Научные труды (Вестник МАТИ), 2014, №25 (97)

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение высшего профессионального образования

«МАТИ – Российский государственный технологический

университет имени К.Э. Циолковского»

(МАТИ)

НАУЧНЫЕ ТРУДЫ

/ Вестник МАТИ /

Издание основано в 1940 году

Выпуск 25 (97)

Москва 2014

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

Научные труды (Вестник МАТИ). Вып. 25 (97).  М.: МАТИ, 2014.  230 с.: ил.

Учредитель – ФГБОУ ВПО ««МАТИ – Российский государственный технологический 

университет имени К.Э. Циолковского»»

Свидетельство о регистрации ПИ № ФС 77 - 52752 от 1 февраля 2013 г. выдано Фе
деральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия (Роскомнадзор) Минкомсвязи РФ.

Подписной индекс в каталоге агентства «Роспечать» – 25221.

В данном выпуске рецензируемого научно-технического сборника «Научные тру
ды (Вестник МАТИ)» представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными и специалистами МАТИ и других организаций (в 
том числе в соавторстве) в широком спектре научных направлений, включая научноисследовательские работы по грантам и научнотехническим программам.

Материалы, опубликованные в сборнике, включаются в базу данных Российского

индекса научного цитирования (РИНЦ).

Сборник рассчитан на работников научных и производственных предприятий, 

преподавателей вузов и аспирантов. Может использоваться при переподготовке кадров промышленных предприятий.

Главный редактор: ректор, проф. А.В. Рождественский

Редакционная коллегия:
чл.-корр. РАН, проф. Васильев В.В., проф. Галкин В.И., 
проф. Гегель Л.А., проф. Голов Р.С., проф. Дмитренко В.П., 
акад. 
РАН, 
проф.
Ильин 
А.А., 
проф. 
Слепцов 
В.В., 

проф. Сухов С.В., проф. Уваров В.Н., проф. Юрин В.Н.

Секретарь редколлегии:
Свиридов Б.Ф.

Научные редакторы:
проф. Баранов А.М., проф. Бойцов А.Г., проф. Болотин И.С.,

проф. Васильев В.А., проф. Денисова И.П., проф. Путятина Л.М.,
проф. Решетников В.Н., проф. Чумадин А.С., проф. Шилов В.В.,

проф. Ярославцев Н.Л.

Тел. (495) 915-03-49, э/почта ontimati@yandex.ru
Адрес: 121552 Москва, Оршанская ул., 3, МАТИ

ISSN 2305-7866
 ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный 
технологический университет имени К.Э. Циолковского», 2014

Научные труды (Вестник МАТИ), 2014 г. Вып. 25 (97)

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий выпуск сборника «Научные труды (Вестник МАТИ)» – наш 

маленький юбилей, это 25-й выпуск после возобновления издания в 1998 
году. 

В данном, 25-м выпуске сборника «Научные труды (Вестник МАТИ)» тради
ционно представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, 
выполненных учеными МАТИ, также других научно-исследовательских и производственных организаций (в том числе в соавторстве) в широком спектре научных 
направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам и ряду научно технических программ. 

Сборник «Научные труды (Вестник МАТИ)» № 25 (97) содержит 10 темати
ческих разделов, соответствующих многопрофильному характеру нашего университета.

Особенностью настоящего выпуска, как и выходящего одновременно с ним 

выпуска 24, является измененная его структура, где все традиционные разделы 
разбиты по направлениям – отраслям науки, указанным в соответствии с Номенклатурой специальностей научных работников, утвержденной приказом Минобрнауки РФ от 25 февраля 2009 г. № 59 [1]:

технические науки,


физико-математические науки,


экономические науки.

Такое изменение связано с требованиями к рецензируемым научным изда
ниям для включения в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых 
должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук 
(Перечень рецензируемых научных изданий ВАК). Упомянутые требования утверждены приказом Минобрнауки России от 25 июля 2014 г. № 793, вступившим в силу 19 октября 2014 года [2].

Поскольку в данный выпуск сборника входят не все его разделы, приведем 

здесь полную структуру нашего издания, учитывающую как вышеуказанные требования, так и наши традиции.

ПРЕДИСЛОВИЕ 

ТЕХНИЧЕСКИЕ  НАУКИ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ  АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
ТЕХНОЛОГИИ АВИАРАКЕТОСТРОЕНИЯ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ  ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ И СЕРТИФИКАЦИЯ
ЭКОЛОГИЯ, ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

ФИИКА, МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА

ПРЕДИСЛОВИЕ

Научные труды (Вестник МАТИ), 2014 г. Вып. 25 (97)

4

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ

ЭКОНОМИКА, МЕНЕДЖМЕНТ И МАРКЕТИНГ
ГУМАНИТАРНЫЕ И СОЦИАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
НАШИ ЮБИЛЯРЫ

Как известно, сборник «Научные труды (Вестник МАТИ)» включен в базу

данных Российского индекса научного цитирования (РИНЦ), где определяются показатели публикационной активности авторов и импакт-фактор (ИФ) самого сборника [3]. 

Для повышения показателей Научных трудов (Вестника МАТИ), а через 

них и индекса Хирша его авторов просим обратить внимание на важность 
цитирования статей, опубликованных в нашем сборнике. 

Так совместными усилиями укрепим авторитет нашего издания. А это и ав
торитет МАТИ.

Список использованных источников

1. Приказ Министерства образования и науки РФ от 25 февраля 2009 г. № 59 «Об 

утверждении 
Номенклатуры 
специальностей 
научных 
работни
ков».[Электронный 
ресурс].
[Электронный 
ресурс] 
–
Режим 
доступа 

http://www.garant.ru/products/ ipo/prime/doc/95207/ Дата обращения 21.11.2014.

2. О вступлении в силу приказа Минобрнауки России от 25 июля 2014 г. №793. 

[Электронный ресурс] –
Режим доступа http://vak.ed.gov.ru/87; jsessionid= 

G+U3AJAV+GfIO3vOe5bvM34K. Дата обращения 21.11.2014.

3. Анализ публикационной активности журнала «Научные труды (Вестник МА
ТИ)». [Электронный ресурс] – Режим доступа http://elibrary.ru/title_profile.asp?id
=34168. Дата обращения 21.10.2014.

Т Е Х Н И Ч Е С К И Е  Н А У К И

Научные труды (Вестник МАТИ), 2014 г. Вып. 25 (97)
5

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 

УДК 669-1

НОВЫЕ ПОДХОДЫ В ИЗУЧЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

ПРОКАТКИ МНОГОСЛОЙНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

В.И. Галкин, П.С. Евсеев

В статье рассматриваются основные положения разработанной методики процесса созда
ния материала с функциональными свойствами на примере многослойного алюмомедного композита. Методика основана на результатах экспериментальной прокатки и математического моделирования. Разработан критериальный подход, позволяющий управлять ходом технологического 
процесса, прогнозировать результаты многоцикловой прокатки и получать материалы с заданными 
свойствами и структурой. 

The article examines the main provisions of the developed technique of the process of creating 

material with functional properties on the example of the multilayer aluminium copper composite. The 
method is based on the results of experimental rolling and mathematical modeling. Developed criteriabased approach to manage the process, to predict the results of multicycle rolling and to obtain materials 
with desired properties and structure.

Ключевые слова: алюмомедный композит, критериальная система, слоистая струк
тура, сплошность компонентов, математичеcкое моделирование, деформация.

Keywords: aluminium copper composite, criteria-based system, the layered structure, the conti
nuity component, mathematical modeling, deformation.

В современном мире большое внимание уделяется композиционным мате
риалам, в частности, многослойным металлическим материалам [1], что объясняется присущим им набором конструкционных и функциональных свойств, во многом превосходящих характеристики традиционных материалов.

Среди наиболее перспективных и распространенных способов получения 

подобного класса материалов, является обработка давлением, в том числе и горячая прокатка, которая дает возможность получать листовые полуфабрикаты 
больших габаритов с набором конструкционных и функциональных свойств. 

Технологический процесс производства данных материалов достаточно 

сложен, т.к. должен учитывать характеристики заготовки и конечного изделия, а 
также режимы самого процесса. Эти данные должны быть связаны друг с другом, 
и рассматриваться в совокупности. 

В 70-80-х годах прошлого века, когда активно разрабатывались методики 

получения волокнистых композиционных материалов (ВКМ), был предложен системный подход [2], основанный на анализе условий, необходимых для образования прочного соединения и сплошности взаимодействующих компонентов ВКМ, 
которые впоследствии были выделены в ряд критериев.

Изучая процессы изготовления ВКМ и многослойных композиционных мате
риалов, выявили сходство деформационных задач, заключающихся в получении 
качественного композита с заданной структурой и свойствами. Стало возможным 
применение критериального подхода, разработанного на базе ВКМ для изучения 
процессов создания слоистого материала.

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 

Научные труды (Вестник МАТИ), 2014 г. Вып. 25 (97)
6

В качестве объекта исследований, для которых разрабатывалась критери
альная система, выбран многослойный алюмомедный композит. Изучение процессов его прокатки с использованием критериальной системы позволило управлять режимами деформирования сборной заготовки [3]. Критерии, по которым 
проводился расчет режимов прокатки, дали возможность установить диапазон изменения основных технологических параметров, тем самым обеспечивая получение композита с заданными свойствами. 

Первый критерий устанавливает температурный режим обработки листово
го материала для создания слоистой структуры без нарушения ее целостности на 
всех циклах обработки. Необходимо, чтобы температурные интервалы взаимодействующих компонентов были близки:

,                   
(1)

где 
– температуры рекристаллизации компонентов слоистого композита.

В случае большого различия температурных интервалов деформирования 

компонентов, слоистую структуру, на протяжении ряда циклов обработки, сохранить нельзя.

Второй критерий дает возможность оценивать минимально необходимую 

степень деформации , обеспечивающую соединение компонентов в единый композит. Решение уравнения, описывающего первый критерий, дает возможность 
получить качественную и прочную связь компонентов:

,          
(2)

где 
– температура пластической деформации; 
– степень деформации, доста
точная для образования соединения между компонентами; 
– время деформа
ции.

Для нахождения требуемой степени деформации, достаточной для 

образования прочного соединения между компонентами, проводили опытную прокатку слоистых заготовок. Исходные параметры сборной заготовки и условия деформации приведены в табл. 1.

Таблица 1

Исходные параметры сборной заготовки и условия деформации

Частота 
вращения

валков, 

об/с

Радиус 
валков, 

мм

Температура 

деформирования,

˚С

Нач. 

толщина 
сборной 
заготовки, 

мм

Исходная 
толщина  
слоя Al, 

мм

Исходная 
толщина 
слоя Cu, 

мм

0,3
145
450
4,5
2
0,5

Сборные заготовки нагревали в печи до 

температуры 450˚С и за один проход прокатывали на стане «ДУО». Проводя прокатку заготовок с различными степенями деформации, выявили, что обжатия на первом проходе, равные 
20%, 25%, 30%, 40% не обеспечивают формирования полного соединения между компонентами слоистой заготовки, на границе слоев возникают множественные расслоения. Дальнейшие проходы на таких заготовках не устраняют 
полностью дефекты и не обеспечивают прочного соединения. В то же время, прокатка с обжа
 

Рис. 1. Композит, прокатанный 

с обжатием 50 % 

после первого прохода

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 

Научные труды (Вестник МАТИ), 2014 г. Вып. 25 (97)
7

тием 50 % создает прочную качественную связь между слоями и формирует слоистый композит за один проход (рис. 1).

Прочное соединение компонентов при вышеуказанных температурно
скоростных условиях и обжатии 
, достигается за 0,066с. Учитывая, что 

второй критерий не гарантирует сохранения сплошности компонентов многослойной заготовки, вводится дополнительный критерий.

Критерий сплошности / несплошности компонентов контролирует силовое 

воздействие на сборную заготовку: 

(3)

где 
– реальные напряжения, возникающие в слоях i компонента под действи
ем внешнего усилия со стороны валков при деформации, обеспечивающей соединение;
предел прочности материала i компонента.

Численные значения напряжений, действующие в компонентах при их со
единении 
, определяли с помощью математического моделирования. В ра
боте использовался конечно-элементный пакет Deform, который позволил определить напряженно-деформированное состояние (НДС) в очаге деформации.

С помощью математического моделирования удалось выявить, что в прока
тываемой заготовке возникает существенная неравномерность распределения 
деформаций по ее высоте. 

Для наглядности деформационной картины слои при моделировании  по
мечены точками, которые привязаны к конечно-элементной сетке и перемещались 
вместе с заготовкой на протяжении всего деформационного цикла. Выбранные 
точки были расположены:


Точка 1 – на срединной поверхности алюминиевого слоя, контакти
рующего с верхним валком;


Точка 2 – на срединной поверхности медного слоя;


Точка 3 
на срединной поверхности алюминиевого слоя, контакти
рующего с нижним валком. 

По траектории прохождения этих точек через очаг деформации, для каждой 

из них оценивалось изменение накопленной деформации за проход, и по полученным данным строились кривые.

Периферийные слои (кривые для т.1 и т.3), в силу симметрии заготовки, 

деформировались одинаково, поэтому на графике эти кривые совпадают (рис. 2). 

Рис. 2. Распределение
деформаций в слоях 

по дуге захвата:

нач. г.о.д., кон. г.о.д. –

начало и конец геометрического очага деформа
ции соответственно

Незначительное отставание кривой для т.2 свидетельствовало об умень
шении скорости пластического течения медного слоя по сравнению с алюминие

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 

Научные труды (Вестник МАТИ), 2014 г. Вып. 25 (97)
8

выми.

Следует учитывать, что течение разнородных слоев при прокатке довольно 

сложный процесс. Уже на подходе к очагу деформации распределение напряжений, действующих в алюминии и меди,  существенно меняется и достигает максимумов вблизи нейтрального сечения (рис. 3). Представленный график является 
наглядной иллюстрацией классической кривой Целикова [4]. В интервале от 0 7
мм, (RВ =145 мм) при вовлечении заготовки в фактический очаг деформации, в 
слоях начинают зарождаться и действуют сжимающие напряжения. В зоне очага 
деформации происходит активное уплотнение слоистой заготовки, в нейтральном 
сечении возникает скачок напряжений, в алюминии эта величина достигает 3
38 МПа, а в меди – 178 МПа. 

Рис. 3. Распределение 
средних напряжений в 
слоях по дуге захвата

Результаты моделирования показали, что  изменение объемной доли за 

счет увеличения толщины алюминиевых и уменьшения медных слоев, меняется 
напряженное состояние заготовки (рис. 4). Максимальное напряжение в алюминиевых и медном слоях снижается в среднем на 20 % (при содержании меди –
5,88 %), и на 30-35 % (при содержании меди 4 %). 

Рис. 4. Влияние объемной 
доли меди на напряжения 
в слоях прокатываемого 

композита

Для формирования прочной связи между компонентами помимо степени 

деформации, которая должна быть за проход не менее 50%, необходимо учитывать величину накопленной деформации, которую сможет выдержать наименее 
пластичный компонент. В противном случае, условие третьего критерия не будет 
обеспечивать сплошность слоистого строения при многоцикловом деформировании композита. Чтобы сохранить сплошность, композит следует деформировать с 
обжатиями за проход не меньшими, чем 50 % и не большими тех, которые реко

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 

Научные труды (Вестник МАТИ), 2014 г. Вып. 25 (97)
9

мендованы для наименее пластичного из компонентов. Применительно к алюмомедному композиту, выражение для третьего критерия примет вид:

;          
(4)

где 
– минимальные напряжения соответственно в алюминиевых и 

медном слоях при деформации 50%;
фактические напряжения, дейст
вующие в слоях алюминия и меди при деформации больше 50%;
пре-

делы прочности алюминия и меди, соответственно (при данных температурных 
условиях).

На стадии получения многослойного композита, для снятия остаточных на
пряжений и повышения пластических характеристик продеформированного материала перед последующим циклом прокатки применяют промежуточные отжиги, 
которые активизируют прохождение рекристаллизационных процессов в обоих 
компонентах. В случае с композицией алюминий-медь, температурные интервалы 
рекристаллизационного отжига для компонентов не совпадают. Учитывая, что при 
температуре отжига 450 ˚С, пластичность меди полностью не восстанавливается, 
в отличие от алюминия, в результате чего медные слои после нескольких циклов 
прокатки сильно нагартовываются и начинают разрушаться, а слоистый материал 
преобразуется в композит с алюминиевой матрицей, армированной частицами 
меди, для которого выражение (5) примет следующий вид:

;                  
(5)

Адекватность результатов критериальной системы проверялась экспери
ментально. Проведено 6 циклов прокатки алюмомедного композита. После каждого цикла заготовку подвергали отжигу при температуре 450 ˚С и выдерживали в 
течение часа в печи. 

Результатом первых трех циклов прокатки явилось качественное соедине
ние компонентов со слоистой структурой.

После четвертого цикла обработки в 

структуре возникали множественные разрывы, 
подтверждающие нарушение сплошности слоистой структуры. На последующих стадиях прокатки происходило дальнейшее разрушение 
медного компонента. Это свидетельствовало о 
том, что запас пластичности медной составляющей полностью исчерпан, (условие (4) не 
может быть выполнено). 

После шестого цикла прокатки, слоистая 

структура композита полностью трансформировалась 
в 
характерную 
для 
дисперсно
армированного материала (рис. 5). 

Таким образом, экспериментально подтверждено, что использование кри
териальной системы, подкрепленной результатами математического моделирования, дало возможность детально изучить процесс многоцикловой прокатки, облегчить подбор условий для получения требуемой структуры композиционного материала и, в конечном счете, позволила получить объективные результаты.

Рис. 5. Микроструктура 

Al-Cu композита после шестого 

цикла прокатки (х50)

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 

Научные труды (Вестник МАТИ), 2014 г. Вып. 25 (97)
10

Литература

1. Слоистые композиты на основе алюминия и их свойства. / Ю. П. Трыков, Л.М.

Гуревич, В.Г. Шморгун. – М.: Металлургиздат, 2004. – 230 с. 

2. Колпашников А.И., Арефьев Б.А., Мануйлов В.Ф. Деформирование композици
онных материалов – М.: Металлургия, 1982. – 248 с.

3. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей под. ред. 

М.Х. Шоршорова – М: Машиностроение, 1981. – 268 с.

4. Композиционные материалы: Справочник/ В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. 

Болотин и др.; Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с. 

Сведения об авторах

Галкин Виктор Иванович – д.т.н., профессор МАТИ
Galkin Victor Ivanovich – doctor of technical sciences, professor, MATI, 

e-mail: galkin@mati.ru

Евсеев Павел Сергеевич – аспирант МАТИ
Evseev Pavel Sergeevich – postgraduate student, MATI, e-mail: galkin@mati.ru