eng
Выпуск #2/2021
Е.А.Климов, М.Ю.Мурашкин
Оценка прочности методом конечных элементов перспективного двухкомпонентного проводника из наноструктурных алюминиевых сплавов
Оценка прочности методом конечных элементов перспективного двухкомпонентного проводника из наноструктурных алюминиевых сплавов
Просмотры: 1384
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.150.158
В работе методом конечных элементов проведена оценка рациональной конструкции перспективного двухкомпонентного проводника, выполненного из наноструктурных алюминиевых сплавов для обеспечения необходимого уровня прочности.
В работе методом конечных элементов проведена оценка рациональной конструкции перспективного двухкомпонентного проводника, выполненного из наноструктурных алюминиевых сплавов для обеспечения необходимого уровня прочности.
Теги: aluminum alloys finite element method intensive plastic deformation strength two-component wire ultra-fine grain structure алюминиевые сплавы двухкомпонентный провод интенсивная пластическая деформация метод конечных элементов прочность ультрамелкозернистая структура
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРСПЕКТИВНОГО ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ПРОВОДНИКА ИЗ НАНОСТРУКТУРНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
STRENGTH ESTIMATION OF A PROSPECTIVE TWO-COMPONENT CONDUCTOR MADE OF NANOSTRUCTURAL ALUMINUM ALLOYS BY THE FINITE ELEMENT METHOD
Е.А.Климов1, магистр, (ORCID: 0000-0002-9559-0191), М.Ю.Мурашкин1, 2, к.т.н., ст. науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-9950-0336) / k1e2a3@mail.ru
E.A.Klimov1, Master, M.Yu.Murashkin1, 2, Cand. of Sci. (Technical), Senior Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.150.158
Получено: 30.11.2020 г.
В работе методом конечных элементов проведена оценка рациональной конструкции перспективного двухкомпонентного проводника, выполненного из наноструктурных алюминиевых сплавов для обеспечения необходимого уровня прочности.
In this paper the finite element method is used to assess the rational design of a prospective two-component conductor made of nanostructured aluminum alloys to ensure the required level of strength.
ВВЕДЕНИЕ
Алюминий является вторым после меди техническим проводником по значению электропроводности. Поэтому закономерно, что использование алюминия и сплавов на его основе в качестве электрических проводников в последнее десятилетие значительно расширяется, уже составляя более 10% в общей структуре потребления алюминия в мире [1, 2]. Благодаря сочетанию малого веса, хорошей электропроводности и технологической пластичности, а также высокой стойкости к атмосферной коррозии, алюминий и ряд сплавов на его основе находят все большее применение в энергосистемах и электрических сетях, в том числе в наземном и воздушном транспорте [1–5], вытесняя более тяжелые и дорогие медные проводниковые материалы. Для прогресса в этом направлении необходимо решить сложную проблему создания новых проводниковых материалов на основе алюминия, обладающих прочностными характеристиками, сопоставимыми с их медными аналогами, а также электропроводностью, близкой к чистому алюминию.
В настоящее время активно проводятся изыскания, направленные на создание высокопрочных проводников за счет разработки новых сплавов и композитов на основе алюминия, а также методов их обработки [6–10].
Исследования последних лет показали, что весьма эффективным подходом, позволяющим кардинально улучшить свойства проводниковых алюминиевых сплавов, является формирование в них регламентированных наноструктурных состояний, используя методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [11–13]. С целью дальнейшего улучшения комплекса свойств наноструктурных сплавов в настоящее время проводятся исследования по созданию на их основе двухкомпонентных проводников, например, таких как Al/Al, Al/Fe или Cu/Al, при обработке которых используют такой метод ИПД, как равноканальное угловое прессование (РКУП) [14–16]. Однако подбор в таких проводниках оптимального соотношения, токопроводящего и армирующего материалов, осуществляемый в ходе выполнения натурных экспериментов, является весьма длительной, технически сложной и затратной процедурой. В данной работе представлен пример использования цифровых технологий – моделирования методом конечных элементов (КЭ), для определения рациональной конструкции двухкомпонентного проводника, выполненного из наноструктурных алюминиевых сплавов, для обеспечения необходимого уровня прочности.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материалов исследования использовали сплав 6101 стандартного химического состава (0,59Mg, 0,54Si, 0,07Fe, примесей не более 0,01 мас. %, ост. Al), а также алюминий электротехнического назначения марки 1350 (99,5 мас. %Al), полученные традиционным методом совмещенного литья и прокатки в виде длинномерных прутков (катанки) диаметром 12 мм.
Формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры с заданными наноразмерными параметрами в проволоке из выбранных сплавов осуществляли методом РКУП по схеме Конформ (РКУП-К) и последующим холодным волочением (ХВ) [12, 13].
Механические испытания проволоки на растяжение осуществляли в соответствии c требованиями ГОСТ 10446-80 на испытательной машине Shimadzu AG-XD. Определение удельного электрического сопротивления производили по ГОСТ 7229-76 с использованием микроомметра БСЗ-010-2.
Исследования микроструктуры методом просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе фирмы Jeol JEM-2100 с ускоряющим напряжением 200 кВ
Для определения предела прочности (sВ) двухкомпонентных образцов применяли симуляцию испытаний на растяжения методом конечных элементов (КЭ) с помощью программного комплекса Computer-Aided Engineering (CAЕ).
При проведении моделирования оценки величины sВ методом КЭ использовали:
Моделирование испытания на растяжение проводили для цилиндрических заготовок двухкомпонентного образца из алюминиевых сплавов: сердечник диаметром от 4 до 1 мм, обойма с внешним диаметром 5 мм, длина рабочей части – 150 мм.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В результате обработки методом РКУП-К в катанке сплавов 1350 и 6101 формируется однородная УМЗ-структура со средним размером зерен 1200 и 670 нм, соответственно, имеющих форму, близкую к равноосной. В процесс ИПД образование УМЗ-зерен в сплаве 6101 сопровождается выделением из алюминиевого твердого раствора наноразмерных частиц упрочняющей фазы Mg2Si вследствие деформационного старения. Данные изменения микроструктуры характерны для алюминиевых сплавов, подвергнутых ИПД [11–13]. Последующее ХВ приводит к образованию вытянутых вдоль оси волочения зерен (рис.1a, b). Их ширина в проволоке сплавов 1350 и 6101 составляет 350…600 нм и 150…300 нм соответственно. В поперечном же сечении холоднотянутой проволоки наблюдаются равноосные зерна того же диапазона размеров (рис.1c).
В результате ХВ наноразмерные частицы Mg2Si фазы не претерпевают сколь либо заметных изменений формы и размеров, располагаются вдоль оси волочения (рис.1b), преимущественно вдоль сформированных в процессе ИПД границ зерен. Вид картины электронной дифракции (рис.1c) свидетельствует о том, что сформированные в проволоке материалы исследования в результате обработки РКУП-К- и ХВ-микроструктуры с наноразмерными выделениями частиц упрочняющей фазы относятся к структуре зеренного типа, образованной сеткой преимущественно высокоугловых границ.
В результате формирования описанной выше микроструктуры предел прочности проволоки сплава 1350 и 6101 составил 218±4 и 426±5 МПа (рис.2a). При этом проволока демонстрировала достаточно высокую пластичность (≥4%). Электропроводность проволоки сплавов 1350 и 6101 составила 61,1 и 51,2%IACS соответственно.
Анализ полученных экспериментально результатов показал, что формирование УМЗ-структуры с наноразмерными частицами позволило достичь в проволоке алюминиевого сплава 6101 значений прочности, превышающих соответствующие значения проволоки, выполненной из медных сплавов [11]. Однако уровень электропроводности высокопрочной проволоки недостаточен.
Как было отмечено выше, одним из путей, позволяющих эффективно управлять комплексом свойств, в том числе электропроводностью, является создание двухкомпонентных проводников, в которых подбор содержания компонентов, обеспечивающих прочность или электропроводность, производится в результате физического эксперимента [15, 16].
Для создания проводника на основе алюминия, обладающего прочностью, сопоставимой с их медными аналогами (≥400 МПа), были проведены симуляции испытаний на растяжение двухкомпонентной алюминиевой проволоки методом КЭ, по результатам которых определяли значения sВ в зависимости от соотношения площадей сердечника, выполненного из сплава 1350 с высокой электропроводностью и высокопрочной обоймы из сплава 6101. Перед началом симуляции были установлены все необходимые свойства сплавов, требуемые для соответствующего анализа, в том числе кривые напряжения-деформации для каждого из них, а также подобран оптимальный размер сетки для проведения анализа (рис.2a).
Для описания поведения материала использована модель Мизеса. Критерий текучести представлен в виде:
, (1)
где σ – эффективное напряжение; σy – напряжение текучести из испытаний. Свойства материала, в частности модуль упругости, предел текучести и пр/, получены, из диаграммы напряжения-деформации. Симуляция испытания на растяжения композитного образца рассматривалась как нелинейная задача. Методом управления анализа является приращение нагрузки по алгоритму Ньютона – Рафсона. В качестве схемы окончания анализа применяется сходимость силы:
|t+∆t{R}-t+∆t{F}(i)|<εf|t+∆t{R}-t{F}|, (2)
где t+∆t{R} – вектор внешних приложенных узловых нагрузок; t+∆t{F} – вектор внутренних образующихся в узлах сил; t+∆t – временной шаг.
На рис.3 представлены эпюры напряжений при симуляции растяжения двухкомпонентных алюминиевых образцов с разным соотношением диаметров обоймы и сердечника. Диаметр обоймы составил 5 мм, диаметр сердечника варьировался от 1 до 4 мм. По результатам моделирования установлены пределы прочности двухкомпонентной наноструктурной проволоки, которые варьировались от 294 до 421 МПа в зависимости от диаметра сердечника (рис.2b).
ОБСУЖДЕНИЕ
Показано, что формирование УМЗ-структуры, содержащей наноразмерные частицы упрочняющей фазы Mg2Si в образцах проволоки сплава 6101 системы Al–Mg–Si, позволяет реализовать в ней высокопрочное состояние (sВ = 426 МПа). Достигнутый уровень прочности превосходит прочность ряда проводников, выполненных из материалов на основе меди [11]. Измельчение микроструктуры также позволило достичь хорошей прочности (sВ = 218 МПа) в алюминии марки 1350, сохранив электропроводность на высоком уровне (61,1% IACS). Экспериментально полученные результаты свидетельствуют, что микроструктурный дизайн электротехнических материалов, широко используемых в различных отраслях электротехники, реализованный путем их обработки, сочетающей метод ИПД и традиционные операции обработки металлов давлением – ХВ, может привести к значительному улучшению свойств, например прочности.
Дальнейшее улучшение баланса физико-механических свойств возможно при исследовании двухкомпонентного проводника на базе изученных материалов.
Моделирование процесса растяжения двухкомпонентного проводника позволило установить зависимость предела прочности от диаметра сердечника (рис.4), согласно которому для создания двухкомпонентных проводников диаметром 5 мм, обеспечивающих прочность около 400 МПа на уровне, сопоставимом с медными сплавами, диаметр сердечника должен быть 1–2 мм.
На основании результатов расчета sВ методом КЭ двухкомпонентного образца, состоящего из сердечника и обоймы, была получена следующая эмпирическая зависимость:
, (3)
где σв(°б) > σв(серд) и δр(°б) ≥ δр(серд).
Если δр(°б) < δр(серд), то σв(°б) необходимо интерполировать по диаграмме растяжения, полученной экспериментально, где δр=∆l/l – равномерная деформация при растяжении; S – площадь сечения; σв – предел прочности материала.
ВЫВОДЫ
В работе с помощью симуляции испытаний на растяжения методом конечных элементов проведена оценка рациональной конструкции двухкомпонентного проводника в виде проволоки, выполненной из наноструктурного высокопрочного сплава 6101 и алюминия электротехнического алюминия марки 1350.
По результатам проведенного анализа методом КЭ установлено, что для создания двухкомпонентного проводника, состоящего из высокопрочной оболочки (сплав 6101) и сердечника (сплав 1350) с повышенной электропроводностью, обеспечивающих прочность ≥400 МПа на уровне, сопоставимом с медными сплавами, необходимо выполнение условия S(серд)/S(пр) ≤ 0,16.
Произведенные расчеты по результатам симуляции испытаний позволили вывести эмпирическую зависимость для расчета предела прочности двухкомпонентного проводника, которая может применяться и для других двухкомпонентных систем, выполненных из металлов и сплавов как электротехнического, так и конструкционного назначения.
БЛАГОДАРНОСТИ
М.Ю.Мурашкин благодарит РНФ за финансовую поддержку проекта № 17-19-01311.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Aluminium Alloys – New Trends in Fabrication and Application. Z. Ahmad (Ed.) Intech, 2012, p. 359.
Белый Д.И. Алюминиевые сплавы для токопроводящих жил кабельных изделий // Кабели и провода. 2012. № 1(332). С. 8–14.
Miller W.S, Zhuang L., Bottema J. Recent development in aluminium alloys for the automotive industry // Materials Science and Engineering A. 2000. V. 280. PP. 37–49.
Матвеев Ю.А., Гаврилова В.П., Баранов В.В. Легкие проводниковые материалы для авиапроводов // Кабели и провода. 2006. № 5(300). С. 22–23.
Cui X., Wu Y., Zhang G. Study on the improvement of electrical conductivity and mechanical properties of low alloying electrical aluminum alloys // Composites Part B. 2017. V. 110. PP. 381–387.
Fadayomi O., Clark R., Thole V. Investigation of Al-Zn-Zr and Al-Zn-Ni alloys for high electrical conductivity and strength application // Materials Science & Engineering A. 2019. V. 743. PP. 785–797.
Belov N.A., Korotkova N.O., Akopyan T.K., Pesin A.M. Phase composition and mechanical properties of Al-1.5%Cu-1.5%-Mn-0.35%Zr(Fe,Si) wire alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2019. V. 782. PP. 735–746.
Tian L., Russell A., Riedemann T. A deformation-processed Al-matrix/Ca-nanofilamentary composite with low density, high strength, and high conductivity // Materials Science & Engineering A. 2017. V. 690. PP. 348–354.
Zhukov I.A., Kozulin A.A., Khrustalyov A.P. The Impact of Particle Reinforcement with Al2O3, TiB2, and TiC and Severe Plastic Deformation Treatment on the Combination of Strength and Electrical Conductivity of Pure Aluminum // Metals. 2019. V. 9. (1). P. 65.
Hou J.P., Wang Q., Zhang Z.J. Nano-scale precipitates: The key to high strength and high conductivity in Al alloy wire // Materials and Design. 2017. V. 132. PP. 148–157.
Murashkin M.Yu., Sabirov I., Sauvage X., Valiev R.Z. Nanostructured Al and Cu alloys with superior strength and electrical conductivity // Journal of Materials Science. 2016. V. 51. PP. 33–49.
Medvedev A., Arutyunyan A., Lomakin I., Bondarenko A., Kazykhanov V., Enikeev N., Raab G., Murashkin M. Fatigue Properties of Ultra-Fine Grained Al–Mg–Si Wires with Enhanced Mechanical Strength and Electrical Conductivity // Metals. 2018. V. 8. (12). P. 1034.
Meagher R.C., Hayne M.L., DuClos J. Increasing the strength and electrical conductivity of AA6101 aluminum by nanostructuring // Light Metals. 2019. PP. 1507–1513.
Yang C., Masquellier N. Gandiolle G., Sauvage X. Multifunctional properties of composition graded Al wires // ScriptaMaterialia. 2020. V. 189. PP. 21–24.
Qi Y., Lapovok R., Estrin Y. Microstructure and electrical conductivity of aluminium/steel bimetallic rods processed by severe plastic deformation // J Mater Sci. 2016. V. 51. PP. 6860–6875.
Lapovok R., Popov V.V., Qi Y. Architectured hybrid conductors: Aluminium with embedded copper helix //
Materials & Design. 2020. V. 187. № 108398.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
STRENGTH ESTIMATION OF A PROSPECTIVE TWO-COMPONENT CONDUCTOR MADE OF NANOSTRUCTURAL ALUMINUM ALLOYS BY THE FINITE ELEMENT METHOD
Е.А.Климов1, магистр, (ORCID: 0000-0002-9559-0191), М.Ю.Мурашкин1, 2, к.т.н., ст. науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-9950-0336) / k1e2a3@mail.ru
E.A.Klimov1, Master, M.Yu.Murashkin1, 2, Cand. of Sci. (Technical), Senior Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.2.150.158
Получено: 30.11.2020 г.
В работе методом конечных элементов проведена оценка рациональной конструкции перспективного двухкомпонентного проводника, выполненного из наноструктурных алюминиевых сплавов для обеспечения необходимого уровня прочности.
In this paper the finite element method is used to assess the rational design of a prospective two-component conductor made of nanostructured aluminum alloys to ensure the required level of strength.
ВВЕДЕНИЕ
Алюминий является вторым после меди техническим проводником по значению электропроводности. Поэтому закономерно, что использование алюминия и сплавов на его основе в качестве электрических проводников в последнее десятилетие значительно расширяется, уже составляя более 10% в общей структуре потребления алюминия в мире [1, 2]. Благодаря сочетанию малого веса, хорошей электропроводности и технологической пластичности, а также высокой стойкости к атмосферной коррозии, алюминий и ряд сплавов на его основе находят все большее применение в энергосистемах и электрических сетях, в том числе в наземном и воздушном транспорте [1–5], вытесняя более тяжелые и дорогие медные проводниковые материалы. Для прогресса в этом направлении необходимо решить сложную проблему создания новых проводниковых материалов на основе алюминия, обладающих прочностными характеристиками, сопоставимыми с их медными аналогами, а также электропроводностью, близкой к чистому алюминию.
В настоящее время активно проводятся изыскания, направленные на создание высокопрочных проводников за счет разработки новых сплавов и композитов на основе алюминия, а также методов их обработки [6–10].
Исследования последних лет показали, что весьма эффективным подходом, позволяющим кардинально улучшить свойства проводниковых алюминиевых сплавов, является формирование в них регламентированных наноструктурных состояний, используя методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [11–13]. С целью дальнейшего улучшения комплекса свойств наноструктурных сплавов в настоящее время проводятся исследования по созданию на их основе двухкомпонентных проводников, например, таких как Al/Al, Al/Fe или Cu/Al, при обработке которых используют такой метод ИПД, как равноканальное угловое прессование (РКУП) [14–16]. Однако подбор в таких проводниках оптимального соотношения, токопроводящего и армирующего материалов, осуществляемый в ходе выполнения натурных экспериментов, является весьма длительной, технически сложной и затратной процедурой. В данной работе представлен пример использования цифровых технологий – моделирования методом конечных элементов (КЭ), для определения рациональной конструкции двухкомпонентного проводника, выполненного из наноструктурных алюминиевых сплавов, для обеспечения необходимого уровня прочности.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материалов исследования использовали сплав 6101 стандартного химического состава (0,59Mg, 0,54Si, 0,07Fe, примесей не более 0,01 мас. %, ост. Al), а также алюминий электротехнического назначения марки 1350 (99,5 мас. %Al), полученные традиционным методом совмещенного литья и прокатки в виде длинномерных прутков (катанки) диаметром 12 мм.
Формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры с заданными наноразмерными параметрами в проволоке из выбранных сплавов осуществляли методом РКУП по схеме Конформ (РКУП-К) и последующим холодным волочением (ХВ) [12, 13].
Механические испытания проволоки на растяжение осуществляли в соответствии c требованиями ГОСТ 10446-80 на испытательной машине Shimadzu AG-XD. Определение удельного электрического сопротивления производили по ГОСТ 7229-76 с использованием микроомметра БСЗ-010-2.
Исследования микроструктуры методом просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе фирмы Jeol JEM-2100 с ускоряющим напряжением 200 кВ
Для определения предела прочности (sВ) двухкомпонентных образцов применяли симуляцию испытаний на растяжения методом конечных элементов (КЭ) с помощью программного комплекса Computer-Aided Engineering (CAЕ).
При проведении моделирования оценки величины sВ методом КЭ использовали:
- модель – твердое тело, материал сердечника – сплав 1350, материал обоймы – сплав 6101 системы Al–Mg–Si;
- временной инкремент – автошаг;
- сетку на твердом теле: точки Якобиана – 4 с максимальным 1-мм и минимальным 0,2-мм размером элемента.
Моделирование испытания на растяжение проводили для цилиндрических заготовок двухкомпонентного образца из алюминиевых сплавов: сердечник диаметром от 4 до 1 мм, обойма с внешним диаметром 5 мм, длина рабочей части – 150 мм.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В результате обработки методом РКУП-К в катанке сплавов 1350 и 6101 формируется однородная УМЗ-структура со средним размером зерен 1200 и 670 нм, соответственно, имеющих форму, близкую к равноосной. В процесс ИПД образование УМЗ-зерен в сплаве 6101 сопровождается выделением из алюминиевого твердого раствора наноразмерных частиц упрочняющей фазы Mg2Si вследствие деформационного старения. Данные изменения микроструктуры характерны для алюминиевых сплавов, подвергнутых ИПД [11–13]. Последующее ХВ приводит к образованию вытянутых вдоль оси волочения зерен (рис.1a, b). Их ширина в проволоке сплавов 1350 и 6101 составляет 350…600 нм и 150…300 нм соответственно. В поперечном же сечении холоднотянутой проволоки наблюдаются равноосные зерна того же диапазона размеров (рис.1c).
В результате ХВ наноразмерные частицы Mg2Si фазы не претерпевают сколь либо заметных изменений формы и размеров, располагаются вдоль оси волочения (рис.1b), преимущественно вдоль сформированных в процессе ИПД границ зерен. Вид картины электронной дифракции (рис.1c) свидетельствует о том, что сформированные в проволоке материалы исследования в результате обработки РКУП-К- и ХВ-микроструктуры с наноразмерными выделениями частиц упрочняющей фазы относятся к структуре зеренного типа, образованной сеткой преимущественно высокоугловых границ.
В результате формирования описанной выше микроструктуры предел прочности проволоки сплава 1350 и 6101 составил 218±4 и 426±5 МПа (рис.2a). При этом проволока демонстрировала достаточно высокую пластичность (≥4%). Электропроводность проволоки сплавов 1350 и 6101 составила 61,1 и 51,2%IACS соответственно.
Анализ полученных экспериментально результатов показал, что формирование УМЗ-структуры с наноразмерными частицами позволило достичь в проволоке алюминиевого сплава 6101 значений прочности, превышающих соответствующие значения проволоки, выполненной из медных сплавов [11]. Однако уровень электропроводности высокопрочной проволоки недостаточен.
Как было отмечено выше, одним из путей, позволяющих эффективно управлять комплексом свойств, в том числе электропроводностью, является создание двухкомпонентных проводников, в которых подбор содержания компонентов, обеспечивающих прочность или электропроводность, производится в результате физического эксперимента [15, 16].
Для создания проводника на основе алюминия, обладающего прочностью, сопоставимой с их медными аналогами (≥400 МПа), были проведены симуляции испытаний на растяжение двухкомпонентной алюминиевой проволоки методом КЭ, по результатам которых определяли значения sВ в зависимости от соотношения площадей сердечника, выполненного из сплава 1350 с высокой электропроводностью и высокопрочной обоймы из сплава 6101. Перед началом симуляции были установлены все необходимые свойства сплавов, требуемые для соответствующего анализа, в том числе кривые напряжения-деформации для каждого из них, а также подобран оптимальный размер сетки для проведения анализа (рис.2a).
Для описания поведения материала использована модель Мизеса. Критерий текучести представлен в виде:
, (1)
где σ – эффективное напряжение; σy – напряжение текучести из испытаний. Свойства материала, в частности модуль упругости, предел текучести и пр/, получены, из диаграммы напряжения-деформации. Симуляция испытания на растяжения композитного образца рассматривалась как нелинейная задача. Методом управления анализа является приращение нагрузки по алгоритму Ньютона – Рафсона. В качестве схемы окончания анализа применяется сходимость силы:
|t+∆t{R}-t+∆t{F}(i)|<εf|t+∆t{R}-t{F}|, (2)
где t+∆t{R} – вектор внешних приложенных узловых нагрузок; t+∆t{F} – вектор внутренних образующихся в узлах сил; t+∆t – временной шаг.
На рис.3 представлены эпюры напряжений при симуляции растяжения двухкомпонентных алюминиевых образцов с разным соотношением диаметров обоймы и сердечника. Диаметр обоймы составил 5 мм, диаметр сердечника варьировался от 1 до 4 мм. По результатам моделирования установлены пределы прочности двухкомпонентной наноструктурной проволоки, которые варьировались от 294 до 421 МПа в зависимости от диаметра сердечника (рис.2b).
ОБСУЖДЕНИЕ
Показано, что формирование УМЗ-структуры, содержащей наноразмерные частицы упрочняющей фазы Mg2Si в образцах проволоки сплава 6101 системы Al–Mg–Si, позволяет реализовать в ней высокопрочное состояние (sВ = 426 МПа). Достигнутый уровень прочности превосходит прочность ряда проводников, выполненных из материалов на основе меди [11]. Измельчение микроструктуры также позволило достичь хорошей прочности (sВ = 218 МПа) в алюминии марки 1350, сохранив электропроводность на высоком уровне (61,1% IACS). Экспериментально полученные результаты свидетельствуют, что микроструктурный дизайн электротехнических материалов, широко используемых в различных отраслях электротехники, реализованный путем их обработки, сочетающей метод ИПД и традиционные операции обработки металлов давлением – ХВ, может привести к значительному улучшению свойств, например прочности.
Дальнейшее улучшение баланса физико-механических свойств возможно при исследовании двухкомпонентного проводника на базе изученных материалов.
Моделирование процесса растяжения двухкомпонентного проводника позволило установить зависимость предела прочности от диаметра сердечника (рис.4), согласно которому для создания двухкомпонентных проводников диаметром 5 мм, обеспечивающих прочность около 400 МПа на уровне, сопоставимом с медными сплавами, диаметр сердечника должен быть 1–2 мм.
На основании результатов расчета sВ методом КЭ двухкомпонентного образца, состоящего из сердечника и обоймы, была получена следующая эмпирическая зависимость:
, (3)
где σв(°б) > σв(серд) и δр(°б) ≥ δр(серд).
Если δр(°б) < δр(серд), то σв(°б) необходимо интерполировать по диаграмме растяжения, полученной экспериментально, где δр=∆l/l – равномерная деформация при растяжении; S – площадь сечения; σв – предел прочности материала.
ВЫВОДЫ
В работе с помощью симуляции испытаний на растяжения методом конечных элементов проведена оценка рациональной конструкции двухкомпонентного проводника в виде проволоки, выполненной из наноструктурного высокопрочного сплава 6101 и алюминия электротехнического алюминия марки 1350.
По результатам проведенного анализа методом КЭ установлено, что для создания двухкомпонентного проводника, состоящего из высокопрочной оболочки (сплав 6101) и сердечника (сплав 1350) с повышенной электропроводностью, обеспечивающих прочность ≥400 МПа на уровне, сопоставимом с медными сплавами, необходимо выполнение условия S(серд)/S(пр) ≤ 0,16.
Произведенные расчеты по результатам симуляции испытаний позволили вывести эмпирическую зависимость для расчета предела прочности двухкомпонентного проводника, которая может применяться и для других двухкомпонентных систем, выполненных из металлов и сплавов как электротехнического, так и конструкционного назначения.
БЛАГОДАРНОСТИ
М.Ю.Мурашкин благодарит РНФ за финансовую поддержку проекта № 17-19-01311.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Aluminium Alloys – New Trends in Fabrication and Application. Z. Ahmad (Ed.) Intech, 2012, p. 359.
Белый Д.И. Алюминиевые сплавы для токопроводящих жил кабельных изделий // Кабели и провода. 2012. № 1(332). С. 8–14.
Miller W.S, Zhuang L., Bottema J. Recent development in aluminium alloys for the automotive industry // Materials Science and Engineering A. 2000. V. 280. PP. 37–49.
Матвеев Ю.А., Гаврилова В.П., Баранов В.В. Легкие проводниковые материалы для авиапроводов // Кабели и провода. 2006. № 5(300). С. 22–23.
Cui X., Wu Y., Zhang G. Study on the improvement of electrical conductivity and mechanical properties of low alloying electrical aluminum alloys // Composites Part B. 2017. V. 110. PP. 381–387.
Fadayomi O., Clark R., Thole V. Investigation of Al-Zn-Zr and Al-Zn-Ni alloys for high electrical conductivity and strength application // Materials Science & Engineering A. 2019. V. 743. PP. 785–797.
Belov N.A., Korotkova N.O., Akopyan T.K., Pesin A.M. Phase composition and mechanical properties of Al-1.5%Cu-1.5%-Mn-0.35%Zr(Fe,Si) wire alloy // Journal of Alloys and Compounds. 2019. V. 782. PP. 735–746.
Tian L., Russell A., Riedemann T. A deformation-processed Al-matrix/Ca-nanofilamentary composite with low density, high strength, and high conductivity // Materials Science & Engineering A. 2017. V. 690. PP. 348–354.
Zhukov I.A., Kozulin A.A., Khrustalyov A.P. The Impact of Particle Reinforcement with Al2O3, TiB2, and TiC and Severe Plastic Deformation Treatment on the Combination of Strength and Electrical Conductivity of Pure Aluminum // Metals. 2019. V. 9. (1). P. 65.
Hou J.P., Wang Q., Zhang Z.J. Nano-scale precipitates: The key to high strength and high conductivity in Al alloy wire // Materials and Design. 2017. V. 132. PP. 148–157.
Murashkin M.Yu., Sabirov I., Sauvage X., Valiev R.Z. Nanostructured Al and Cu alloys with superior strength and electrical conductivity // Journal of Materials Science. 2016. V. 51. PP. 33–49.
Medvedev A., Arutyunyan A., Lomakin I., Bondarenko A., Kazykhanov V., Enikeev N., Raab G., Murashkin M. Fatigue Properties of Ultra-Fine Grained Al–Mg–Si Wires with Enhanced Mechanical Strength and Electrical Conductivity // Metals. 2018. V. 8. (12). P. 1034.
Meagher R.C., Hayne M.L., DuClos J. Increasing the strength and electrical conductivity of AA6101 aluminum by nanostructuring // Light Metals. 2019. PP. 1507–1513.
Yang C., Masquellier N. Gandiolle G., Sauvage X. Multifunctional properties of composition graded Al wires // ScriptaMaterialia. 2020. V. 189. PP. 21–24.
Qi Y., Lapovok R., Estrin Y. Microstructure and electrical conductivity of aluminium/steel bimetallic rods processed by severe plastic deformation // J Mater Sci. 2016. V. 51. PP. 6860–6875.
Lapovok R., Popov V.V., Qi Y. Architectured hybrid conductors: Aluminium with embedded copper helix //
Materials & Design. 2020. V. 187. № 108398.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
