД) належать до категорії основних деталей, руйнування яких призводить до втрати їхньої функціональної придатності. Аналіз руйнувань дисків компресорів низького тиску таких двигунів свідчить, що причиною є утворення втомних тріщин в околі гострого кута міжпазового виступу. Наявність неминучого розладу частот коливань лопаток і, як наслідок, колового розкиду резонансних амплітуд є чинником, що підвищує напруження лопаток і спричиняє локалізацію напружень у диску. Приведено результати числового аналізу впливу розладу власної частоти коливань однієї лопатки, як найбільш небезпечного варіанта колового розподілу власних частот лопаток, на напружено-деформований стан (НДС) критичних зон диска осьового компресора низького тиску. Для визначення впливу колової неоднорідності вінця розлад власної частоти коливань лопатки, що становив 2%, було отримано шляхом зменшення висоти її пера. Розроблено тривимірні скінченноелементні моделі робочого колеса, що враховують відцентрові й гармонічні силові навантаження та контактну взаємодію в замковому з’єднанні типу ластівчин хвіст. Проведено верифікацію числової моделі шляхом порівняння розрахункових даних з експериментальними. Показано, що потовщення обода диска дає змогу зменшити максимальні еквівалентні напруження. Досліджено вплив різних гармонік збудження на вібронапруженість диска з урахуванням розладу частоти коливань лопатки. Визначено, що найбільше на збільшення вібронапруженості критичних точок диска впливають згинно- крутильні й крутильні форми коливань лопаток, особливо при збудженні за 1- та 19-ю гармоніками силового навантаження. Виявлено, що найбільше відносне зростання напруженості в критичних точках диска спостерігається для 5-ї гармоніки навантаження, що пов’язано з інтерференцією власних форм коливань системи диск–лопатка.

Ключові слова:авіаційний ГТД, частотна функція, розлад частот коливань, стаціонарні коливання, резонансні коливання, вібраційні напруження, метод скінченних елементів.

Для ряду сталей різних класів і кристалічної структури досліджено вплив великих пластичних деформацій розтягу, крутіння, згину, а також малоциклової втоми на питомий електричний опір матеріалу зразка, що прийнято за міру пошкоджуваності. Експериментально встановлено, що розтяг, на відміну від інших видів деформування, призводить до зменшення питомого електричного опору досліджених сталей (03Х20Н16АГ6, 03Х13Н9Г19АМ2, ОН9, М76). Оцінюється пошкоджуваність та її питома величина як така, що припадає на одиницю залишкової пластичної деформації, кут закручування та цикл навантаження. При розтягу найбільшу чутливість до деформації за цим показником виявила рейкова сталь перлітного класу М76, а найменшу – аустенітна сталь 03Х13Н9Г19АМ2. Показано, що для матеріалу, підданого всебічному розтягу в зоні кільцевого надрізу, обробка імпульсним електричним струмом великої густини призводить до значного зменшення електричного опору ділянки концентратора. Це може свідчити про можливість виліковування пошкоджень, завданих в умовах об’ємного напружено-деформованого стану, імпульсами електричного струму.

Ключові слова:пластична деформація, малоциклова втома, електричний опір, пошкоджуваність, імпульс електричного струму.

Наведено результати експериментального дослідження зі встановлення характеру впливу масштабного ефекту на характеристику міцності флоат-скла залежно від товщини зразка в умовах чотирьохточкового згину плоских пластин різного геометричного розміру. Визначено статистичні закономірності розподілу значень границі міцності скла. На основі проведеного фрактографічного аналізу зруйнованих при згині зразків показано, що домінуючий вид руйнування полягав у розвитку магістральної макротріщини з небезпечного дефекту кромки. Виконано графічну візуалізацію експериментальних даних за допомогою побудови діаграм розмаху для досліджених чотирьох груп зразків із демонстрацією статистичних показників, таких як середнє значення, медіана, нижній та верхній квартилі, а також результатів, які можуть бути помилковими і вважатися викидами. Перевірку існування і виключення таких аномальних результатів було здійснено з використанням статистичних критеріїв Шовене і Смірнова, що дало змогу значно зменшити розкид емпіричних даних. За аналізом побудованих статистичних розподілів міцності скла з’ясовано ступінь однорідності наявних дефектів, що відображалося на характері розкиду експериментальних даних. Найбільший і найменший розкид результатів отримано для зразків товщиною 3,9 та 6,0 мм відповідно, що засвідчувало вихідну якість плоского листового скла, вплив виробничих і технологічних чинників при його виготовленні й операціях механічної обробки. Для зразків скла товщиною 3,9 мм установлено двомодальність розподілу міцності, що спричинено наявністю двох видів визначальних дефектів на кромці та приповерхневому тріщинуватому шарі скла. Наведено діаграму з проявом прямого масштабного ефекту під час визначення границі міцності флоат-скла при згині на зразках товщиною від 3,9 до 8,2 мм, врахування якого у проєктних і конструкторських рішеннях необхідне для достовірного з’ясування роботоздатності та ресурсу відповідальних елементів конструкцій з них.

Ключові слова:флоат-скло, масштабний (розмірний) ефект, міцність, дефектність, чотирьохточковий (чистий) згин, статистичний аналіз, критерії Шовене і Смірнова, діаграма розмаху (коробковий графік).

Визначено перспективність розробки високоміцних наноструктурованих склокристалічних матеріалів на основі літійалюмосилікатних стекол, зважаючи на реалізацію комплексу механічних властивостей, для пріоритетних галузей науки, техніки і промисловості. Проаналізовано застосування принципів біоміметики тріщиноутворення в склокристалічних матеріалах подібно до таких для гірської породи на основі силового критерію Ірвіна– Гріффітса. Установлено, що показник тріщиностійкості, який визначається характером кристалізації і в’язкістю руйнування, залежить від зміни розміру кристалів. Ці критерії є взаємодоповнюючими при оцінці тріщиностійкості скломатеріалів і дають змогу визначити схильність різних матеріалів не лише до появи та росту тріщини, а й до їхнього блокування й самозаліковування. Модифіковано склади літійалюмосилікатних стекол у напрямку підвищення міцнісних властивостей і отримано на їхній основі склокристалічні матеріали в умовах короткотривалої низькотемпературної двостадійної термічної обробки. Установлено основні фактори формування високоміцної структури склокристалічних матеріалів: кристалізація літійалюмосилікатних стекол в області формування β-евкриптиту, β-сподумену або дисилікату літію й метастабільного фазового розділення; формування дисипативної структури при самоорганізації кластерів шляхом фазового розділення скла для ефективного обмеження гальмування росту розмірів сферолітів, наноструктурування скла для формування орієнтованої щільноупакованої дентритної структури з трансляційною симетрією. Порівняльна оцінка механічних властивостей розроблених літійалюмосилікатних склокристалічних матеріалів на основі β-сподумену, β-евкриптиту й дисилікату літію дає змогу встановити, що міцнісні характеристики визначають перспективність їхнього застосування в складних умовах експлуатації при розробці конструкцій спеціальної авіаційної і наземної техніки в приладобудуванні для потреб енергетики й електроніки.

Ключові слова:склокристалічні матеріали, літійалюмосилікатні стекла, кристалізація, структура, тріщиностійкість, β-сподумен, β-евкриптит, дисилікат літію, механічні властивості, міцність.

Запропоновано інкрементну формулу для швидкого обчислення еліптичності плями контакту і модифікацію методу Оба для розрахунку еліптичних інтегралів. Розв’язок параметра 􀟥 методом Бейлі забезпечує похибку <10⁻¹² за дві ітерації; за порога 10⁻⁶ достатньо однієї ітерації, що придатно для розрахунків у кожен момент часу.

Ключові слова:контакт Герца, еліптичність, еліптичні інтеграли, ітераційні методи.

Гарячі випробування на розтяг показали зменшення міцності й границі текучості зі зростанням температури з апроксимацією експоненційно‑лінійною функцією нижче за 400°C і лінійною – вище за 400°C. Після термообробки випробування при кімнатній температурі виявили невеликі (≤10%) зміни міцності, модуля і відносного подовження; границя текучості монотонно зменшується за 􀜶>500 °C (добре описується гаусовою функцією).

Ключові слова:AISI 304, висока температура, механічні властивості, термообробка, емпіричне моделювання.

Показано, що холодне прокатування формує виражену градієнтну текстуру по товщині, що суттєво впливає на зміну товщини стінки під час технологічних операцій. Вищий коефіцієнт скорочення (CSR) зумовлює сильніше стоншення кінця труби при розширенні та потовщення бічних стінок при сплющенні. Стратегія “всередині високий/зовні низький” CSR зменшує стоншення під час розширення, тоді як “зовні високий/всередині низький” покращує розподіл напружень при сплющенні.

Ключові слова:титанові труби, градієнтна текстура, коефіцієнт скорочення, формоутворення, МСЕ.

Нелегований графен демонструє високу міцність при розриві (~133,9 ГПа) без розриву зв’язків при максимальному навантаженні. Додавання 1–6 атомів кисня суттєво знижує міцність і деформівність та спричиняє раннє зародження тріщин у зонах легування. Показан, що кисневе забруднення помітно погіршує механічну цілісність.

Ключові слова:графен, кисневе легування, ReaxFF, міцність при розриві, руйнування.

Оцінено первинний, 7‑кратно перероблений (C7) і змішаний (50% свіжого + 50% C7) порошки для 3D-принтерів. Відновлений порошок має кращу текучість; деталі зі C7 і змішаного порошку демонструють вищу міцність і деформівність, порівнюючи з первинним, попри дещо більшу пористість. Показано потенційну економічну й екологічну доцільність використання перероблених порошків для біомедичних компонентів.

Ключові слова:Ti‑6Al‑4V, відновлений порошок, адитивне виробництво, комп’ютерна томографія, механічні випробування.

Запропоновано параметричні процедури побудови узагальненого довірчого інтервалу (GCI) і параметричного бутстрап‑інтервалу для різниці між двома новими індексами здатності процесу (позначення наведено в оригіналі). Моделювання Монте‑Карло досліджує рівні покриття й середні ширини інтервалів. Наведено перероблений аналіз чотирьох наборів реальних даних з електронної промисловості.

Ключові слова:технологічна здатність, довірчий інтервал, бутстрап, нормальний розподіл.

Розроблено представницький об’ємний елемент із випадковим розміщенням волокон для епоксидного композита з вуглецевим волокном і оксидом графену. На основі мікромеханічного моделювання побудовано матрицю піддатності та включено її до моделі сили відновлення форми. Розраховане значення сили (8,02 Н) добре узгоджується з експериментом (7,9 Н), що підтверджує адекватність моделі для проєктування “розумних” композитів.

Ключові слова:мультимасштабне моделювання, відновлення форми, сила відновлення, пошкоджуваність, оксид графену.

На основі стандартних випробувань і статистичного аналізу отримано історії навантаження для експериментів із повзучістю при розтягуванні на різних рівнях напруження. Модифікована модель Фіндлі коректно описує деформації в усьому діапазоні навантажень і дає змогу кількісно оцінити вплив рівня напруження на в’язкопружну відповідь бамбукового скримбера.

Ключові слова:бамбуковий скримбер, повзучість при розтягуванні, в’язкопружність, модель Фіндлі.

Три повномасштабні зразки зі сталевою плитою і шаром UHPC випробувано на чотириточковий згин позитивним моментом. Деформація перерізів відповідає гіпотезі плоских перерізів; конструкція демонструє високу пластичність і несучу здатність. Основні механізми руйнування: пластична течія U‑ребер і руйнування верхньої частини плити UHPC. Збільшення кроку шпильок підсилює міжшарове ковзання, але мало впливає на згинальну несучу здатність. Попереднє напруження підвищує несучу здатність і еластичний діапазон, однак дещо зменшує граничні прогини.

Ключові слова:композитний настил, UHPC, згин, шпильки, попереднє напруження.

Для змінного навантаження гусеничних машин побудовано модель оцінки надійності планетарного носія і виявлено, що фактична його відмова пов’язана з великою деформацією вихідної бічної пластини, а не з утомою в зонах пікових напружень. Інтеграція аналізу поверхні відгуку з алгоритмом NSGA‑II дала оптимальні параметри: еквівалентна напруга за Мізесом зменшена на 6,7%, максимальна деформація – на 10,1%.

Ключові слова:планетарний носій, бортовий редуктор, метод скінченних елементів, багатоцільова оптимізація, алгоритм NSGA‑II.