Научные труды (Вестник МАТИ), 2004, №7 (79)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“МАТИ” - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

НАУЧНЫЕ

ТРУПЫ

ВЫПУСК 7 (79)

МОСКВА 2004

Министерство образования и науки Российской Федерации 

________ Федеральное агентство по образованию________

«МАТИ» - Российский государственный технологический 
университет им. К.Э. Циолковского

НАУЧНЫЕ ТРУДЫ

Издание основано в 1940 году

Выпуск 7 (79)

ИЦ «МАТИ» -  РГТУ им. К.Э. Циолковского 

Москва 2004

УДК 621; 669; 681.5; 66; 621.37/39; 681.2; 005; 504; 51; 53; 531/534; 54; 378

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского. Вып. 7 (79). -  М.: ИЦ «МАТИ» -  РГТУ 
им. К.Э. Циолковского, 2004. -  430 с. ил

18ВМ 5-93271-173-6

В данном выпуске сборника Научных трудов представлены результаты 
фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными МАТИ, в 
том числе в содружестве со специалистами других организаций в широком спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам 
и ряду научно-технических программ.

Сборник рассчитан на научных работников, преподавателей вузов и аспирантов. Может использоваться при переподготовке кадров промышленных предприятий.

Главный редактор: проф. А.П. Петров 

Заместитель главного редактора: проф. В.А. Васильев

Редакционная коллегия:

Ответственные 
секретари редколлегии:

заел. проф. МАТИ Бибиков Е.Л., 
чл.-корр. РАН, проф. Васильев В.В., проф. Галкин В.И., 
проф. Дмитренко В.П., чл.-корр. РАН, проф. Ильин А.А., 
проф. Мануйлов В.Ф., [проф. Намазов В.Н., проф. Родинов В.Б., 
проф. Соколов В.П., проф. Суминов И.В., 
проф. Федоров В.К., доц. Уваров В.Н., 
нач. ОНТИ Чивикина Г.И., проф. Юрин В.Н.

Затеева Т.А., Иванова Э.И.

Научные редакторы: 
проф. Беневоленский С.Б., проф. Бирюков Г.П., проф. Бойцов А.Г,

проф. Болотин И.С., проф. Бунаков В.А., проф. Бухаров С.В., 
проф. Горбацевич В.В., доц. Кирпиченков А.И., доц. Ковалев А.П., 
проф. Коллеров М.Ю., проф. Лясоцкая В.С., проф. Попов В.Г., 
проф. Пухов А.А., заел. проф. МАТИ Суминов В.М., 
проф. Чумадин А.С., проф. Шевченко И.В., проф. Шифрин Е.И., 
проф. Шолом А.М., проф. Цырков А.В.

Тел. (095) 915-37-76, факс 915-09-35 
Адрес: 121552 Москва, Оршанская ул., 3, МАТИ

ISBN 5-93271-173-6 
^
^
 «МАТИ» - Российский государственный технологический 
университет им. К.Э. Циолковского, 2004

ПРЕДИСЛОВИЕ

В марте 2004 года произведена реорганизация Министерств, создано Министерство 
образования и науки. Принципиально важно, 
что реформа управления, создание нового 
министерства должны не только стимулировать 
дальнейшую 
модернизацию 
высшей 
школы, но и предполагает переосмысление 
сложившихся подходов, широкое распространение оправдывающих себя нововведений, 
равно как и отказ от непродуманных мер и 
неудавшихся экспериментов.

В своем выступлении на заседании Совета Российского Союза ректоров вузов, состоявшемся 3 апреля 2004 года в Ярославле, 
министр образования и науки РФ А.А.Фурсенко 
отметил: «Наука в университетах в загоне: и 
финансирование меньше, и наука не поддерживается. Но у нас сейчас есть инновационная

деятельность. Мы должны иметь в своих университетах программы ее поддержки. Кстати, 
все страны мира движутся в этом направлении: создают пояса, научные парки, инновационные структуры, и это даже поощряется бюджетными средствами. Предложения по инновационной деятельности мы можем и обязаны сделать, чтобы продвинуть науку в направлении, которого требует от нас сейчас страна».

Наш университет в настоящее время принимает участие в 38 крупных целевых 
научных программах: «Университеты России», «Конверсия и высокие технологии», 
«Перспективные материалы», «Производственные технологии», «Транспорт», «Индустрия образования», «Качество», «Интеграция» и др.

Обьем научно-исследовательских работ, выполненных в 2003 году, составил 
около 66 млн.рублей. К выполнению этих работ привлекались сотрудники практически 
всех кафедр университета. Полученные научные результаты широко используются в 
дипломном проектировании, лекционных курсах, при выполнении курсовых проектов и 
лабораторных работ. Организация научных исследований проходит на кафедрах и в 
лабораториях, а также в специально созданных структурах -  НИЧ МАТИ, Технопарке 
MATH и Инновационно-технологическом центре МАТИ.

Университет организует и проводит научно-технические конференции «Новые 
материалы и технологии», «Международный аэрокосмический конгресс», международную молодежную конференцию «Гагаринские чтения», «Водородная технология». С 
2002 года начали проводиться конференции «Управление качеством и сертификация» 
и «Быстрозакаленные материалы», научно-технические семинары «Экология» и ряд 
постоянно действующих научно-технических семинаров на кафедрах.

Результаты научных исследований представлены в широком спектре печатных 
изданий в стране и за рубежом, в материалах различных научно-технических конференций. МАТИ выступил в качестве учредителя нового журнала «Качество и ИПИ- 
технологии». Научные достижения МАТИ отмечены многочисленными наградами, дипломами, медалями.

Ректор университета -  Заслуженный 
работник высшего образования РФ, 
доктор технических наук, профессор 
Петров Анатолий Павлович

Научные труды МАТИ им. К Э. Циолковского, 2004 г. Вып. 7 (/9)
3

ПРЕДИСЛОВИЕ

В прошлом году сотрудники университета защитили 10 докторских и 32 кандидатские диссертации. Прием и подготовка аспирантов ведется по 8 научным отраслям 
и 26 научным специальностям. Численность аспирантов составляет сегодня 397 человек, из них в очной аспирантуре обучаются 343 аспиранта. Студенты и аспиранты университета активно участвуют в научных исследованиях, их работы отмечены многочисленными наградами и медалями.

Желаю всем ученым дальнейших успехов в получении научных результатов и 
реализации их на практике.

Ректор университета
А.П.Петров

Научные труды МАТИ им. К.Э Циолковского, 2004 г. Вып. 7 (79)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 621.643.413: 669.295

ВЫБОР МАТЕРИАЛА И РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ 
СОЕДИНЕНИЙ СИСТЕМЫ ТРУБОПРОВОДОВ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

Д.т.н., проф. М.Ю. Коллеров, к.т.н., доц. А.А. Шинаев, к.т.н. М.Б. Афонина

.. "ф '-.Л'

В работе обоснована система выбора необходимого титанового сплава и инженерного 
расчета требуемой конструкции трубопроводов транспортных систем.

In this work the system of appropriate titanium alloy selection and engineering calculations of the 
design of pipelines of transport systems are substantiated.______________________________________

В настоящее время в машиностроении начали применяться материалы с 
особыми свойствами. К таким материалам можно отнести сплавы, обладающие 
эффектом запоминания формы [1]. Они успешно используются в различных 
трансформирующихся конструкциях, которые меняют свою форму заданным образом при нагреве, терморегуляторах, термомеханических соединениях и т.п. Однако широкое использование этих материалов сдерживается отсутствием системы выбора необходимого сплава и инженерного расчета требуемой конструкции. 
Данная статья делает попытку продвижения в этом направлении.

Впервые термомеханические соединения (ТМС) были использованы в 
виде муфт для сборки трубопроводов гидравлических систем самолетов (Б-14,

Рис. 1. Фрагмент монтажа 
гидросистемы самолета ТУ-204 с муфтами ТМС из сплава ТН1К

Принцип крепления муфт заключается в следующем, рис. 2:

• 
Изготавливают муфту из материала с ЭЗФ с внутренним диаметром меньше 
внешнего диаметра трубопровода на величину N (натяга соединения).

• 
Муфту охлаждают до температуры деформации (Тд) и дорнуют (увеличивают 
диаметр продавливанием конусного пуанссона) так, чтобы внутренний диаметр 
муфты стал больше внешнего диаметра трубопровода на величину сборочного 
зазора (л)

Научные труды МАТИ им К.Э Циолковского, 2004 г Выл 7 (79)
5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

• 
Осуществляют сборку соединения, вводя концы труб в муфту.

• 
Отогревают соединение до температур выше Акй для реализации одностороннего ЭЗФ и развития реактивных напряжений (ар), обеспечивающих плотную и 
геометрическую посадку муфты на концы труб.

Такое термомеханическое соединение характеризуется интервалом рабочих температур (Tpmin+Tpmax), усилием страгивания FCT и внутренним давлением 
разгерметизации Ргер. Рассмотрим основные подходы к выбору материала, геометрических параметров и технологии сборки ТМС.

1)

Дм^т

d..s.n +л

л  - сборочный зазор

Д Ч<ДТ

Рис. 2. Схема получения

неразъемного термомеханического соединения трубопровода:

1 -  начальная стадия (внутренний диаметр муфты с)м меньше, чем внешний диаметр трубы Дт); 2 -  деформация муфты вдоль диаметра, внутренний диаметр муфты (с!м) больше, 
чем диаметр трубы; 3, 4 -  после сборки муфта восстанавливает свою форму, сжимается 
вдоль диаметра и герметично охватывает концы труб.

6
Научные труды MATH им. К Э. Циолковского, 2004 г. Вып. 7 (79)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

По особенностям применения муфты для сборки трубопроводов можно отнести к однократно срабатывающим конструкциям, совершающим работу. Температуры восстановления формы материала муфты зависят от температур ее эксплуатации.

Дело в том, что восстановлению формы муфты при нагреве будет препятствовать труба, на которую эта муфта была надета после деформации. Вследствие этого в муфте возникают реактивные напряжения, которые и обеспечивают 
надежную посадку муфты на трубу, рис. 3. Эти напряжения должны сохраняться 
во всем интервале температур эксплуатации соединения (Трт П-ЦГртах). Однако при 
высоких температурах в материале может начаться релаксация напряжений 
вследствие развития процессов возврата, что ограничивает рабочие температуры 
сверху (Тртах)- При снижении температуры эксплуатации ТМС до начала мартенситного превращения в материале будет наблюдаться пластичность превращения, при которой реактивные напряжения также релаксируют. Поэтому рабочие 
температуры ТМС должны быть выше температур прямого мартенситного превращения, но ниже температур развития процессов возврата.

Для большинства транспортных систем температуры эксплуатации соответствует интервалу от -50 до +50°С. Поэтому для них необходимо выбирать низкотемпературный материал с АКВ<-50°С.

Для ТМС, эксплуатируемых при нормальных и повышенных температурах, 
может использоваться среднетемпературный материал.

ТМС применяются, как правило, для соединения топливных и тормозных 
систем трубопроводов, в которых используются агрессивные среды. Поэтому в 
них необходимо использовать достаточно коррозионностойкие материалы. Для 
конекторов (соединительных муфт) электропроводов и электроприборов, которые 
эксплуатируются при нормальных атмосферных условиях, могут быть использованы материалы с ограниченной коррозионной стойкостью.

В соответствии с указанными признаками для применения в транспортных 
системах можно рекомендовать сплавы на основе никелида титана с пониженными температурами восстановления формы (ТН1К).

При проектировании ТМС необходимо провести предварительные расчеты 
геометрии муфты и технологических параметров ее деформации, исходя из заданных давления разгерметизации (Ргер) и усилия страгивания соединения (FCTp).

Интервал температур 
Г работоспособности 
i

Т?а°. Температура

Рис. 3. Развитие и 
релаксация напряжений 
при нагреве и охлаждении муфты из материала 
сЭЗФ

[Па]
( I )

V s fll-d .;

Научные труды MATH им. К.Э. Циолковского, 2004 г. Выл. 7 (79)
7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

где Дм и с!м -  внешний и внутренний диаметр муфты, соответственно [м]; 
ар-  реактивные напряжения восстановления формы материала [Па].

^~стр ~

__ л -1-K-N

С, Е, +С 2/Е2
[Н]
(2)

где N -  натяг соединения [м]; Е1 и Е2 -  модули упругости материала трубы и муфты соответственно [Па], К -  коэффициент, учитывающий условия муфты по трубе 
(при гладкой внутренней поверхности муфты К равен коэффициенту трения муфты по трубе); I -  длина муфты [м]; С-| и С2 -  коэффициенты Ляме.

_1 + (с1т/Дт)2
г  
1 + (с1т/Дт )2

*“ 4  ~  Л 
I п  
\2  
г 1! ’
- ц 2;щ и ц2 -  коэффициенты Пуассона мате
1-(бт/Дт )2 
1 -(ф /Д т )2

риала трубы и муфты соответственно.

Натяг соединения в первом приближении можно определить как:

N = Дг - бм [м]
(3)

Внутренний диаметр муфты рассчитывают, исходя из внешнего диаметра 
трубы Дт, сборочного зазора (Д), учитывающего отклонение размеров трубы от 
номинального и удобства установки муфты и восстанавливаемой степени деформации материала муфты при растяжении (8В).

Дт+А 
1 + eD

[м]
(4)

Исходя из заданных требований к ТМС, определяют Д м, I и К для выбранного материала муфты и его обработки, обеспечивающие ев и ар. При этом необходимо помнить, что

аув< £в • ар 
(5)

где аув - удельная работа восстановления формы материала после определенной 
обработки.

Полученные по результатам расчетов по формулам 1 -  5 геометрические 
параметры муфты являются приблизительными и требуют уточнения в ходе испытаний опытных образцов ТМС.

Несмотря на очевидные преимущества ТМС из сплавов на основе никелида 
титана по сравнению с традиционными способами сборки (сварка, механическое соединение), их широкое внедрение в конструкции новой техники происходит недостаточно быстро. Одной из основных причин этого является высокая стоимость материала с гарантированным уровнем характеристик ЭЗФ (средняя стоимость полуфабриката из сплавов ТН1 и ТН1К примерно 600-800 долларов США за кг). С этой точки 
зрения перспективным направлением дальнейших работ может быть замена в некоторых случаях сплавов на основе никелида титана промышленными конструкционными сплавами титана, которые уступают первым по уровню свойств ЭЗФ, но превосходят по механическим свойствам, не уступают по коррозионной стойкости и 
имеют более низкую стоимость (20-30 долларов США за кг) и удельный вес.

Развиваемые при восстановлении формы титановых сплавов реактивные 
напряжения по абсолютным значениям немного уступают ар для сплавов на основе ТН1К. Однако при рассмотрении удельных характеристик они являются вполне 
конкурентоспособными со сплавами на основе никелида титана (см. табл. 1) [2]. 
Если учесть, что для сборки термомеханических соединений из сплавов ВТ23, 
ВТ16 и ВТ22И не требуется применения жидкого азота, то преимущество сплавов 
на основе титана становится очевидным.

8
Научные труды МАТИ им. К.Э 1_4иолковского. 2004 г. Вып. 7 (79)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Таблица 1

Характеристики восстановления формы промышленных сплавов 
ВТ22И, ВТ16 и ВТ23 и сплава на основе никелида титана

Сплав
Плотность 
(d), кг/м3

Абсолютные значения
Удельные характеристики

%

СГр,
МПа

ав,

МДж/м3

cB/d, 
% м3/кг

crp/d,

МПа-кг/м3

aB/d,

МДж/кг

ВТ16
4650
3,4
230
0,5
7,3-10'4
4,9-10'2
1.1 10'4

ВТ23
4570
3,0
280
0,55
6,5Ю 4
6,1Ю '2
1,2-1 O'4

ВТ22И
4580
3,5
240
0,45
7,6-104
5,2-10 2
1,1-Ю4

ТН1
6400
6,0
290
2,4
9,ЗЮ 4
4,5-10'2
3,7-10 4

Примечание: приведены максимально возможные значения ев, аР, ав полученные в настоящей работе при обработке по оптимальной технологии.

Исследование выполнено при поддержке гранта Минобразования РФ по 
фундаментальным исследованиям в области транспортных наук.

Литература

1. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. -  М.: Наука, 1994. -  304 с.

2. Коллеров М.Ю., Шинаев А.А., Скопинский А. Особенности проявления эффекта 
запоминания формы в титановых сплавах. / Новые материалы и технологии. 
Тезисы докладов Всерос. научно-техн. конф. -  М.: Изд-вл «ЛАТМЭС», 1996. -  
С. 12-17.

УДК 621.721

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ФАЗОВОГО РАСПАДА 
ПРИ ИСКУССТВЕННОМ СТАРЕНИИ МАГНИЕВЫХ ДЕФОРМИРУЕМЫХ 
СПЛАВОВ, СОДЕРЖАЩИХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

К.т.н., доц. Т.М. Кунявская, к.т.н., М. В. Кунявский, к.т.н., доц. Е.В. Эхина

Материалом исследования в данной работе были горячепрессованные прутки из сплава 
системы Mg-Y-Gd в различных структурных состояниях. Установлено, что при старении магниевых 
сплавов данной группы возможно развитие процессов возврата, поэтому с целью повышения надёжности и жаропрочности, сплавы системы Mg-Y-Gd нужно использовать в искусственно состаренном состоянии.

Material of the research in the given work were hot pressed rods from an alloy of 
Mg-Y-Gd 
system in various structural conditions. It is established, that at ageing of magnesian alloys of the given 
group probably develops the processes of return, therefore with the purpose of increase of reliability and 
thermal stability, the alloys of Mg-Y-Gd system need to be used in it is initial aged condition.

Научные труды MATH им. К.Э. Циолковского. 2004 г. Выл. 7 (79)
9