Введение к работе
Актуальность темы. Исследование влияния диссипативных процессов на условия возникновения неустойчивостей разрушения и тепловых неустойчивостей в твердотельных системах, содержащих макродефекты, представляет значительный интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Наличие макродефектов (трещин, полостей и т.д.) приводит, во-первых, к концентрации механических напряжений в условиях механического нагружения. Во-вторых, наличие макродефектов в проводящих материалах способствует перераспределению (концентрации) плотности тока. Указанные особенности, характеризуясь сингулярным поведением упругих или электромагнитных полей в окрестности дефекта, приводят к возникновению интенсивной диссипации энергии.
Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию критериев устойчивости трещины и динамики ее роста, вопрос о влиянии диссипированной при разрушении мощности на условия возникновения и характер протекания процесса разрушения в литературе практически не рассматривался. Между тем, эффекты разогрева, возникающие в результате протекания диссипативных процессов различной природы (пластическая деформация материала, вязкость, джоулево тепловыделение и др.) могут изменить физические свойства материала, и, как следствие этого, оказать существенное влияние на его прочностные характеристики и динамику разрушения.
Исследование данной проблемы является наиболее актуальным для таких материалов, как полимеры, а также для высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов, используемых в сверхпроводящих магнитных системах в области криогенных температур. Характерной особенностью ВТСП-материалов является квазихрупкость разрушения, наличие критической температуры перехода в нормальное состояние, а также малые
значения теплоемкости материала, способствующие резкому возрастанию интенсивности локального разогрева. Полимеры, в свою очередь, характеризуются сильной температурной зависимостью параметров материала (предел текучести, поверхностная энергия, модуль Юнга и др.), а также существованием температуры фазового перехода из стеклообразного состояния в вязкое. Поэтому, при определении критериев возникновения неустоичивостеи разрушения и тепловых неустоичивостеи в указанных типах материалов, необходимо самосогласованное описание тепловых, механических и электромагнитных полей.
Целью работы являлось исследование влияния диссипативных процессов на критерии устойчивости трещины и динамику ее роста в упруго-пластических материалах, а также на условия возникновения тепловых неустоичивостеи токонесущего состояния вблизи трещинновидных макродефектов в проводниках.
Научная новизна.
1. На основе концепции неизотермического разрушения, предложенной
в |Л1] исследовано совместное влияние джоулевой диссипации и
пластической деформации материала на динамику роста трещины в
проводящих материалах с током. Определены пороговые размеры
трещин и плотностей тока, для которых реализуется условие
неустойчивости, а также исследована динамика роста трещины.
Обнаружен новый режим динамики роста трещины, обусловленный
эффективным взаимодействием диссипативных процессов различной
природы, обсуждена возможность его экспериментального
наблюдения.
2. В рамках неизотермического подхода впервые исследован режим
неавтомодельного роста трещин в полимерах. Сформулирована система
эволюционных уравнений, описывающая динамику роста трещины с
учетом геометрии исследуемого образца, условий нагружения, а также
реальных температурных зависимостей параметров материала.
Исследована динамика роста трещины, обсуждены механизмы и
условия возникновения ее ареста (остановки). Получено хорошее
соответствие между результатами численного анализа системы эволюционных уравнений и экспериментальными данными [Л2]. 3. Получены критерии возникновения тепловых неустойчивостей вблизи трещинновидного дефекта, обусловленных движением абрикосовских вихрей в сверхпроводящих пленках.
Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты:
-
могут служить методической основой при расчетах режимов устойчивости сверхпроводящих магнитов, изготовленных как из ВТСП материалов, так и из низкотемпературных сверхпроводников:
-
позволяют определить неизотермические критерии устойчивости трещин, что может быть использовано при оценке прочностных характеристик конструкций, использующих в качестве рабочих элементов исследуемые геометрии;
2. могут быть использованы при расчете реальной токонесущей способности сверхпроводящих пленок с макродефектами.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на
Международной конференции по криогенным материалам (Киев 1992
г.), на Международной конференции по основам разрушения ICFF-IV
(Japan, 1993 г.), на Европейской конференции по прикладной
сверхпроводимости (Gettingeri, Germany, 1993), на Международной
конференции по криогенным материалам (Albuquerqe, USA, 1993), на 1-й
Российской университетской-академической конференции
(Ижевск, 1993 г.), на I Российском симпозиуме по механике твердого тела (Санкт-Петербург, 1994 г.), на 7 Международном семинаре по критическим токам в сверхпроводниках (Alpbach, Austria, 1994 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 10 публикациях, список которых приведен в конце автореферата. Работа выполнена в рамках исследований по грантам Госкомвуза Российской федерации (грант № 242-539), Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 93-02-16876), а также Международного научного Фонда (грант № R8J000). Часть исследований проведена в
рамках программы Немецкой Службы Академических Обменов (DAAD).
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Локальный разогрев вблизи вершины трещины вследствие
пластической деформации материала приводит, при определенных
условиях, к возникновению термомеханической неустойчивости
разрушения трещин малых размеров.
2. Джоулево тепловыделение в привершинной области
трещинновидных дефектов больших размеров способно привести к
возникновению тепловой неустойчивости. Совместное влияние
джоулева тепловыделения и диссипации, обусловленной
пластической деформацией материала, приводит к появлению
коллективной тепловой неустойчивости, характеризующейся "мягким"
режимом возбуждения.
3. Теоретически описана динамика разрушения полимерных
материалов. Развитая теория дает хорошее соответствие с
экспериментом |Л2].
4. Диссипативные процессы, обусловленные движением абрикосовских
вихрей вблизи краев трещинновидного дефекта, могут привести к
возникновению тепловой неустойчивости токонесущего состояния в
сверхпроводящей пленке. Найдена температурная зависимость
пороговой плотности тока, соответствующей неустойчивому режиму.
Объем н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка используемой литературы. Работа изложена на 92 страницах, включая 21 рисунок. Список литературы содержит 39 наименований.