Многомасштабные закономерности локализации пластической деформации и разрушения металлов при динамическом нагружении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат физико-математических наук Ляпунова, Елена Аркадьевна

• Ляпунова, Елена Аркадьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ляпунова, Елена Аркадьевна

Введение.

Глава 1. Многомасштабная природа пластической деформации. Современные представления о процессах пластичности и разрушения.

1.1. Структурные уровни деформации и разрушения.

1.2. Структурные изменения в металлах при динамическом нагружении.

1.3. Закономерности формирования микрорельефа поверхностей разрушения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многомасштабные закономерности локализации пластической деформации и разрушения металлов при динамическом нагружении»

Актуальность темы. Согласно современным представлениям, деформируемое твердое тело является иерархически организованной системой, в которой пластическое течение согласованно развивается на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях. Исследования A.B. Степанова, Э.В. Козлова, В.А. Лихачева, JI.A. Тепляковой, H.A. Коневой, В.Е. Панина, Л.Б. Зуева, Л.Р. Ботвиной, D. Kuhlmann-Wilsdorf, N. Hansen, Е. С. Aifantis, S. Nemat-Nasser, A. Pineau и др. позволили установить основные закономерности локализации деформации и формирования дефектных структур в моно- и поликристаллах.

Существенная неоднородность пластической деформации, а также универсальный характер образующихся дислокационных структур, подтверждают тот факт, что отклик материала на внешнее воздействие на макроуровне определяется эволюцией его внутренней структуры на всем спектре масштабов. Эта особенность поведения материала обуславливает необходимость рассмотрения деформационных процессов с единых позиций на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях.

Наряду с общими для квазистатических задач закономерностями, процессы динамического деформирования материалов обладают рядом специфических особенностей, требующих детального исследования. К таким вопросам относятся стадийность и механизмы зарождения и развития трещин, критерии разрушения и т.д. Ценным источником информации о деформационных процессах является микрорельеф вновь образованных поверхностей, поскольку он отражает характерные стадии прохождения магистральной трещины и закономерности локализации пластической деформации и разрушения на всех масштабных уровнях.

Было установлено, что сложный и нерегулярный рельеф поверхностей разрушения обладает свойством масштабной инвариантности (самоафинности), и его можно описать с помощью безразмерных параметров подобия (фрактальная размерность, параметр Херста и др.), проявляющих универсальный характер для широкого круга материалов. Значительный вклад в развитие этих представлений внесли В.В. Mandelbrot, J. Feder, М. Zaiser, G. Ananthakrishna, M. Wnuk, М. Needleman, A. Carpinteri, Е. Bouchaund, J. Weiss, J. Schmittbuhl, N. Fardin, JJ. Gilman, B.C. Иванова, Jl.P. Ботвина, A.A. Шанявский, P.B. Гольдштейн, Г.В. Встовский и др. Необходимо отметить, что в большинстве этих работ изучается формирование поверхностей излома при распространении трещины в условиях растягивающих напряжений (М. Wnuk, М. Needleman, Е. Bouchaund, J. Schmittbuhl и др.).

В настоящей работе исследуется многомасштабные свойства процесса разрушения, развивающегося в условиях неустойчивости пластического сдвига и локализации деформации в узкой зоне материала. При этом формирование поверхностей разрушения зависит от многих факторов: эволюции микроструктуры и напряженного состояния по мере продвижения ударника в материал мишени, а также скоростной чувствительности деформационных процессов. Задача количественного анализа микрорельефа поверхностей разрушения, образованных в процессе формирования и выноса пробки, представляется актуальной, поскольку может дать ценную информацию о механизмах неустойчивости пластического сдвига и разрушения при динамическом нагружении.

Новизна работы определяется тем, что для динамического разрушения, сопровождающегося неустойчивостью пластического сдвига и локализацией деформации, количественный анализ микрорельефа поверхностей разрушения в терминах масштабно-инвариантных характеристик и сопоставление последних со стадийностью разрушения проведены впервые.

Целью работы является установление взаимосвязи между механизмами интенсивной деформации и масштабно-инвариантными закономерностями развития разрушения в металлических мишенях при динамическом пробивании по схеме формирования и выноса пробки.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. выявление механизмов и общих закономерностей локализации деформации и разрушения металлических мишеней, а также особенностей формирования микрорельефа поверхностей разрушения методами микроструктурного анализа;

2. выбор наиболее достоверных методов количественного анализа данных о микрорельефе поверхностей разрушения и верификация этих методов на синтезированных самоафинных сигналах различной шероховатости;

3. определение структурной чувствительности выбранных методов на примере количественного анализа данных о микрорельефе, выявляемом при электрохимической полировке металлических поверхностей;

4. количественный анализ данных о микрорельефе поверхностей разрушения в терминах масштабно-инвариантных параметров;

5. сопоставление результатов микроструктурных исследований и данных количественного анализа морфологии поверхностей разрушения.

Положения, выносимые на защиту:

1. результаты микроструктурных исследований деформированных образцов, позволивших установить многомасштабный характер локализации пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1;

2. результаты количественного анализа микрорельефа поверхностей разрушения, выявившего взаимосвязь между стадийностью разрушения и особенностями микрорельефа поверхностей разрушения;

3. результаты исследований эволюции микрорельефа металлических поверхностей в ходе электрохимической полировки, показавших структурную чувствительность применяемых методов количественного анализа данных;

4. связь масштабно-инвариантных параметров микрорельефа поверхностей разрушения с механизмами локализации пластической деформации и разрушения;

5. выявленные закономерности формирования поверхностей разрушения при динамическом нагружении в условиях перехода от механизма локализации пластической деформации к разрушению.

Достоверность результатов вычислений масштабно-инвариантных характеристик обусловлена применением взаимодополняющих методов количественного анализа данных, корректностью используемых методов, их апробацией на синтезированных профилях, соотнесением с результатами микроструктурных исследований, а также согласием полученных результатов с данными других авторов.

Личный вклад автора заключается в совместной с научным руководителем постановке задач и целей исследования, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, проведении микроструктурных исследований, обработке данных и анализе полученных результатов, написании научных статей. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов по пробиванию металлических образцов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVI, XVII Зимняя школа по механике сплошных сред «Механика сплошных сред как основа современных технологий», Пермь (2009, 2011), Всероссийская научно - инновационная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент», Тамбов (2009), всероссийская конференция молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах», Пермь (2009, 2010), XIX, XX Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург (2010, 2012), V Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (MPFP-2010) Тамбов (2010), 37th solid mechanics conference,

Warsaw (2010), XXV International Conference on Equations of State of Matter, Elbrus (2010), International Workshop «Advanced Problems of Mechanics and Physics of Mesoscopic Systems», Perm (2011), Международная конференция XIII Харитоновские тематические научные чтения «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны», Саров (2011), 5th International Symposium on Defect and Material Mechanics ISDMM11, Seville, Spain (2011), 2nd International Conference on Material Modeling ICMM, Paris, France (2011), Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному моделированию и разработке новых материалов, Томск (2011), XXI всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь (2011).

Целиком материалы диссертационной работы обсуждались на заседании кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ, на семинаре кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, на семинаре в Институте механики сплошных сред УрО РАН.

Публикации: основные результаты по материалам диссертации представлены в 36 научных публикациях, из них 10 статей в российских журналах, в том числе 3 в журналах, рекомендуемых ВАК, 1 статья в рецензируемом зарубежном журнале и 26 статей в периодических сборниках и трудах международных и российских конференции

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и выводов по результатам исследования. Работа изложена на 145 страницах и содержит 79 рисунков, 13 таблиц, список цитируемой литературы из 117 наименований.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Ляпунова, Елена Аркадьевна

Выводы по диссертационной работе

Методами оптической, сканирующей электронной, просвечивающей электронной микроскопии проведен микроструктурный анализ деформированных образцов-мишеней. Измерения микротвердости продольных сечений сохраненных образцов позволили определить ширину слоя, вовлеченного в процесс локализации деформации.

Показан многомасштабный характер локализации пластической деформации и разрушения в сильнодеформированных слоях мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1. Установлены механизмы локализации деформации и разрушения, а также стадийность процессов проникания в исследуемом диапазоне скоростей соударения.

На примере генерированных самоафинных сигналов различной шероховатости найдены границы достоверного определения масштабно-инвариантных параметров используемыми методами. Показана чувствительность применяемых методов к изменениям микрорельефа, выявляемого в процессе электрохимической полировки металлических поверхностей, и возможность использования масштабно-инвариантных параметров в качестве независимых характеристик микрорельефа поверхностей.

На основе верифицированных методов вычисления масштабно-инвариантных параметров проведен количественный анализ поверхностей разрушения образцов из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1. Показано, что в случае низких скоростей соударения незначительно превышающих баллистический предел V 6аллист) на поверхностях разрушения формируются две зоны с характерным рельефом, соответствующим различным режимам развития разрушения. Первая зона интенсивной пластической деформации, имеющая признаки вязкого разрушения, характеризуется сильно шероховатым рельефом и низкими значениями масштабно-инвариантных параметров (0,4.0,6 для метода среднего размаха). Переход ко второй зоне, обладающей признаками квазихрупкого разрушения, соответствует скачку величин масштабно-инвариантных параметров (0,5.0,9 для метода среднего размаха) и формированию крупномасштабных структур.

Показано, что для скоростей соударения, существенно превышающих баллистический предел (~2.2.5 У6аллист), микрорельеф поверхностей разрушения не обнаруживает признаков стадийности для обоих исследованных материалов, при этом больший разброс значений масштабно-инвариантных параметров свидетельствует о существенном влиянии микроструктурных неоднородностей на распространение разрушения.

135

Заключение

Проведенный микроструктурный анализ позволил выявить многомасштабный характер локализации пластической деформации и разрушения, протекающих в сильнодеформированных слоях мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1 в области реализации значительных сдвиговых деформаций в условиях динамического нагружения. Установлены механизмы локализации деформации и разрушения, а также стадийность деформационных процессов.

На основе верифицированных методов определения масштабно-инвариантных параметров проведен количественный анализ поверхностей разрушения образцов из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1. Установлено, что при относительно невысоких скоростях ударника наблюдается выраженная стадийность развития разрушения: происходит формирование областей с характерным микрорельефом, каждой из которых соответствуют свои значения масштабно-инвариантных параметров и пространственных масштабов. Скачок величин масштабно-инвариантных параметров связывается с переходом от относительно медленного распространения разрушения вследствие интенсивной пластической деформации, вызывающей формирование сильношероховатого рельефа, к высокоскоростному распространению разрушения на финальном этапе, которому соответствует формирование крупномасштабных структур.

Все используемые методы определения параметров скейлинга показали непротиворечащие друг другу результаты; при этом методы ИРА и Ктах оказались наиболее чувствительными к изменениям характера рельефа.