Введение к работе
Актуальность темы. Все современные конструкционные материалы на металической, керамической и полимерной основах представляют собой сложно организованные системы с существенно неоднородной внутренней структурой. Среди задач теоретического изучения и моделирования их физико-механических свойств можно выделить три взаимосвязанных проблемы: 1) моделирование механизмов деформации и разрушения; 2) исследования реакции материалов и элементов конструкций, включая пластическую деформацию и разрушение, яа различные виды вагружения; 3) конструирование новых материалов, обладающих заданных комплексом эксплуатационных свойств. Эти проблемы объединяет то, что при их решении необходимо развитие единой методологии, объединяющей достижения физики твердого тела, механики деформируемого тела, теоретического материаловедения в вычислительных методов. На современном уровне решения всех этих проблем уже нельзя обойтись односторонним изучением, например, расчетом напряженно-деформированного состояния материала как однородного континуума или изучением механизмов пластического течения и упрочнения при вагружевви традиционными методами физика твердого тела. Однако благодаря успехам в этих традициоввых подходах появилась возможность разработки более общей, методологии изучения поведения материала как иерархически организованной системы структурных уровней деформации и разрушения. Такое представление позволяет решать перечисленные выше проблемы комплексно, изучая эволюцию внутренней структуры материала на микро-, мезо- и макроуровнях, в их взаимосвязи и взаимообусловленности. Успехи вычислительной математики и компьютерной техники позволяют разработать аффективные численные методики для решения подобных задач. В настоящее время успешно развивается новое научное направление -физическая" мезомехавика структурно неоднородных сред, которая основывается на идеях структурных уровней деформации и разрушения и представлениях об элементарных носителях пластических деформаций. Особенно эффективной методология меэомеханики оказывается в ее применении к проблемам конструирования новых материалов и технологий их изготовления,
так как только взятая в ее взаимодействии микро-, мезо- и макроорганизация внутренней структуры материала способна обеспечить ему необходимые прочностные и иные свойства. Именно развитию методов мезомехапики и приложению ее подходов к расчету упруго-пластического поведения материалов ери нагруженип и посвящена работа.
Основные результаты работы получены в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН, на кафедре проектирования н прочности Томского госуянверситета, в НИН прикладной математики и механики при Томском госуниверситете. Исследования проводились сперва в рамках важнейших тем кафедры и НИИ прикладной математики и механики, затем по приоритетному направлению "Компьютерное конструирование новых материалов" в государственной научно-технической программе "Новые материалы" и по международному проекту "CADAMT" (Computer-Aided Design of Advanced Materials and Technologies).
Цели раипы. 1. Одна из основных целей работы методологическая, заключается в разработке методики и математического описання упруго-пластігческого' деформирования материала как иерархически организованной системы структурных уровней деформации и разрушения: микро-, мезо- и макроуровней.
2. Описание стадии предразрушения материала на мезоуровне как локализованной пластической деформации с развитыми поворотами.
8. Разработка релаксационного определяющего уравнения с дислокационной кинетикой пластических сдвигов па микроуровне.
-
Анализ эффектов вязкости и сдвиговой прочности металлов в ударных волнах с позиции развитой методологии.
-
Приложение развитого подхода в виде модельных расчётов к анализу процессов деформации мезообъёмов поликристаллических и композиционных материалов.
Эти положения гыпосятся на защиту.
Научная новизна. Развита математическая модель, в которой макрочастица материала рассматривается как представительный мезообъём, в котором явно учитываются основные особенности ыезоскопического строения материала: границы зёрен или иных фрагментов, неоднородность прочностных характеристик, твёрдые
включения, выделения различных фаз и т.д.; пластическая деформация в каждоіі точке кезообт,ёма обеспечивается элементарными носителями микроскопического масштабного уровня. Для описання пластически:: сдвигов, возникающих вследствие перемещенная дефектов, построены релаксационные определяющие уравнения с дислокационной кинетикой пластического деформирования. Таки;; образом достигается триединое описание процесс^ деформации па микро-, мззо- и макроуровнях.
Нагру:кеннып материал представлен как иерархически организованная система структурных элементов разным масштабов, которая эволюционирует и способна к сомооргаппзацип под внешними воздействиям::. Такая концепция впервые позволила з рамках единой методология и общего математического описання Объединить подходы :: результаты, полученные в физике и механике деформируемого твердого тела.
Развитый, подход, а котором определяющие уравнения записаны в релаксационной форме с дислокационной кинетикой для скоростей пластігческнх едзнгоп, впервые позволил описать т. рамках общей модели эволюцию удярповоллотп.п: фронтов, процессы редякезцнп, разгрузки и эффекты сдвиговой прочности материалов в ударным волна:-:. Показано, что релаксация упруги:; предвестнике:;, релаксационные процессы во фронтах слабых, сильных ударных 'волн и в разгрузке материала управляются различными физическими механизмами. Поцапали определяющая роль нораановееных релакспрующцх, составляющих полного напряжения в развитии пластических деформаций при удпрног.олновом ийгруксошш материала.
Впервые смоделированы процессы локализации деформации а
цезообъёмах материала, обусловленные неоднородностью его
шіутреппего строения. Показано, что нарастание локализованной
пластической деформации ведёт к резкому увеличению (выбросу)
поворота в этой области. Этот аффект положен в основу нового
метода неразрущающего коптроля тяисслоппгрулсенных
конструкций. Метод запатентован в России, Японии, США. Расчёты показали, что мезовпхревые структуры и повороты локальных областей структурно-неоднородных материалов играют важную роль как в процессе развития пластической деформации, так к на стадии
upczs-uspyviuuiti, Зі'рЛч'е-.; разрушение }.>псс.\іатрньаетея как специфический at а в эи&аохЬШ Заутренней ынкро н мезаструктуры, і;агда яашех'одцт 6;.e&ty0i;iia пластических сдвигов к, схь&о&ксяьиа, раскрытие Шій и :іаі;ротрс;цші остаётся СдЯНСт-йеЦЦЫМ Механизма:-.; Йнс'с';т:ап,ш: подводимой к материалу ьиергяи,
Д(ХУТЩ^клгті.,иат;у^б^-ш^г^Ді.;гпто;] соесиочнззотси матемй-їичєскоГі коррактностыс цостШюк;( задачи, исследованием влиянии наракотроа разностных сх ЄЯ іій результаты расчётов, проаедеписм тестевых расчетов, хорошим качественным і; количественны:.* совпадением результатов с соотв'ете'тау-ющпми экспериментами.
Шучноси щ1aaiтmШllOCLйШ^aШU^ІLMІlШn^ Работа имеет прежде
всего методическое значение, так как развиты^ подход, подученные
модели, разработанные алгоритме її программы мои'.но
рассматривать как каучно-тоорстнчсску;о основу методой
компьютерного конструировании прочные материалов. Метод мо:кет
Сыть широко применён ара моделировании процессов кагруїксннл
конструкционных материалов со слонсноГ: внутренней структура;': и
элементов конструкции но таких материалов, крк реаіеїшн
различных прикладных задач, где требуются расчёты на прочность
и ра:;руи:е:;ке. Естественным лвдлстся распространение метода^ а
также y.v.e разработанных программ, к решению задач
упруголласткческого доформнропаннл и разрушения
композиционных, материалов :: изделии на кпд.
Результаты иссл едала;',;;;';, изложенные і; третьої; :; четвёртой глава:-: могут быть использованы при анализе процессов удгфноволногіого деформирования материалов і: элементов конструкции авиационной і; азрокосмичеекии техники, а так;ке при проектировании образцов нойон техники.
Часть результатом иаи.-да применение при покіе-.чнн пройдем высокоскоростного исакмодеаетвня: (БНІШ сталей г. Москва, АШШХТ г, Вийск). Методы з; рагработоапые программы нсподьсу'этея г-рк раСотс: над проектами приоритетного направления; "Компьютерное конструирование пока:* латсриалоа и текиодегик" государственной - іілучио-техішчсснай прогримим "Коаие материалы".
Латором диссертации разработай новый лекционный кург "Методы мкиитшщ сред со структурой-', который у;ке четыр-з года
Всесоюзном симпозиуме ПО тлЛі'.рос^оїшчссііоГі кн.чети:;.'- и ;:н5П!чес:;оп газолшкшпко п Ллмл.Дтл (103! г.). на V7T Всесоюзной конференции по прочности н пластичности (Горький. 1973 г.), на семинаре ' "AicTya.ibmvo проблемы прочности і; пластнчецкаг; деформация сп.чпиог. и порогпіогл-іх маторналоп" (Томск, 1932 г.), на Пс'еоіолиом симпозиуме "Ползучесть г. копструнцил::" (ДігС'.'ірогготрОїіСі:, 1ПЯ2 г.), на республиканской конференции но принладп-")"! математике и механике (Томск, 19В" г.), па семі.чгаро "Тсрмоме::аннка пластической деформации" (Томсг., 1983 г.), їм X Всесоюзной конференции "Фнапка прочности и пластичности металлов и сплапоп" (КуГ;Г>ышоп, 3 933 г.), на семинара:: "Ротацпопнне улдм деформации" и "Структурные аспекты локализации деформации и раарутепня" (Харьков, 1936 г.), на XIII научном семинаре "Влияние пысоцих давлении на г-мцестпо" (Клоп, 1989 г.)і "a щно.'іо-ссмипяро "Фундаментальные проблемы физики ударных поди" (Лаау, 19R7 г.), на монгдународном симпозиуме НТТАГ'Г Symposium "Nonlinear Deformation Waves" (Таллин, 1082 г.), па международной конференции EUROMAT-91 "The 2nd European Conference on Advanced Materials and Processes" (Великобритания, Кембридж, 1091 г,), на объединённой конференции "Joint АЩЛРТ/ЛРо СепГегепсс" (США, Колорадо Сирнигс, 1993 г.), на дпу^ международных конференциях DYMAT-91 (Франция, Страсбург, 1991 г.) и DYMAT-94 (Великобритания, Оксфорд, 1994 г.), па втором Российско-китайском симпозиуме
f-
"Advanced Materials and PrccssEca" {Китай, Слань, 1DD3 г.), на кеждуигрэдной конференции "Новые методы а физике и механике деформируемого твёрдого тела" (Терскол, 1600 г.), на трёх яеждулародшлх семинарах по компьютерному конструированию материалов CADAMT-01, CADAMT-92, САЙАМ'Ґ-OS, (Томск, 1091, 1092, 109У rr«)i на международном симпозиуме "Shape Memory Materials - SxMMC4" (Кмгай, Пекин, 19М г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ, s том числе глава в монографии, другая монография, где три главы написаны автором диссертации, находится в печати (Сибирское отделение издательства "Наука'" si "Cambridge liiterscience Publishing"). Список основных публикаций приведен. в конце автореферата.
Объём и структура работы. Диссертация coefdift ііз введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Обт.Зм диссертации составляет 186 страниц, 80 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит S7S наименований.
