Структурно-кинетические механизмы деформирования и разрушения материалов в крупнозернистом и субмикрокристаллическом состояниях
На правах рукописи
ПЛЕХОВ Олег Анатольевич СТРУКТУРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В КРУПНОЗЕРНИСТОМ И СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СОСТОЯНИЯХ 01.02.04 – механика деформируемого твёрдого тела
Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук
Пермь-2009 2
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук «Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН»
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Петров Юрий Викторович доктор технических наук, профессор Шанявский Андрей Андреевич доктор физико-математических наук, профессор Ташкинов Анатолий Александрович
Ведущая организация: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск
Защита состоится « 3 » декабря 2009г. в ч. мин. на заседании диссертационного совета Д 004.012.01 при Институте механики сплошных сред УрО РАН по адресу:
614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 1, тел/факс (342) 2378487, сайт:
www.icmm.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института механики сплошных сред УрО РАН Автореферат разослан «» 2009г.
Учёный секретарь диссертационного совета Березин И.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современный уровень развития техники и технологий требует создания новых конструкционных материалов, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами и разработки методов комплексной оценки и прогнозирования их временного ресурса. В последние годы наметились новые пути повышения свойств конструкционных материалов за счет целенаправленного формирования микро- и нанокристаллической структуры. Данные исследования соответствуют приоритетным направлениям и критическим технологиям Российской Федерации.
Решение проблемы комплексной оценки текущего состояния существующих и создания новых материалов невозможно без глубокого понимания процессов эволюции реальной структуры материала и всего комплекса термомеханических явлений, сопровождающих процесс пластического деформирования и разрушения. Процесс локализации деформации и разрушения твёрдых тел связан с зарождением и развитием структурных дефектов мезоскопического типа, их взаимодействием между собой и внешними физическими полями. Специфика влияния дефектов на способность материалов сопротивляться разрушению заключается в том, что, являясь носителями структурных нарушений в материалах в процессе деформирования, дефекты обеспечивают реализацию механизмов релаксации и диссипации энергии, обеспечивая тем самым эксплуатационный ресурс.
Проблема корректной оценки временного (усталостного) ресурса, общепризнанно определяемого эволюцией структуры материала, связана с установлением кинетики процесса разрушения, неконтролируемой полностью деформационно-силовыми параметрами нагружения. Это обстоятельство является основной физической причиной, ограничивающей применимость феноменологических моделей длительной прочности и усталостного разрушения, в которых кинетика процесса разрушения предполагается «подчинённой» кинетике напряжений или деформаций.
Изучение роли эволюции ансамбля дефектов в развитии процесса усталостного разрушения стимулировало ряд новых направлений в физике неупорядоченных систем, для которых проблемы физики разрушения стали полигоном для апробации методов. Интенсивные исследования в этой области связаны с изучением универсальных (скейлинговых) свойств поверхностей разрушения. Результаты исследований позволили установить универсальные свойства распределения дефектов материала по размерам и рельефа поверхностей разрушения, связанные с нелинейными свойствами процесса разрушения и независящие от исходной структуры материала.
Развитие экспериментальных методов привело к появлению нового класса методов оценки надежности и временного (усталостного) ресурса, основанных на применении высокочувствительных инфракрасных детекторов и уточнении термодинамического описания процессов накопления микроповреждений и разрушения. Существенный вклад в развитие данного метода внесли: Вавилов В.П., Oliferuk W., Chrysochoos A., Luong M., A.J. Rosakis.
За последние годы исследованию термомеханических процессов в конструкционных материалах было посвящено большое число как экспериментальных, так и теоретических исследований. Интерес к задачам подобного рода, как правило, возникает в случаях, когда наблюдается ярко выраженная диссипация энергии, приводящая к изменению механических свойств материала и/или фазовым переходам (например, при распространении ударных волн) или в случаях, когда мониторинг диссипации ведётся с целью обнаружения очагов локализации деформации.
В остальных случаях принято считать, что величина диссипированной энергии мала и «механическую» и «термодинамическую» задачу можно решать независимо. Однако, современные экспериментальные исследования показали, что процесс диссипации энергии в материале носит нелинейный характер и доля запасённой энергии может колебаться в пределах от 30 до процентов.
Анализ проблемы показал очевидную необходимость разработки адекватных физических моделей процесса, установления характерных эффектов, являющихся ранними предвестниками разрушения, и эффективных математических методов обработки экспериментальных результатов.
Используя принцип сравнения результатов нового метода с результатами, полученными по общепризнанным методикам, в работе дополнительно используется метод акустической эмиссии. Методы акустической эмиссии активно развивались на протяжении последних десятилетий и являются базовыми при анализе широкого класса задач.
Существенный вклад в развитие данного метода при исследовании процессов деформирования и разрушения металлов внесли: Б.Е. Патон, О.В. Гусев, В.И.
Иванов, Ю.И. Болотин, Л.Р. Ботвина, А.Е. Андрейкив, В.А. Грешников и многие другие.
Значительные успехи при анализе предвестников разрушения были достигнуты при исследовании процессов ползучести и сейсмологии. В России активно изучаются особенности акустической активности при разрушении геологических сред. Основы данного направления были заложены в работах Садовского М.А., Соболева Г.А., Журкова С.Н., Шемякина Е.И., Виноградова С.Д., Куксенко В.С. и многих других авторов.
Из зарубежных авторов необходимо отметить работы C.H. Schilz, D. Lockner, G. Meredith.
Исследования, проведённые в данной работе, относятся к разделам 3.6.
«Механика твердого тела, физика и механика деформирования и разрушения, механика композиционных и наноматериалов, трибология», 3.9. «Создание перспективных конструкций, материалов и технологий в авиации, ракетной и атомной технике, судостроении, наземном транспорте, станко- и приборостроении» перечня «Основных направлений фундаментальных исследований программы фундаментальных научных исследований Российской академии наук на период 2007 - 2011 годы».
Представляемая работа выполнена в рамках основного научного направления Института механики сплошных сред УрО РАН в соответствии с тематическими планами НИР лаборатории Физических основ прочности ИМСС УрО РАН на 1991-2008 годы;
комплексной программы научных исследований Президиума РАН «Исследование вещества в экстремальных условиях», Подпрограмма 1: «Теплофизика экстремального состояния вещества»;
программой фундаментальных исследований Отделений энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН Проект: "Экспериментальное и теоретическое исследование разрушения, коллективных эффектов и скейлинга в нано- и мезоскопических дефектных структурах керамик и сплавов в широком диапазоне скоростей деформирования";
программы совместных исследований с Сибирским и Дальневосточным отделениями РАН проект: «Построение определяющих соотношений для нелинейно-деформируемых многокомпонентных сред методами неравновесной термодинамики».
Часть результатов была получена при выполнении международных контрактов совместно с Российскими федеральными ядерными центрами, при выполнении проектов РФФИ гранты № 08-01-00699-а, 07-01-91100 АФГИР_а, 07-01-96004-р_урал_а, 05-01-00863, 04-01-97514-р_офи, 04-01 96042-р2004урал_а, 04-01-96009-р2004урал_а, 02-01-00736-а, 99-01-00244-а, 96-01-00471-а, в том числе под руководством автора диссертационной работы гранты № 07-08-96001-р_урал_а, 05-08-33652, проекта Немецкой службы академических обменов (DAAD), проекта министерства образования Франции, проекта Американского фонда гражданских исследований СRDF PE-009-0 (Y2-EMP-09-03) «Development of theoretical and applied aspects of quantitative fractography method using infrared camera CEDIP, 3D surface profiler NEW VIEW and construction of fatigue durability estimation technique», проекта «Развитие научного потенциала высшей школы» подпрограмма № 3, раздел № 3.5, проект «Разработка теоретических и прикладных аспектов метода количественной фрактографии с использованием тепловизора CEDIP, интерферометра-профилометра New View и создание методик оценки усталостной прочности».
Цель диссертационной работы. Исследование структурно-кинетических, термодинамических закономерностей процессов накопления и диссипации энергии в металлах, разработка моделей, учитывающих эволюцию реальной структуры материала;
описание нелинейных механизмов пластического деформирования и разрушения в широком диапазоне интенсивностей нагружения с использованием данных инфракрасного сканирования и акустической эмиссии;
идентификация термических, акустических и структурных предвестников разрушения, разработка методов их мониторинга;
построение статических моделей для оценки временного ресурса материала.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
1. Разработки научных и методических основ применения метода инфракрасной термографии при исследовании процессов диссипации энергии в металлах.
2. Разработки и создания экспериментальных комплексов для исследования квазистатического, циклического и динамического деформирования металлов, позволяющих в режиме реального времени регистрировать акустические и термические процессы, сопровождающие процесс эволюции структуры, пластического течения и разрушения материалов.
3. Проведения серии экспериментов на чистых металлах (армко железо, титан), конструкционных сталях (35ХМЛ (35CrMo4), 03Х17H14M (316L)) и псевдопластических материалах (полимеры, соляные горные породы) с целью исследования влияния скорости деформирования и характерного размера структурной гетерогенности на процесс накопления энергии;
исследования особенностей диссипации и накопления энергии в материалах в объёмном субмикрокристаллическом состоянии.
4. Разработки методов анализа экспериментальных данных с целью установления взаимосвязи термических и акустических процессов в деформируемых металлах, установления масштабно-инвариантных закономерностей, определения скорости и величины энергии, накопленной в процессе деформирования.
5. Разработки термодинамического описания процесса накопления энергии в процессе деформирования на основе континуальных моделей, определения вида дополнительных «структурно чувствительных» переменных и методов их экспериментального определения.
6. Разработки оригинальных численных методов анализа и компьютерных программ для моделирования одномерных и двумерных задач локализации пластической деформации и разрушения конструкционных материалов.
Объект и метод исследования. Объектом исследования является термомеханическое поведение конструкционных материалов с учётом эволюции их реальной структуры. Основное внимание уделяется процессу накопления энергии в материале в ходе его деформирования и взаимосвязи этого процесса с изменением механического поведения, локализацией деформации и разрушением материала. С этой целью детально исследуются процессы тепловыделения и генерации сигналов акустической эмиссии, вызванные эволюцией структуры материала. В работе экспериментально и теоретически исследованы особенности процесса накопления энергии в металлах (армко-железо, титан, сплав В95) при различных скоростях деформации (от 10-4 до 103 сек) и с различным размером зерна (от 0.5 мм в железе и до 150 нм в титане), процессы усталостного разрушения и трещинообразования в пластических (стали марок 35ХМЛ, 03Х17H14M) и псевдопластических материалах (соляные горные породы).
При проведении исследований использовались экспериментальные методы инфракрасной термографии, акустической эмиссии, трёхмерной профилометрии структурного рельефа. В теоретической части работы методы статистической механики, термодинамики неравновесных систем, методы вычислительного эксперимента.
Научная новизна работы заключает в том, что в ней:
1. На основе оригинального статистического описания эволюции ансамбля мезодефектов в металлах развита математическая модель, описывающая баланс энергии при пластическом деформировании и разрушении твёрдых тел.
2. Предложено решение задачи определения структурно чувствительных переменных, характеризующих процессы накопления энергии в материалах;
разработаны экспериментальные методики определения структурно-чувствительных переменных;
разработана оригинальная методика анализа экспериментальных данных и расчёта зависимости скорости накопления энергии в материале.
3. Разработаны теоретические модели процессов распространения волн локализованной пластичности, динамической стохастичности при распространении трещин и инициирования волн разрушения.
4. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование особенностей диссипации энергии при циклическом деформировании широкого класса металлических материалов;
установлена связь термических, акустических и структурных предвестников разрушения при усталостном (многоцикловом) нагружении.
5. Экспериментально показано выполнение масштабно инвариантных закономерностей (закона Гутенберга-Рихтера) для широкого класса материалов на лабораторном спектре масштабов и установлена стадийность изменения масштабно-инвариантных характеристик при циклическом деформировании металлов.
6. Разработана оригинальная модель прогнозирования времени разрушения материала на основе данных акустической эмиссии, накопленных в процессе нагружения.
7. Проведено экспериментальное исследование процессов диссипации энергии в металлах при динамическом деформировании;
установлены зависимости процесса накопления энергии от скорости деформирования и размера зерна.
8. Впервые исследованы особенности диссипации и накопления энергии в объёмных субмикрокристаллических материалах;
экспериментально установлены аномалии диссипации энергии при циклическом и динамическом деформировании.
Научная и практическая значимость. В работе, на основе оригинального статистического подхода к описанию эволюции ансамбля мезоскопических дефектов, построены определяющие соотношения, описывающие баланс энергии в материале в процессе деформирования и разрушения.
Особенностью работы является теоретическое и экспериментальное исследование проблемы накопления энергии в металлах и разработка методов мониторинга предвестников разрушения. Результаты работы могут быть применены при оценке надёжности реальных конструкций и разработке новых методов неразрушающего контроля.
В работе впервые проведено комплексное исследование процессов диссипации энергии при квазистатическом, динамическом и циклическом нагружении, экспериментально установлены аномалии диссипации энергии в объёмных субмикрокристаллических материалах и предложено теоретическое описание этого процесса.
На основе разработанной теоретической модели предложены методики применения инфракрасной термографии и акустической эмиссии при анализе текущего состояния и оценке усталостного ресурса поли- и субмикрокристаллических конструкционных материалов. Разработаны методы определения скорости накопления энергии в материале в процессе деформирования, позволяющие проводить верификацию существующих моделей пластического течения материалов.
На основе развитых представлений о процессах зарождения и развития дефектов исследованы закономерности перераспределения энергии в деформируемых образцах, построена статистическая модель предсказания времени разрушения образца.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Теоретическая модель накопления и диссипации энергии в металлах, основанная на результатах решения статистической задачи об эволюции ансамбля мезодефектов, позволяющая предложить разложение диссипативной функции системы на структурно-чувствительную и релаксационную части.
2. Феноменологические модели диссипации энергии при распространении волн локализованной пластичности, динамической стохастичности при распространении трещин, деформирования и разрушения материала при динамическом деформировании.
3. Методы инфракрасного сканирования при квазистатическом, динамическом и циклическом деформировании, методы обработки экспериментальных данных, позволяющие определить скорость накопления энергии в материале, методы мониторинга момента зарождения и распространения усталостных трещин, основанные на анализе корреляционных свойств поля температуры.
4. Результаты экспериментального исследования термических, акустических и структурных предвестников разрушения и их связи со стадийностью процесса циклического деформирования;
анализ и численное моделирование диссипации энергии в процессе циклического деформирования.
5. Экспериментальные результаты, подтверждающие возможность исследования масштабно-инвариантных закономерностей (закона Гуттенберга-Рихтера) на лабораторном спектре масштабов в псевдопластичных и пластичных материалах;
оценка стадийности процессов разрушения на основе характеристики распределений сигналов акустической эмиссии при циклическом деформировании и разрушении.
6. Результаты исследования процессов диссипации энергии в субмикрокристаллических металлах при квазистатическом, динамическом и циклическом деформировании позволившие теоретически объяснить и экспериментально подтвердить эффект аномального поглощения механической энергии в объёмных субмикрокристаллических материалах.
Обоснованность и достоверность результатов расчётов и теоретических выводов, сформулированных в диссертационной работе, обеспечиваются обоснованностью физических представлений, корректностью математических постановок задач, проведением тестовых расчётов, сопоставлением частных численных результатов с аналитическими решениями, результатами других авторов, оригинальными и опубликованными ранее экспериментальными данными. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается соблюдением методологии проведения эксперимента, использованием поверенного метрологического оборудования, устойчивой воспроизводимостью результатов и согласием установленных закономерностей с результатами других авторов.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на 12 зарубежных и 39 конференциях, проходивших на территории Российской Федерации. Среди них: Fifth international conference on fundamental of fracture (1997, USA), Всероссийская конференция "Математическое моделирование физико-механических процессов" (1997, Пермь), NATO Advanced research workshop on PROBAMAT-21st century (1997, Perm), XIV Уральская школа металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (1998, Ижевск), NATO Advanced study institute on mechanics of composite (1998, Troia), Всероссийская молодёжная научная школа конференция по механике деформируемых тел (1998, Казань), серия Международных зимних школ по механике сплошных сред (1997, 1999, 2005, 2008, Пермь), International conference "Dynamical systems modelling and stability investigation" (1999, Kyiv), International conference "Gesellschaft fur angewandte mathematik und mechanik" (1999, Metz), серия Всероссийских конференций "Актуальные проблемы прочности" (1999, Псков, 2004, Калуга, 2005, Вологда), III Уральская региональная школа-семинар молодых учёных и студентов по физике конденсированного состояния (1999, Свердловск), Вторая всероссийская конференция молодых учёных физическая мезомеханика материалов (1999, Томск), Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (2001, Пермь, 2006, Нижний Новгород), NATO Advanced Study Institute “Thermodynamics, microstructures and plasticity” (2002, Frjus, France), 12-th International Workshop Computational Mechanics of Materials (2002, Darmstadt, Germany), Всероссийская конференция молодых учёных «Нелинейные переходы в сплошных средах» (2002, 2004, 2007, Пермь), Серия международных конференций «Уравнения состояния вещества» (2005, 2006 Эльбрус), Серия конференций «Петербургские чтения по проблемам прочности» (2005, 2007, 2008, Санкт-Петербург), 10-th International symposium on physics of materials (2005, Prague, Czech republic), Серия Всероссийских научных конференций «Неразрушающий контроль и диагностика» (2005, 2006, 2007, Екатеринбург), Всероссийская научная конференция «Актуальные проблемы механики сплошных сред» (2005, Пермь), Всероссийская научная конференции Демидовские чтения на Урале (2006, Екатеринбург), Международная конференция MESOMECH’ 2006. Физическая мезомеханика, компьютерное моделирование и разработка новых материалов (1999, 2006, 2008, Томск), Всероссийская конференция молодых ученых по механике сплошных сред посвященной 80-летию со дня рождения чл.-кор. АН СССР А.А.Поздеева «Поздеевские чтения» (2006, Пермь), 5-th International conference Materials structure and micromechanics of fracture (2007, Brno, Czech Republic), Всероссийская конференция молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (2007, Пермь), Всероссийская конференция Механика микронеоднородных материалов и разрушение (2008, Екатеринбург), XI международная конференция Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов. (2008, Екатеринбург), 17-th European conference of fracture (2008, Brno, Czech Republic), 1-st African Interquadrennial ICF Conference (2008, Alger, Algeria), Четвёртый международный симпозиум Геодинамика внутриконтинентальных орогенов и геоэкологические проблемы (2008, Бишкек, Киргизия).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 46 научных публикациях, в том числе, в 12 статьях российских журналов из перечня ВАК, 9 статьях в рецензируемых зарубежных журналах и в 25 статьях в периодических сборниках, трудах международных и всероссийских конференций.
Личный вклад автора состоит в постановке задач, формулировке основных результатов и выводов диссертации. Автор непосредственно разрабатывал методы, алгоритмы и программы численного моделирования и обработки экспериментальных данных. Анализ теоретических результатов и построение теоретической модели накопления и диссипации энергии в металлах проводилось непосредственно автором при обсуждении с научным консультантом на основе введённой профессором О.Б. Наймарком концепции структурно-скейлинговых переходов в сплошных средах. Автор непосредственно руководил работой по разработке, созданию и эксплуатации большинства экспериментальных комплексов, использованных в работе, лично проводил экспериментальные исследования и обработку экспериментальных данных.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 359 страниц, включая 139 рисунков и 11 таблиц. Список литературы содержит 241 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель и задачи работы, перечислены методы исследования, сформулированы новые результаты, раскрыта их научная и практическая значимость, представлены положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.
Первая глава диссертации носит обзорный характер. В ней приведены основные результаты, полученные ранее при исследовании процессов накопления и диссипации энергии при деформировании и разрушении металлов. В обзоре рассмотрены основные экспериментальные методы исследования термодинамики пластического течения, проанализированы известные экспериментальные результаты, касающиеся определения факторов, влияющих на процесс накопления энергии в металлах, рассмотрены наиболее близкие теоретические подходы к описанию процессов накопления и диссипации энергии при пластическом деформировании.
Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке теоретической модели диссипации и накопления энергии в металлах в процессе пластического деформирования и разрушения.
В параграфе 2.1 представлено термодинамическое описание процесса деформирования сплошной среды с дефектами. На основе закона сохранения импульса, первого и второго начала термодинамики, в предположении малых деформаций получены основные термодинамические соотношения, описывающие процессы накопления и диссипации энергии в материале ~ = Fe, (1) 1 ~ = FT + Fe :, (2) ( ) r T & 1~ F~ : ~ + : ~ p + ~ 0, & & (3) q pp p T r r где T(x, t ) - поле абсолютной температуры, x - положение частицы в фиксированной отсчётной конфигурации, t - время, - плотность, e удельная внутренняя энергия, ~, - тензоры малых деформаций и ~ r напряжений Коши, соответственно, q - вектор теплового потока, Fa удельная свободная энергия, - удельная энтропия, Fa - частная производная функции F(a,K) по a, = x, x, x.
1 Особенностью развиваемого подхода является введение дополнительной «структурной» деформации, что приводит к следующему соотношению, описывающему кинематику среды & ~& ~ = ~e + ~p + ~ + T, && & p (4) где ~ e - тензор упругих деформаций, ~ p - тензор пластических деформаций (описывающий диссипативные эффекты в ансамбле дефектов), ~ - тензор p ~ структурных деформаций, - тензор коэффициентов термического расширения, T - отсчётная температура.
Необходимость введения структурной деформации (собственно деформационного вклада дефектов) обусловлена тем, что пластическая деформация, обусловленная движением дефектов дислокационной природы, не является термодинамической переменной состояния деформируемой системы.
Предполагая, что свободная энергия материала является функцией температуры, упругих и структурных деформаций уравнение теплопроводности может быть записано в следующем виде & cT = q + r + Q e + Q p, (5) Q e = TFTe : ~ e & где - нагрев за счёт термоупругого эффекта, & 1~ 1~ & Q p = TFTp : ~ + : ~ p + Fp : ~ - нагрев за счёт пластической деформации, & p p c = TFTT - удельная теплоёмкость.
Уравнение (5) определяет величину скорости накопления энергии в процессе пластического деформирования материала ( TFT~ + F~ ): ~.
& p p p & (6) = ( ) 1 ~ ~p ~ & & : + p Для расчёта кинетики пластических и структурных деформаций в случае линейной связи между термодинамическими силами и потоками, используются соотношения:
( ) ~p = l F + l F F, & (7) p e e ep e (F F )+ l ~=l & F. (8) pp p e p p e Для определения вида зависимости Fp, описывающей процесс накопления энергии в материале при появлении дефектов, получено следующее представление удельной свободной энергии ( )( ) F T, ~ e, ~ = F T, ~ e + T(~ ) + F(~ ). (9) p p p Представление (9) получено в предположении, что функция Fp зависит только от двух переменных: T и ~, при этом зависимость от температуры не p является существенной в исследуемом диапазоне температур деформирования;
теплоёмкость материала не зависит от деформации и степени повреждённости материала;
упругие константы материала не зависят от величины накопленных повреждений.
Параграфы 2.2-2.3 посвящены замыканию модели деформирования твёрдого тела с дефектами с учётом структурно чувствительных переменных и конкретизации вида функции F~ (~ ).
pp Структурные переменные, ассоциированные с микротрещинами и микросдвигами, введены как аналоги тензоров дислокационной плотности.
Эти дефекты описываются симметричными тензорами вида s ik = sv i v k для r случая микротрещин и s ik = 1 / 2s( v i l k + li v k ) для микросдвигов (здесь единичный вектор нормали к основанию микротрещины или площадки r сдвига;
l - единичный вектор в направлении сдвига;
S – объем микротрещины или интенсивность сдвига).
Анализ известных экспериментальных данных показал, что подобие режимов накопления повреждений (статистическая автомодельность) может наблюдаться в различных процессах деформирования твёрдых тел. Таким образом, подобие позволило ввести в рассмотрение средний размер дефекта и его характерную энергию для того, чтобы установить их соответствие приложенной нагрузке. Функция распределения дефектов по размерам и ориентациям принималась в виде:
W = Z 1 exp( E(Sik ) Q ), (10) где Z = W(Sik )dSik, E(Sik ) - энергия единичного дефекта, Q - параметр, характеризующий начальный «энергетический рельеф» («эффективная температура» рассматриваемого статистического ансамбля), пространство состояний для тензорного параметра Sik.
«Структурная» деформация определяется с помощью усреднения Sik :
p ik = n Sik Z 1 exp( E(Sik ) Q )dSd 3, (11) где энергия единичного дефекта E = E 0 H ik Sik + Sik, вычисляемая в приближении среднего поля H ik = ik + n Sik, где - константа среднего поля, n - концентрация дефектов.
Свободная энергия системы дефектов может быть определена соотношением 1 F Q ln exp (ik + Sik )Sik Sik dSd 3, (12) = Sik n2 где F n - удельная свободная энергия в расчёте на один микродефект.
Соотношение (12) определяет характерные зависимости свободой энергии системы от плотности дефектов. Для обобщения на многомерный случай используется разложение свободной энергии в ряд по инвариантам тензора ~. Выражение термодинамической силы F ~ в состояниях, p p отличных от равновесия, имеет вид F = ~ + ~ + ~ 2 + ~, (13) g p p p ~ p где = 2a 1J1 (~ ) + 3b1J1 (~ ) + b 2 J1 (~ 2 ) + 3c1J1 (~ ) + c 2 J1 (~ 3 ) + 2c 3 J1 (~ )J1 (~ 2 ), 2 p p p p p pp = 2a 2 + 2b 2 J1 (~ ) + 2c 3 J1 (~ ) + 4c 4 J1 (~ 2 ), = 3b 2 + 3c 2 J1 (~ ),. J 1 (~ ) - первый инвариант p p p p p тензора ~.p В параграфе 2.4 приведены феноменологические уравнения, позволяющие проводить численное и аналитическое исследование процессов деформирования и разрушения, и отражающие основные закономерности, установленные в процессе решения статистической задачи. В параграфе 2.4. применительно к квазистатическим материалам рассмотрено образование макроскопических очагов разрушения при распространении трещин.
Используя соотношение (8) в виде d p xx d 2 d p xx = Q1 (p ) + Dp xx xx + Q (p ), dt dx dx получено автомодельное решение 1 2( + 1) r p(x, t ) = (q 0 (t t c )) +, sin 2 (14) ( + 2) LT описывающие процессы локализации повреждений в вершине трещины.
Здесь Q1 (p ), Q (p ) - полиномы степени и ( = + 1 ) соответственно, x координата по направлению распространения трещины, p xx - компонента тензора ~, xx - компонента тензора напряжений, L T = 2 + 1 k 0 q 0 p 2( + 1) характерный масштаб, t c = - время обострения.
( + 2 ) p q Данное решение определяет поведение структуры материала в вершине трещины. В случае распространения трещины в квазихрупком материале динамика взаимодействия макротрещины и ансамбля микродефектов в окрестности вершины трещины включает две стадии. Первая стадия завершается формированием области локализации дисперсного разрушения.
Это приводит к возникновению новой дефектной структуры (очага разрушения) и соответственно флуктуациям полей напряжений. Вторая стадия, в соответствии с решением (14), характеризуется взрывообразном ростом плотности микротрещин, локализованном на пространственном масштабе L T, за время t c. Анализ фрактографий изломов ПММА показывает, что максимально возможный размер зеркальных зон L*T ~ 10 4 м наблюдается на поверхности разрушения образца при переходе от прямолинейного в ветвящемуся режиму распространения трещины (рис. 1.а).
Полное время разрушения t f = t u + t c складывается из двух частей: t u период формирования пространственного распределения дефектов близкого к автомодельному – времени индукции и t c - времени обострения. Значения L*T и t f определяют критическую скорость прямолинейного распространения трещины V c L* t f ~ 10 2 м / c. На рисунке 1.б приведены результаты T численного моделирования эволюции плотности микротрещин в зоне перед вершиной трещины (линия с-с – фронт распространяющейся в направлении оси х макроскопической трещины).
Наряду с решениями с «обостряющейся кинетикой» предложенные определяющие уравнения содержат решения, соответствующие волновым структурам деформации. В параграфе 2.4.2 получены автомодельные решения, описывающие распространение тепловой волны, сопровождающей распространение волны локализации деформации. Данные решения определяют механизм локализации пластической деформации при наличии области метастабильности, когда каждому значению напряжений соответствуют два равновесных значения плотности дефектов, разделённых потенциальным барьером.
а) б) Рис. 1. Ячеистая структура поверхности излома, соответствующая началу перехода к ветвящемуся режиму распространению трещины (а);
распределение напряжений (1) и плотности дефектов (2) в окрестности вершины трещины (линия с-с) (б).
Вблизи критической точки, соответствующей появлению волновых решений, уравнение (8) может быть представлено в виде p 2 p p(p* p )(p c p ). (15) = z 2 Уравнение (15) имеет следующие аналитические решения, известные как фазовые волны переключения или волны «триггерного» типа (C + p c ) + (C p c ) tanh (L1 ), p( ) = p* (p* p c ), L1 = (C + p* ) + (C p* ) tanh (L1 ) 2 p* p( ) = p*,, L2 = () L1 1 + C exp где = x ± V, C - произвольная постоянная.
Скорости распространяющихся волн могут быть записаны в виде V1 = (p* + p c ) 2 0, V2 = (p* 2p c ) 2 0.
Скорость и ширина фронта волны (в линейной аппроксимации) могут быть оценены как V2 = l 3 0 (p 3 2p 2 + p1 ) / 2 ;
(p 3 p1 ), L2 = где p1, p 3 - деформации до и после прохождения волны, 0 - параметр, l3 ~ кинетический коэффициент, - время релаксации в ансамбле дефектов.
Полученные аналитические решения дают возможность для определения «константы нелокальности». Из анализа экспериментальных данных для чистого железа была получена оценка константы нелокальности и кинетического коэффициента в виде ~ 5.0 10 4 (m 2 ), ~ (l 3 A )1 ~ 2 10 5 c 1.
В заключение главы на основе полученных автомодельных решений предложено теоретическое объяснение процессов локализации деформации и разрушения в субмикрокристаллических материалах. Показано, что сценарий накопления энергии претерпевает существенное изменение в случае деформирования субмикрокристаллических материалов. Создание субмикрокристаллического состояния в материале (например, методом интенсивной пластической деформации) приводит к формированию ультрамелкозернистых неравновесных структур, для которых характерно присутствие высоких плотностей решеточных и зернограничных дефектов, формирующих дальнодействующие поля упругих напряжений. В результате пластическое и циклическое деформирование данных материалов сопровождается аномалиями диссипации и поглощения энергии, характерных для поведения систем в окрестности критических точек.
Баланс энергии при пластической деформации характеризуется диссипативным и конфигурационным вкладами. Первый из них – диссипативный приводит к повышению температуры образца, второй, конфигурационный, определяется количеством «связанной» энергии, заключенной в полях структурных напряжений дислокационных субструктур различных масштабных уровней. Для поликристаллических материалов пластическая деформация реализуется как последовательный масштабный переход к дислокационным субструктурам большего масштаба, до тех пор, пока последние, исчерпывая сдвиговую подвижность, не становятся очагами разрушения. Для материалов с субмикрокристаллической структурой масштабные переходы не являются выраженными и деформирование сопровождается формированием «решетки» зернограничных дефектов при относительно однородном росте последних. Переход к разрушению в этом случае сопровождается формированием кластера зернограничных дефектов, появление которого должно сопровождаться развитием разрушения по «квазихрупкому» сценарию. Данное отличие эволюции дислокационных субструктур для поли- и нанокристаллических материалов имеет качественную аналогию с фазовыми переходами первого рода.
В третьей главе полученные определяющие соотношения используются для численного моделирования процессов пластического деформирования и разрушения. В главе представлено численное решение следующих задач:
• задачи о динамическом распространении и ветвлении трещин в квазихрупких материалах;
• связанной термомеханической задачи для случая одномерного квазистатического растяжения образца (получены зависимости скорости накопления энергии в стали марки 316L(03Х17H14M), проведено сопоставление с экспериментальными данными);
• задачи о моделировании термомеханических особенностей упруго пластического перехода в металлах (показана возможность волновой диссипации тепла в момент упруго-пластического перехода);
• задачи о диссипации энергии при циклическом деформировании металлов;
• задачи о распространении волн напряжения в пластичных и квазихрупких материалах.
В рамках главы теоретически описаны основные типы структур, возникающих в ансамбле дефектов в момент перехода от дисперсного к макроскопическому разрушению. Показано, что при условии достаточно высоких напряжений и сопоставимости скоростей их изменения с характерными временами эволюции ансамбля дефектов процесс разрушения подчиняется собственным, внутренним закономерностям системы "твёрдое тело с дефектами" и может приобретать автомодельный характер.
В параграфе 3.1 проведено моделирование процесса ветвления трещин в квазихрупких материалах. Развита оригинальная методика моделирования трещины в рамках постановки полевой задачи механики сплошной среды.
Используя результаты экспериментов по малоугловой рентгеновской дифракции и динамическому нагружению, получена оценка для констант разложения Fp для реального материала (ПММА):
c c = 3 ~ 1.0 1014 Дж / м 3 ;
= 2 ~ 1.0 1012 Дж / м 3 ;
4 pc pc 3 c ~ 3.0 1010 Дж / м 3 ;
~ Ed 2 ~ 10 4 Н.
= 2 pc где,,, - коэффициенты полинома в (13);
c и p c - критические напряжение и плотность дефектов.
Показано, что при достижении критической скорости прямолинейная траектория становится неустойчивой, распространение трещины характеризуется ветвлением за счёт присоединения вторичных очагов локализованного разрушения. По мере роста напряжений вероятность этого события увеличивается, и финальный перколяционный кластер становится более разветвлённым. На рисунке 2 представлены результаты статистической обработки ширины перколяционного кластера в зависимости от приложенного напряжения.
Рис 2. Боковой размер перколяционного кластера в зависимости от приложенной нагрузки.
Во втором параграфе проведено моделирование процессов накопления и диссипации энергии при пластическом деформировании металлов (на примере стали марки 316L (03Х17H14M)).
Для замыкания системы уравнений использовалось следующие выражение, аппроксимирующее зависимость Fp (p ) [ ]) [ ] ( Fp = A1 A 2 erf (p a p )n p + A 3erf (p a p )n, (16) где A1 = 5,2 1011 (Па), A 2 = 4,95 1011 (Па), A 3 = 3,9 108 (Па), p a = 800, n = 0.7.
Зависимость напряжения от деформации для скорости нагружения - e = 4,3 10 3 (с ) и относительная скорость накопления энергии ( ) представлены на рисунке 3. Результаты количественно совпадают с известными экспериментальными данными.
Рис. 3. Зависимости напряжения и скорости накопления энергии от пластической деформации при скорости деформации e = 4,3 10 3 (с-1).
Третий параграф посвящён моделированию процессов локализации деформации и выделения тепла при пластическом деформировании металлов. Для замыкания системы уравнений в соотношении (16) учитывались эффекты нелокальности в ансамбле дефектов с помощью слагаемого ((p )p ).
Решение демонстрирует поведение системы, аналогичное фазовому переходу, инициируемому возмущением структурного параметра в области захватов образца. Локализация деформации сопровождается диссипацией тепла и ведёт к зарождению и распространению температурной волны по поверхности образца. Автомодельные решения задачи распространения волн локализованной пластичности на пластическом плато получены в параграфе 2.5. Соответствие численных и аналитических решений обеспечивало устойчивость и корректность численного метода.
В параграфе 4 рассмотрен процесс циклического деформирования металлов. Для описания влияния накопления энергии на механические свойства материала при циклическом деформировании использовалась гипотеза зависимости коэффициентов разложения свободной энергии (16) от энергии, накопленной в процессе деформирования t 1 F pdt.
(17) A1 = A & p Полученная модель описывает три характерные (экспериментально наблюдаемые) стадии эволюции температуры в ходе циклического нагружения. На начальной стадии эксперимента наблюдается рост средней температуры образца, вызванный приспособляемостью структуры материала в условиях приложения внешней нагрузки, вслед за этим температура образца стабилизируется. На этапе стабилизации материал эффективно рассевает приложенную энергию и мощность производства тепла равно скорости его оттока за счёт градиента температуры между образцом и окружающей средой. На заключительном этапе эксперимента мощность генерации тепла резко возрастает, что приводит к скачкообразному росту средней температуры и разрушению образца. Заключительная стадия эксперимента сопровождается генерацией старших гармоник в поле температуры, что хорошо согласуется с результатами экспериментов, представленными в четвёртой главе.
На основе предложенной модели проведено моделирование эволюции температуры при усталостном деформировании в окрестности точки концентрации напряжений.
Заключительный параграф посвящён моделированию процессов динамического деформирования материала. Решена задача о динамическом деформировании металлической пластины (армко-железо) в условиях плоского удара, получено разделение фронта волны на упругий предвестник и пластическую волну.
При изменении параметров разложения свободной энергии, соответствующему переходу от пластической к хрупкой реакции, характер процесса распространения волны напряжений качественно меняется. В заключительном параграфе проведено численное моделирование распространения волн разрушения.
Четвёртая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию методом инфракрасного сканирования (термографии) стадийности процесса пластического деформирования металлов и разработке методов мониторинга термических предвестников разрушения.
Параграф 4.1 посвящён описанию основных экспериментальных методов, используемых при проведении исследований. Дополнительно к методу инфракрасного сканирования описаны методы акустической эмиссии и оптической интерференционной профилометрии.
Параграф 4.2 посвящён исследованию процесса диссипации энергии при циклическом деформировании металлов (на примере стали марки 35CrMo (35ХМЛ) в условиях четырёхточечного симметричного изгиба). В параграфе описаны особенности проведения экспериментов, представлены методы обработки данных инфракрасного сканирования на основе применения методов корреляционного и спектрального анализа.
а) Зарождение усталостной трещины, максимальная температура в сечении 28.7° C, минимальная - 28.4° C.
в) Распространение усталостной трещины, максимальная температура в сечении 30.9° C, минимальная - 29.9° C.
г) Распространение усталостной трещины, максимальная температура в сечении 31.4° C, минимальная - 30.7° C.
Рис 3. Нагрев образца в вершине усталостной трещины (слева) сечение поля температуры по линии, обозначенной на левом снимке (справа).
Процесс изменения температуры на поверхности образца при зарождении и распространении усталостной трещины представлен на рисунке 3. Анализ пространственного отклонения эволюции поля температуры ( SDT ) позволил выделить четыре характерных этапа эволюции данного параметра в зависимости от положения усталостной трещины и сделать следующие выводы:
• При отсутствии усталостной трещины величина SDT мала и практически не меняется (этап I), что соответствует отсутствию коррелированного поведения источников диссипации (дефектов);
• Рост SDT (этап II) может быть связан с двумя процессами: зарождением усталостной трещины или её приближением к области наблюдения (в этом случае внутри области наблюдения находятся как точки, принадлежащие зоне процесса и демонстрирующие сильно коррелированное поведение, так и точки лежащие вне зоны процесса, диссипация в которых имеет случайный характер);
• Уменьшение значения SDT (этап III) наблюдается, если размер области наблюдения меньше области нагрева, или/и зона процесса полностью находится в области наблюдения;
• SDT резко возрастает (этап IV) при удалении усталостной трещины от области наблюдения. В области наблюдения находятся точки с нулевым приложенным напряжением, лежащие на берегах трещины.
Приведённые выше результаты свидетельствуют о том, что мониторинг пространственного отклонения температуры являет эффективной методикой контроля момента зарождения усталостной трещины.
Отдельное внимание в работе уделено процессу генерации старших гармоник в поле температуры. Методами вейвлет анализа показано, что процесс накопления микроповреждений вызывает ангармонизм эволюции температуры. На примере модельной задачи выделены вклады в величину старших гармоник, возникающие как за счёт нелинейных процессов диссипации энергии, так и за счёт особенностей проведения циклических экспериментов.
В заключение параграфа показано, что особенности генерации тепла в процессе деформирования тесно связаны с особенностями эволюции структуры.
Параграф 4.3 посвящён анализу масштабно-инвариантных закономерностей накопления дефектов методами акустической эмиссии.
Показана возможность использования геосейсмических методов анализа при проведении лабораторных экспериментов и установлено выполнение масштабно-инвариантных закономерностей в псевдопластических материалах на лабораторном спектре масштабов.
Анализ эволюции структуры в процессе деформирования методами акустической эмиссии показал качественное изменение масштабно инвариантных закономерностей процесса на различных стадиях деформирования.
На рисунке 4 представлена стадийность изменения распределения сигналов акустической эмиссии от магнитуды (магнитуда сигнала - Ln(A T ), где A, T – амплитуда сигнала и период, соответственно) в зависимости от приложенного напряжения. При амплитудах напряжения ниже предела усталости в материале не наблюдается существенная диссипация энергии, и магнитуда регистрируемых событий не превышает 2.
Характер процесса качественно меняется при переходе через предел усталости материала. На этапе дисперсного накопления повреждений распределение «больших» событий (с магнитудой более 2) описываются экспоненциальными зависимостями вида f (x ) = aExp(bx 2 ) с показателями a = 0.62 ± 0.09, b = 0.17 ± 0.03. Переход к формированию усталостной трещины сопровождается линеаризацией кумулятивной кривой и выполнением закона Гутенберга-Рихтера с показателем 0.41.
Рис. 4. Распределение магнитуд акустических сигналов на участках нагружения с существенной диссипации тепла (в диапазоне частот 350-2000 кГц). Кривые соответствуют амплитудам напряжения 88,100,112,124,140 МПа (предел усталости 90МПА).
На основе полученных экспериментальных данных в параграфе 4. разработана модель определения временного ресурса образца, позволяющая уточнять прогнозируемое время разрушения в процессе эксплуатации на основе данных об эволюции структуры материала и повреждениях, накопленных в процессе деформирования. Показано, что учет структурных особенностей материала (принципа универсальной делимости) в сочетании с механическими закономерностями взаимодействия структурных элементов позволят получить в численном эксперименте основные стадии эволюции микроповреждений в материале.
Для эффективного использования модели в работе разработана численно-аналитическая схема определения статистических характеристик мезообъёмов материала, позволяющая проводить непрерывное уточнение оценки остаточного ресурса материала. Предложенная схема позволяет работать с системами с большим числом структурных элементов и может быть использована в практических расчётах.
Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию процессов накопления и диссипации энергии в железе при различных скоростях деформирования и условиях нагружения.
В параграфе 5.1 проведено экспериментальное исследование термодинамики процесса квазистатического деформирования армко-железа, разработана методика оценки скорости накопления энергии в материале по данным инфракрасного сканирования, основанная на введении средней температуры a /2 b/2 c/ (T(x, y, z, t ) T )dx dy dz, (t ) = a / 2 b / 2 c / где t - время;
a, b, c - размер области осреднения;
T(x, y, z, t ) - температура;
T0 температура окружающей среды.
Закон сохранения энергии для рассматриваемого объёма может быть записан в виде ah x + bh y + ch x c(t ) = Q e + Q p + 2 (t ).
& (18) abc Скорость накопления энергии может быть представлена как & 1 : dV c(t ) L(V, h )(t ), & (19) = ik & ik V V где L(V, h ) - коэффициент теплообмена рассматриваемого объёма образца с окружающей средой, оцениваемый по скорости охлаждения образа после эксперимента.
Результаты расчёта по формуле (19) для армко-железа представлены на рисунке 5.
Рис. 5. Зависимость напряжения и скорости накопления энергии в образце от деформации для различных скоростей деформации, (скорости деформации: пунктирная линия - 0.5 10 3 ;
сплошная линия - 1 10 3 ;
- 2 10 3 ;
сек-1).
Параграф 5.2 посвящён исследованию процессов накопления и диссипации энергии при циклическом деформировании. В параграфе приведены особенности разработанной оригинальной экспериментальной установки, позволяющей в режиме реального времени исследовать кинетику процессов генерации тепла и акустической эмиссии, сопровождающие эволюцию структуры материала. В результате проведения экспериментов установлена взаимосвязь акустических и тепловых процессов в материале, показана смена масштабно-инвариантных распределений сигналов акустической эмиссии при переходе от дисперсного к макроскопическому разрушению. На рисунке 6 представлен характерный график зависимости изменения температуры и средней скорости генерации сигналов акустической эмиссии от амплитуды приложенных напряжений.
Параграф 5.3 посвящен исследованию процессов накопления и диссипации энергии при динамическом деформировании армко-железа в разрезном стержне Гопкинсона-Кольского. На рисунке 7 представлены результаты высокоскоростного инфракрасного сканирования процесса динамического сжатия железа.
Рис. 6. Зависимости изменения температуры образца и средней скорости генерации сигналов акустической эмиссии за один шаг испытания от амплитуды напряжений ( – средняя скорость генерации сигналов АЭ в диапазоне 50-400 кГц, - средняя скорость генерации сигналов АЭ в диапазоне 350-2000 кГц, – изменение температуры образца).
а) б) Рис. 7. Хронограмма (время между кадрами 10-4 с) процесса динамического деформирования образца в инфракрасном диапазоне при сканировании стандартным объективом (а);
сканирование объективом MW Macro F/3 (б).
На основе динамической зависимости напряжения от деформации рассчитаны величины энергии, накапливаемые в материале при динамическом деформировании. Показано, что доля энергии, накопленной при динамическом деформировании, не превышает долю энергии накопленной при квазистатическом деформировании и имеет тенденцию к уменьшению по мере возрастания скорости и интенсивности деформирования.
Шестая глава диссертации посвящена исследованию влияния характерного размера зерна на процессы накопления и диссипации энергии в металлах. Для достижения поставленной задачи исследовались образцы титана Grade 2 с размером зерна, отличающимся на два порядка.
Субмикрокристаллические образцы были получены методом равноканального углового прессования в Институте перспективных материалов УГАТУ.
Параграфы 6.1 и 6.2 посвящены описанию особенностей субмикрокристаллического и нанокристаллического состояния металлических материалов и методам его получения.
Параграф 6.3 посвящён исследованию процессов квазистатического деформирования крупнозернистых и субмикрокристаллических материалов.
Экспериментально показано, что субмикрокристаллический титан демонстрирует существенное увеличение прочности и качественно иную динамику изменения температуры, при этом доля энергии, накопленной в субмикрокристаллическом титане в процессе деформирования, существенно выше, чем в крупнозернистом аналоге.
Параграф 6.4 посвящён исследованию аномалий процессов диссипации и накопления энергии при динамическом деформировании субмикрокристаллического титана. При переходе от квазистатического к динамическому нагружению титан в обоих состояниях демонстрирует рост значений механических характеристик. При измельчении зерна предел прочности увеличился на 25 процентов, при этом материал охрупчивается и на зависимости напряжения от деформации появился ярко выраженный участок упрочнения.
Анализ полученных данных показывает, что удельная доля диссипированной энергии в нанокристаллическом состоянии не меняется при всех исследованных амплитудах напряжений и скоростях деформаций за исключением интенсивностей нагружения, приводящих к разрушению материала (рис.8). В крупнозернистом титане доля диссипированной энергии растёт с 0,58 до 0,86 при увеличении скорости деформации. В результате сделан вывод о том, что измельчение зерна приводит к созданию в материале нового механизма диссипации энергии, работающего одинаково эффективно при различных скоростях деформации и интенсивностях воздействий.
В параграфе 6.5 проведено экспериментальное исследование аномалий диссипации энергии при циклическом деформировании субмикрокристаллических материалов. Экспериментально подтверждены выводы параграфа 2.6 и показано наличие в субмикрокристаллических материалах эффективного канала диссипации энергии, работающего при различных амплитудах нагружения. Схема эксперимента соответствовала методике Резитано-Лионга. История деформирования включала «циклические» блоки по 30000 циклов, с коэффициентом асимметрии цикла 0.1. Для каждого последующего блока среднее напряжение увеличивалось на 10 МПа. На каждом блоке нагружения измерялось среднее повышение температуры образца. Между блоками образец разгружался и выдерживался до прихода в состояние теплового равновесия с окружающей средой.
Рис. 8. Доля диссипированной энергия в крупнозернистом ( ) и нанокристаллическом титане () в зависимости от скорости деформирования Обработка результатов инфракрасного сканирования показала, что циклическое нагружение нанокристаллического титана сопровождается качественным изменением механизмов диссипации. На рисунке представлены результаты изменения температуры образца за каждый шаг нагружения для образцов крупнозернистого и нанокристаллического титана.
Крупнозернистый титан демонстрирует общеизвестный двухстадийный рост диссипации. При низких амплитудах напряжения нанокристаллический материал диссипирует большую энергию, чем крупнозернистый (рис. 9). При напряжении порядка предела усталости картина качественно изменяется. Для напряжений выше предела усталости приращение температуры в нанокристаллическом образце существенно ниже, чем для образцов в крупнозернистом состоянии.
Анализ пошагового приращения температуры ( dT dS ) показал, что данная величина для нанокристаллического титана является линейной во всём диапазоне исследованных напряжений. Разрушение нанокристаллических образцов имело квазихрупкий характер и происходило при амплитуде напряжений на 40% большей, чем для титана в обычном поликристаллическом состоянии.
По результатам, полученным в данной главе, сделан вывод о том, что интенсивная пластическая деформация приводит к формированию в титане ультрамелкозернистых неравновесных структур, для которых характерно присутствие высоких плотностей решеточных и зернограничных дефектов, формирующих дальнодействующие поля упругих напряжений.
Рис. 9. Изменение средней температуры титановых образцов в крупнозернистом (кривая 1), нанокристаллическом (кривые 2,3) состоянии в зависимости от среднего напряжения при циклическом нагружении.
Это обстоятельство позволяет рассматривать переход в субмикрокристаллическое состояние по аналогии с переходами в критических системах, сопровождающимися аномалиями диссипации и поглощения энергии.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование процессов деформирования и разрушения материалов, сопровождающихся накоплением и диссипаций энергии. В рамках работы созданы оригинальные экспериментальные установки для комплексного исследования структурно кинетических и термодинамических свойств широкого класса материалов при пластическом деформировании и разрушении, разработана методика применения метода инфракрасного сканирования при исследовании задач механики деформируемого твёрдого тела.
К основным экспериментальным результатам работы можно отнести:
1. Исследование процессов диссипации энергии и акустической активности материалов с различным размером зерна при квазистатическом, динамическом и циклическом деформировании;
2. Разработку методов мониторинга процессов дисперсного и макроскопического разрушения, основанных на применении метода инфракрасного сканирования;
3. Разработку экспериментальных методов оценки величины накопленной энергии и теоретическое описание процессов преобразования энергии в материале;
4. Разработку оригинальных экспериментальных установок для исследования процессов взаимосвязи термических, акустических и структурных предвестников разрушения с процессом зарождения усталостных трещин;
5. Исследование масштабно-инвариантных закономерностей (закона Гутенберга-Рихтера) на лабораторном спектре масштабов в псевдопластичных и пластичных материалах, установление стадийности смены масштабно-инвариантных закономерностей распределения сигналов акустической эмиссии при циклическом деформировании и разрушении;
6. Исследование термодинамики процессов деформирования объёмных субмикрокристаллических материалов;
установление аномалий диссипации энергии при циклическом и динамическом нагружении.
В теоретической части работы на основе статистическо термодинамического описания эволюции ансамбля мезодефектов развиты определяющие соотношения, описывающие баланс энергии в материале.
Предложенные определяющие соотношения позволили теоретически объяснить и провести численное моделирование ряда нелинейных эффектов, наблюдаемых в процессе деформирования и разрушения металлов. Анализ определяющих уравнений позволил обосновать возможность иерархического рассмотрения процессов деструкции и разработать статистическую модель оценки прочностных свойств материала, использующую для уточнения оценки времени разрушения информацию об уникальной истории деформирования образца.
Полученные теоретические результаты и выводы можно обобщить следующим образом.
1. Решена статистическая задача об эволюции ансамбля мезодефектов, что позволило предложить оригинальное разложение пластической деформации на диссипативную и недиссипативную составляющие;
разработать теоретическую модель накопления и диссипации энергии в металлах.
2. Разработаны феноменологические модели, позволяющие описать режимы деформирования и диссипации энергии при распространении волн локализованной пластичности и разрушения материалов динамической стохастичности при распространении трещин.
3. На основе разработанной методологии применения метода инфракрасного сканирования в задачах механики деформируемого твёрдого тела при квазистатическом, динамическом и циклическом нагружении, предложены методы обработки экспериментальных данных, позволяющие определить скорость накопления энергии в материале.
4. Разработаны оригинальные методы мониторинга момента зарождения и текущего положения усталостных трещин, основанные на анализе корреляционных свойств поля температуры и генерации старших гармоник.
5. Проведено исследование влияния размера зерна и характера процесса деформирования на скорость накопления энергии в материале;
теоретически и экспериментально показана аномально высокая диссипативная способность объёмных субмикрокристаллических материалов при циклическом нагружении.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Naimark O.B., Davydova M.M., Plekhov O.A. Failure scaling as multiscale instability in defect ensemble. Proceedings of NATO Advanced Research Workshop on PROBAMAT-21st Century. in G. N. Frantziskonis (eds.). Kluwer Academic Publishers. Dordrecht Netherlands. 1997. P. 127-143.
2. Наймарк О.Б., Плехов О.А., Уваров С.В. Экспериментальное и теоретическое исследование нелинейной динамики трещин // Математ.
моделир. систем и процессов: Межвуз. сб. науч. тр./ Перм. Гос. Техн. Ун т. – Пермь. 1998. N 6. C. 51-58.
3. Наймарк О.Б., Давыдова М.М., Плехов О.А., Уваров С.В.
Экспериментальное и теоретическое исследование динамической стохастичности и скелинга при распросиранении трещин // Физическая мезомеханика. 1999. т. 2, N3. C. 47-58.
4. Naimark O.B., Davydova M.M., Plekhov O.A., Uvarov S.V. Nonlinear and structural aspects of transitions from damage to fracture in composites and structures // Journal of Computer and Structures. 2000. v. 76/1. P. 67-75.
5. Plekhov O.A., Eremeev D.N., Naimark O.B. Failure wave as a resonance excitation of collective burst modes of defects in shocked brittle materials // J.
Phys. IV. 2000. N10. P. Pr9-811-Pr9-816.
6. Plekhov. O. A. Modeling of stochastic properties of fast cracks in quasi-brittle materials. // Computational Materials Science. 2003. N28/3-4. P. 462- 7. Plekhov O. The modeling o mesodefect kinetics peculiarities on a stress wave front. // J. Phys. IV. 2003. N110. P. 75-80.
8. Plekhov O., Palin-Luc T., Naimark O., Uvarov S., Saintier N. Fatigue crack initiation and growth in a 35CrMo4 steel investigated by infrared thermography // Fatigue and fracture of engineering materials and structures. 2005. V 28, I 1, P. 169-178.
9. Plekhov O., Naimark O., Uvarov S. Thermodynamical model of energy dissipation in metals under quasi-static and cyclic loading. // Mechanika. 2005.
N 305. v.2. P. 200-206.
10. Plekhov O., Saintier N., Palin-Luc T., Uvarov S., Naimark O. Theoretical analysis, infrared and structural investigation of energy dissipation in metals under quasi-static and cyclic loading // Material Science and Engineering A.
2007. V. 462 N.1. P. 367-370.
11. Plekhov O., Uvarov S., Naimark O. Theoretical and Experimental Investigation of Dissipated and Stored Energy Ratio in Iron under Quasi-Static and Cyclic Loading. // Strength of materials. 2008. N1(391) P. 101-105.
12. Naimark O., Plekhov O., Proud W., Uvarov S. Collective modes in the microshear ensamble as a mechanism of the failure wave. // Strength of materials. 2008. N1(391). P. 105-109.
13. Наймарк О.Б., Баранников В.А., Давыдова М.М., Плехов О.А., Уваров С.В. Динамическая стохастичность и скейлинг при распространении трещины // ПЖТФ. 2000. т. 26, N6. C. 67-77.
14. Плехов О., Palin-Luc T., Saintier N. Исследование процесса генерации старших гармоник в температурном поле при циклическом усталостном нагружении // Физическая мезомеханика. 2004. в.7 N 1. C. 397-400.
15. Уваров С., Михайлов Е., Плехов О., Palin-Luc T. Анализа поверхности стали 35CrMo4 при много цикловой усталости // Физическая мезомеханика. 2004. в.7 N 1. C. 401-404.
16. Плехов О., Уваров С., Наймарк О., Palin-Luc T. Экспериментальное исследование усталости металлов методом инфракрасной термографии // Деформация и разрушение материалов. 2005. N.11. C. 39-43.
17. Уваров С.В., Плехов О.А., Николаева Е.А., Оборин В.А., Баранников В.А.
Исследование откольного разрушения армко-железа. // Физика экстремальных состояний вещества. 2006. Сборник статей. Черноголовка, С. 96-97.
18. Naimark O., Plekhov O., Proud W., Uvarov S Damage-failure transition: crack branching, fragmentation, failure wave. SHOCK COMPRESSION OF CONDENSED MATTER - 2007: Proceedings of the Conference of the American Physical Society Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter Published. 2007. P.103-105.
19. Плехов О., Santier N., Наймарк О. Экспериментальное исследование накопления и диссипации энергии в железе при упруго пластическом переходе // ЖТФ. 2007. в.52.N 9. C. 1236-1238.
20. Плехов О.А., Пантелеев И.А., Наймарк О.Б. Накопление и диссипация энергии в металлах как результат структурно-скейлинговых переходов в ансамблях дефектов // Физическая мезомеханика. 2007. Т.10, № 4. С. 5-13.
21. Плехов О., Семёнова И., Валиев Р., Saintier N., Palen-Luc T.
Экспериментальное исследование аномалий диссипации энергии в нанокрокристаллическом титане при циклическом нагружении // ПЖТФ.
2008. т. 34 в.13. C. 33-40.
22. Naimark O., Plekhov O. Strustural-scaling transitions in mesodefect ensembles and properties of bulk nanostructural naterials. Modeling and experimental study. IUTAM Symposium on Modelling Nanomaterials and Nanosystems, IUTAM Bookseries, Volume 13. Springer Netherlands, 2009, p. 271- 23. Плехов О.А., Чудинов В.В., Леонтьев В.А., Наймарк О.Б. Исследование особенностей диссипации и накопления энергии в нанокристаллическом титане при квазистатическом и динамическом нагружении // Вычислительная механика сплошных сред. 2008. т.1, N 4. С. 69-78.
24. Пантелеев И.А., Плехов О.А., Оптимизация предсказания времени разрушения твёрдых тел на основе представления об иерархической природе деформации и анализа истории нагружения // Молодёжная наука Прикамья. 2008. в. 9. C. 153-157.
25. Чудинов В., Плехов О., Леонтиев В., Наймарк О. Экспериментальное исследование закономерностей диссипации энергии при динамическом деформировании нанокристаллического титана // Молодёжная наука Прикамья. 2008. в. 9 C. 213-218.
26. Плехов О.А., Пантелеев И.А. Оптимизация предсказания времени разрушения твёрдых тел на основе представления об иерархической природе деформации и анализа истории нагружения // Физическая мезомеханика. 2008. т. 11, N6. C. 53-60.
27. Плехов О.А., Наймарк О.Б. Теоретическое и экспериментальное исследование диссипации энергии в процессе локализации деформации в железе // ПМТФ. 2009. т. 50, в.1. C. 153-164.
28. Плехов О., Чудинов В., Леонтьев В., Наймарк О. Экспериментальное исследование закономерностей диссипации энергии при динамическом деформировании нанокристаллического титана // ПЖТФ. 2009. т. 35, в 2.
C. 82-90.
29. Plekhov O., Naimark O., Valiev R., Semenova I. Investigation of energy balance in nanocrystalline titanium under cyclic loading // Damage and Fracture Mechanics, Boukharouba, Taoufik;
Elboujdaini, Mimoun;
Pluvinage, Guy (Eds.). Springer Netherlands. 2009. p. 386-391.
30. Плехов О.А., Наймарк О.Б., Saintier N., Palin-Luc T. Упругопластический переход в железе: структурные и термодинамические особенности // ЖТФ. 2009. т. 79. в. 8. C.56-