Дослідження залишкового напружено-деформованого стану паяних циліндричних вузлів із різнорідних матеріалів методами чисельного моделювання

Abstract

У роботі розглядається проблема формування залишкових напружень у нероз’ємних з’єднаннях, виготовлених методом паяння або дифузійного зварювання з різнорідних матеріалів, на прикладі графітно-мідних циліндричних вузлів. Актуальність теми зумовлена широким використанням таких з’єднань у енергетичному машинобудуванні, авіаційно-космічній техніці, електротехнічних системах та високотемпературних елементах обладнання. Поєднання матеріалів з істотно різними теплофізичними й механічними характеристиками закономірно призводить до появи температурних деформацій під час циклів нагрівання та охолодження, що супроводжується формуванням залишкових напружень. Саме вони визначають експлуатаційну надійність і довговічність вузла, а у критичних випадках можуть ініціювати тріщиноутворення або відшарування. У роботі особлива увага приділяється графітно-мідним системам, де суттєва різниця коефіцієнтів лінійного теплового розширення ускладнює створення міцного з’єднання. Наведено аналіз ключових факторів, що впливають на рівень залишкових напружень: різниця КЛТР, модулі пружності, деформаційні властивості при робочих температурах, а також геометричні параметри деталей, зокрема співвідношення товщин матеріальних шарів. Показано, що максимальні розтягувальні напруження в графітовому елементі формуються на зовнішній циліндричній поверхні, на межі графіт–мідь та на торцевій поверхні. Встановлено, що найменшу небезпеку становлять конфігурації з відносно тонким графітовим шаром, тоді як значне його збільшення різко підвищує ризик руйнування. Окремо досліджено роль пластичних деформацій міді, які здатні перерозподіляти напруження у вузлі: збільшувати їх рівень на зовнішній поверхні графіту, але водночас зменшувати небезпечні значення на межі контакту. Зазначено, що протягом охолодження зона потенційного руйнування зміщується залежно від температурного інтервалу. Результати чисельного моделювання дозволяють сформувати інженерні рекомендації щодо раціональних геометричних параметрів графітно-мідних вузлів з метою зменшення залишкових напружень і підвищення надійності з’єднань у практичних застосуваннях.