ENG
РУС
Поиск
Меню
О журнале
Политика открытого доступа
Редакционная коллегия
Редакционная политика
Редакционная этика
Правила рецензирования статей
Требования к оформлению статей
Формы представляемых документов
Рекомендации по оформлению ссылок на наш журнал
Редакция
Информация для подписчиков
Аннотации номера
Список авторов
Выпуски
Лицензионное соглашение
Порядок работы с персональными данными
Публикации
2025
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
Партнеры













































doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-1-140-150

УДК 620.191, 629.017

Строкач Е.А., Пожидаев А.А.
Моделирование износа алюминиевого сплава частицами SiO2



Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Строкач Е.А., Пожидаев А.А. Моделирование износа алюминиевого сплава частицами SiO2 // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2025. Т. 25, № 1. С. 140–150. doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-1-140-150


Аннотация
Введение. Современные методы моделирования процесса эрозии материалов твердыми частицами позволяют на микроуровне оценить влияние условий движения частиц, контакта с поверхностью, их формы и материала. Известные зарубежные работы по изучению пар эродента и алюминиевых, титановых сплавов и сталей не дают правильной оценки влияния трения и вращения частиц на остаточное напряженно-деформированное состояние и глубину износа при относительно высоких скоростях частиц. Мало изученным остается вопрос кратковременного нагрева приповерхностного слоя, что при высоких температурах может влиять на свойства материала. Устранение такой неопределенности повысит предиктивную точность модели абразивного износа. Метод. В работе представлены результаты двумерного конечно-элементного моделирования эрозионного износа поверхности распространенного алюминиевого сплава Al6061-T6 при взаимодействии с частицами двуокиси кремния (SiO2). Упругопластическое поведение материала поверхности и условия разрушения задавались моделью Джонсона–Кука. Основные результаты. Для оценки взаимовлияния следов множественных ударов частиц и изменения напряженно-деформированного состояния поверхности выполнено моделирование последовательных ударов трех групп жестких частиц диаметром 250 мкм со скоростью 155 м/с под углом 45°. Изучено изменение эквивалентных напряжений в образце после каждого удара. Проведена оценка влияния трения между частицами SiO2 и поверхностью, а также вращения сферических частиц и его направления. Обсуждение. Показано, что учет трения влияет на профиль эквивалентных напряжений уже после первого удара и сохраняет влияние в дальнейшем. Зависимость результатов от направления вращения частиц при скорости 1000 об/мин проявляется только после второго удара и усиливается после удара третьей группы частиц. Предполагается, что для алюминиевых сплавов серии 6000 и сферических частиц SiO2 другого размера полученные зависимости будут качественно сохраняться. Дальнейшие исследования предполагают анализ влияния формы несферических частиц SiO2 при вращении, важность учета деформируемости частиц при ударе, а также воздействие этих эффектов при большем количестве ударов и различных условиях контакта.

Ключевые слова: эрозия твердыми частицами, абразивный износ, FEA-моделирование эрозии, ANSYS Explicit, остаточные напряжения, модель Джонсона–Кука, Al6061

Благодарности. Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, тема № FSFF-2023-0006.

Список литературы
  1. Боркова А.Н. Эрозионная стойкость авиационных материалов при соударении с твердыми (пылевыми) частицами: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Всероссийский НИИ авиационных материалов. М., 2006. 26 с.  
  2. Клейс И.Р. Некоторые исследования по абразивной эрозии: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / МИНХиГП им. И.М. Губкина. М., 1970. 250 с. 
  3. Крамченков Е.М. Исследование эрозионного изнашивания материалов: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / ГАНГ им. И.М. Губкина. М., 1995. 26 с. 
  4. Строкач Е.А., Кожевников Г.Д., Пожидаев А.А., Добровольский С.В. Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2023. Т. 25. № 4. С. 268–283. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2023-25.4-268-283
  5. Строкач Е.А., Кожевников Г.Д., Пожидаев А.А. Численное моделирование процесса эродирования твердыми частицами в газовом потоке (обзор) // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2021. № 67. С. 56–69. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2021.67.06
  6. Liu Y., Cao Z., Yuan J., Sun X., Su H., Wang L. Effect of morphology, impact velocity and angle of the CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (CMAS) particle on the erosion behavior of Thermal Barrier Coatings (TBCs): a finite element simulation study // Coatings. 2022. V. 12. N 5. P. 576. https://doi.org/10.3390/coatings12050576
  7. Ma Z.S., Fu L.H., Yang L., Zhou Y.C., Lu C. Finite Element Simulations on Erosion and Crack Propagation in Thermal Barrier Coatings // High Temperature Materials and Processes. 2015. V. 34. N 4. P. 387–393. https://doi.org/10.1515/htmp-2014-0068
  8. Oviedo F., Valarezo A. Residual stress in high-velocity impact coatings: parametric finite element analysis approach // Journal of Thermal Spray Technology. 2020. V. 29. N 6. P. 1268–1288. https://doi.org/10.1007/s11666-020-01026-5
  9. Liu Z.G., Wan S., Nguyen V.B., Zhang Y.W. Finite element analysis of erosive wear for offshore structure // Proc. of the 13th International Conference on Fracture. 2013. P. 461–468. 
  10. ElTobgy M.S., Ng E., Elbestawi M.A. Finite element modeling of erosive wear // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2005. V. 45. N 11. P. 1337–1346. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.01.007
  11. Singh P.K., Hota A.R., Mishra S.B. Finite element modelling of erosion parameters in boiler components // Asian Journal of Engineering and Applied Technology. 2018. V. 7. N S2. P. 12–16. https://doi.org/10.51983/ajeat-2018.7.2.964
  12. Du M., Li Z., Feng L., Dong X., Che J., Zhang Y. Numerical simulation of particle fracture and surface erosion due to single particle impact // AIP Advances. 2021. V. 11. N 3. P. 035218. https://doi.org/10.1063/5.0042928
  13. Evans A.G., Gulden M.E., Rosenblatt M. Impact damage in brittle materials in the elastic-plastic response régime // Proc. of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering sciences. 1978. V. 361. N 1706. P. 343–365. https://doi.org/10.1098/rspa.1978.0106
  14. Mohammadi B., Khoddami A. Representative volume element-based simulation of multiple solid particles erosion of a compressor blade considering temperature effect // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2020. V. 234. N 8. P. 1173–1184. https://doi.org/10.1177/1350650119884825
  15. Taherkhani B., Anaraki A.P., Kadkhodapour J., Farahani N., Tu H. Erosion due to solid particle impact on the turbine blade: experiment and simulation // Journal of Failure Analysis and Prevention. 2019. V. 19. N 6. P. 1739–1744. https://doi.org/10.1007/s11668-019-00775-y
  16. Wu B., Wu F., Li J. Finite Element Modeling of Correlating Mechanical Properties with Erosion Wear Rate // Proc. of the 3rd International Conference on Electrical, Automation and Mechanical Engineering (EAME 2018). 2018. P. 273–276. https://doi.org/10.2991/eame-18.2018.57
  17. Khoddami A.S., Salimi-Majd D., Mohammadi B. Finite element and experimental investigation of multiple solid particle erosion on Ti-6Al-4V titanium alloy coated by multilayer wear-resistant coating // Surface and Coatings Technology. 2019. V. 372. P. 173–189. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.05.042
  18. Petrov Y.V., Bragov A.M., Kazarinov N.A., Evstifeev A.D. Experimental and numerical analysis of the highspeed deformation and erosion damage of the titanium alloy VT-6 // Physics of the Solid State. 2017. V. 59. N 1. P. 93–97. https://doi.org/10.1134/S1063783417010267
  19. Balu P., Kong F., Hamid S., Kovacevic R. Finite element modeling of solid particle erosion in AISI 4140 steel and nickel–tungsten carbide composite material produced by the laser-based powder deposition process // Tribology International. 2013. V. 62. P. 18–28. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2013.01.021
  20. Liu Z.G., Wan S., Nguyen V.B., Zhang Y.W. A numerical study on the effect of particle shape on the erosion of ductile materials // Wear. 2014. V. 313. N 1–2. P. 135–142. https://doi.org/10.1016/j.wear.2014.03.005  
  21. Zhang H., Dong X. Finite element analysis of multiple solid particles erosion in cermet coating // Surface and Coatings Technology. 2015. V. 262. P. 184–190. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.12.040
  22. Mei Y., Dong X. Angular particle impact on ductile materials using the Lagrangian gradient smoothing method // Tribology Transactions. 2021. V. 64. N 6. P. 1149–1165. https://doi.org/10.1080/10402004.2021.1944709
  23. Zheng C., Liu Y., Chen C., Qin J., Ji R., Cai B. Numerical study of impact erosion of multiple solid particle // Applied Surface Science. 2017. V. 423. P. 176–184. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.06.132
  24. Zang X., Cao X., Xie Z., Zhang J., Darihaki F., Liu Y. Surface deformation under overlapping impacts of solid particles // Friction. 2023. V. 11. N 2. P. 280–301. https://doi.org/10.1007/s40544-021-0600-2
  25. Chen J., He G., Han Y., Yuan Z., Li Z., Zhang Z., Han X., Yan S. Structural toughness and interfacial effects of multilayer TiN erosion-resistant coatings based on high strain rate repeated impact loads // Ceramics International. 2021. V. 47. N 19. P. 27660–27667. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.06.190
  26. Di J., Wang S., Zhang L., Cai L., Xie Y. Study on the erosion characteristics of boride coatings by finite element analysis // Surface and Coatings Technology. 2018. V. 333. P. 115–124. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.10.042
  27. Yu Q.M., He Q., Ning F.L. Influence of interface morphology on erosion failure of thermal barrier coatings // Ceramics International. 2018. V. 44. N 17. P. 21349–21357. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.08.188
  28. Zhang H., Li Z., He W., Liao B., He G., Cao X., Li Y. Damage evolution and mechanism of TiN/Ti multilayer coatings in sand erosion condition // Surface and Coatings Technology. 2018. V. 353. P. 210–220. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.08.062
  29. Fang Z., Chen J., He W., Yang Z., Yuan Z., Geng M., He G. Study on the damage mechanism of TiN/Ti coatings based on multi-directional impact // Coatings. 2019. V. 9. N 11. P. 765. https://doi.org/10.3390/coatings9110765
  30. Lesnevskiy L.N., Lyakhovetskiy M.A, Kozhevnikov G.D. Ushakov A.M. Research of the AK4-1 alloy microarc oxidation modes effect on the composite ceramic coatings erosion resistance // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1281. N 1. P. 012048. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1281/1/012048
  31. Гурин В.Г. Исследование процессов разрушения при высокоскоростной эрозии материалов: дипломная работаю СПб., 2017 [Электронный ресурс]. https://dspace.spbu.ru/bitstream/11701/10536/1/tekst_diploma.pdf (дата обращения: 05.01.2023). 
  32. Tarodiya R., Levy A. Surface erosion due to particle-surface interactions - A review // Powder Technology. 2021. V. 387. P. 527–559. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.04.055
  33. ANSYS Explicit Dynamics Analysis Guide. Release 2020 R2, July 2020.  
  34. Wilkins M.L. Calculation of Elastic-plastic Flow. Lawrence Livermore Laboratory, University of California, 1969. 99 p. 
  35. Li Q, Jing L, Sun Q, Ji L., Chen S. The finite element modeling of the impacting process of hard particles on pump components // Open Physics. 2022. V. 20. N 1. P. 596–608. https://doi.org/10.1515/phys-2022-0048
  36. Dong X., Li Z., Zhang Q., Zeng W., Liu GR. Analysis of surface-erosion mechanism due to impacts of freely rotating angular particles using smoothed particle hydrodynamics erosion model // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2017. V. 231. N 12. P. 1537–1551. https://doi.org/10.1177/1350650117700
  37. Zheng C., Liu Y., Chen C., Qin J., Zhang S. Finite element analysis on the dynamic erosion process using multiple-particle impact model // Powder Technology. 2017. V. 315. P. 163–170. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.04.016  
  38. Hadavi V., Moreno C.E., Papini M. Numerical and experimental analysis of particle fracture during solid particle erosion, part I: Modeling and experimental verification // Wear. 2016. V. 356–357. P. 135–145. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.03.008
  39. Abubakar A.A., Arif A.F.M., Akhtar S.S., Mostaghimi J. Splats formation, interaction and residual stress evolution in thermal spray coating using a hybrid computational model // Journal of Thermal Spray Technology. 2019. V. 28. N 3. P. 359–377. https://doi.org/10.1007/s11666-019-00828-6
  40. Dong X., Li Z., Feng L., Sun Z., Fan C. Modeling, simulation, and analysis of the impact(s) of single angular-type particles on ductile surfaces using smoothed particle hydrodynamics // Powder Technology. 2017. V. 318. P. 363–382. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.06.011
  41. Урбанович JI.И., Крамченков Е.М., Чуносов Ю.Н. Разогрев твердого тела в зоне удара эродирующей твердой частицы // Трение и износ. 1994. Т. 15. № 6. С. 965–972. 
  42. Chowdhury M.A., Debnath U.K., Nuruzzaman D.M., Islam M.M. Experimental analysis of aluminum alloy under solid particle erosion process // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2016. V. 230. N12. P. 1516–1541. https://doi.org/10.1177/1350650116639466
  43. Finnie I. Erosion of surfaces by solid particles Oberflächenerosion durch feste teilchen // Wear. 1960. V. 3. N 2. P. 87–103. https://doi.org/10.1016/0043-1648(60)90055-7
  44. Oka Y.I., Yoshida T. Practical estimation of erosion damage caused by solid particle impact: Part 2: Mechanical properties of materials directly associated with erosion damage // Wear. 2005. V. 259. N 1-6. P. 102–109. https://doi.org/10.1016/j.wear.2005.01.040
  45. ANSYS Fluent Theory Guide. Canonsburg, PA: ANSYS Inc, 2022. 1080 p.  
  46. Laguna-Camacho J., Martínez-García H., Escamilla-Rodríguez F., Alarcón-Rosas C., Calderón-Ramón C., Ríos-Velasco L., Pelcastre-Lozano M., Casados-Sánchez Á., González-Gómez M. Erosion Behavior of AISI 6061-T6 // Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology. 2015. V. 5. P. 136–146. https://doi.org/10.4236/jsemat.2015.53015
  47. Тхабисимов А.Б. Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Национальный  исследовательский университет МЭИ. М., 2016. 179 с. 
  48. Петров Ю.В., Атрошенко С.А., Казаринов Н.А., Евстифеев А.Д., Соловьев В.Ю. Динамическое разрушение поверхности сплава алюминия в условиях высокоскоростной эрозии // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. № 4. С. 648-652. https://doi.org/10.21883/FTT.2017.04.44264.173
  49. Евстифеев А.Д., Смирнов И.В. Особенности эрозионного разрушения металлических материалов при воздействии потока твердых частиц // Физическая мезомеханика. 2021. Т. 24. № 2. С. 5–12. https://doi.org/10.24412/1683-805X-2021-2-5-12
  50. Евстифеев А.Д., Смирнов И.В., Петров Ю.В. Влияние динамической прочности материала на его эрозионную стойкость // Физика твердого тела. 2020. Т. 62. № 10. С. 1569–1572. https://doi.org/10.21883/FTT.2020.10.49897.088  
  51. Sezer H., Fidan S. Solid Particle Erosion Effects On Surface Plastic Deformation Of Alüminum Alloy // El-Cezerî Journal of Science and Engineering. 2018. V. 5. N 1. P. 243–250. https://doi.org/10.31202/ecjse.364685


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2025 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика