Закономерности упругопластического течения и разрушения в зонах локализованной деформации, инициированных концентраторами напряжений Деревягина, Людмила Сергеевна

Введение к работе

Актуальность темы. Разрушение является сложнейшим кинетическим, вероятностным (статистическим), а также многостадийным процессом зарождения, накопления и роста трещин под действием внешних, и внутренних напряжений, развивающимся на разных масштабных уровнях структуры тела и заканчивающимся образованием новых поверхностей в масштабе всего образца. Несмотря на большое число публикаций, посвященных изучению физических процессов при разрушении, эта тема по-прежнему остается в поле пристального внимания исследователей. Ее актуальность обусловлена тем, что с практической точки зрения, разрушение может быть катастрофически опасным и его надо уметь предотвращать или полезным, и в этом случае надо уметь способствовать его развитию.

К настоящему моменту инженерная теория прочности, основанная на учете реальных физических процессов деформации и разрушения, пока не создана. По словам Штремеля М.А. [1], оправданы и будут сделаны большие вложения в физику разрушения, в понимание процессов и принципов, указывающих пути к созданию высокопрочных материалов.

Самым распространенным, оперативным и экономичным методом оценки механических свойств и разрушения в широком диапазоне температур является испытание металлических материалов на растяжение. Вероятно, поэтому большое количество экспериментальных и теоретических работ посвящено анализу разрушения и локализованной пластической деформации, предваряющей процесс разрушения в шейке. Несмотря на большое внимание к этому вопросу, эти исследования не носят системный характер, как правило, проведены в одноуровневой микроскопической или макроскопической постановке. Наиболее слабо изучены и количественно аттестованы физические процессы, происходящие на мезоуровне. Основная причина отсутствия такого рода исследований связана с тем, что нет автоматизированных методов измерения локальных деформаций, что сдерживает проведение серийных экспериментов.

Однако данные по разрушению, полученные при статическом растяжении, не могут в достаточной мере описать поведение конструкций в условиях их эксплуатации. Работоспособность и надежность конструкций оценивается рядом других характеристик материала, в том числе такой, как трещиностойкость (вязкость), более приближенной к условиям эксплуатации. Трещиностойкость оценивается при испытании крупногабаритных образцов материала в условиях максимально «жесткого» способа нагружения. При ограниченном количестве материала целесообразно испытывать нестандартные образцы с надрезами, геометрические параметры которых и, следовательно, реализуемая в их вершинах «жесткость» напряженного состояния изменяются в широком диапазоне. Количественно закономерности пластического течения на мезоуровне в образцах с надрезами не исследованы, и взаимосвязь экстремальных величин характеристик деформации с разрушением не установлена.

Цель диссертационной работы - исследовать в многоуровневой постановке взаимосвязь характера разрушения с закономерностями упругопластического течения в зонах геометрических концентраторов напряжений, реализующих схемы напряженного состояния, «жесткость» которых изменяется в широком диапазоне.

Для достижения поставленной цели сформулированы задачи:

1. На основе оптико-телевизионного измерительного комплекса, созданного в ИФПМ СО РАН, позволяющего в экспресс - режиме регистрировать поля векторов перемещений, разработать методику расчета компонент дисторсии с использованием линий равных перемещений - изотет. Методика позволит количественно охарактеризовать закономерности пластического течения на мезоуровне с локальностью 300 мкм и менее, обуславливающие развитие пластических зон локализованной деформации в материале под нагрузкой, накопление повреждений и его последующее разрушение.

2. С помощью новой методики провести экспериментально-расчетные оценки деформации на мезоуровне и охарактеризовать количественно закономерности пластического течения, отражающие влияние силового, геометрического и физико- механических факторов на стадии формирования шейки. Провести детальный анализ для ряда высокопрочных металлических материалов.

3. Провести полный металлографический анализ срединных сечений шейки и фрактографический анализ поверхности разрушения, включая исследования стадийности и микромеханизмов разрушения. На основе сопоставления полученных данных установить взаимосвязь локальных экстремальных характеристик деформации в_х, By, B_xy, i, sj с разрушением.

4. На примере субмикрокристаллического (СМК) Ti и конструкционной стали ВКС-12 в многоуровневой постановке исследовать конфигурацию и кинетику зон локализованного пластического течения в области надрезов как геометрических концентраторов напряжения с более «жестким», чем в шейке плоского образца, напряженным состоянием.

5. Оценить влияние «жесткости» схемы напряженного состояния на стадийность и микромеханизмы разрушения образцов с надрезами СМК Ti, и стали ВКС- 12, используя результаты фрактографических исследований и анализа конфигурации зон локализованной деформации.

6. На примере материалов с покрытиями или упрочненными слоями исследовать корреляцию между степенью взаимодействия зон повышенной пластичности от концентраторов напряжения, с одной стороны, с соотношениями толщин и мик- ротвердостей покрытия и основы, а также с характером разрушения композиции, с другой стороны.

Научная новизна работы заключается в том, что все полученные результаты оригинальны по постановке задачи и методу исследования и не имеют аналогов в научной практике исследования процесса разрушения металлических материалов, а именно:

6. 1. На основе оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC разработана экспериментально-расчетная методика количественных оценок компонент дис- торсии в малых полях зрения, в областях локализованной упругопластической деформации с большими градиентами, с использованием линий равных перемещений - изотет. Достоинство методики состоит в том, что она позволяет количественно характеризовать деформированное состояние на мезоуровне.

   2. С использованием данной методики выявлены количественные закономерности пластического течения на мезоуровне в симметричных и несимметричных шейках, сформированных при растяжении новых высокопрочных материалов, таких, как конструкционная сталь ВКС-12 и a-Fe, Ti, Cu в СМК состоянии, обусловленные различием картин распределения линейных, сдвиговых компонент деформации и интенсивности деформации. Вскрыта взаимосвязь локальных экстремальных величин интенсивности деформации si с зарождением разрушения.

   3. Экспериментально установлен характер влияния «жесткости» напряженного состояния на количественные закономерности пластического течения, стадийность и микромеханизмы разрушения в образцах стали ВКС-12 и СМК титане. Обнаружен узкий интервал критических значений показателя «жесткости» напряженного состояния Цф, в котором процесс организации пластического течения является двухстадийным. Выше и ниже Цф закономерности пластического течения развиваются в одну стадию.

   4. На основе многоуровневого подхода физической мезомеханики для широкого круга композиций с покрытиями количественно исследована эволюция локальных характеристик деформации при статическом растяжении. Выяснены причины возникновения концентраторов напряжений в материалах с покрытиями. Установлено влияние соотношения толщин и микротвердостей покрытия и основы на вид действующих концентраторов напряжений, конфигурацию обусловленных ими пластических зон и их взаимодействие, а также на характер разрушения при растяжении композиционного материала.

   Положения, выносимые на защиту:

   6. 4. 1. Разработанная для количественной оценки закономерностей пластического течения, в том числе на стадии предразрушения, экспериментально-расчетная методика измерения локальных характеристик деформации на макро - и мезоуровнях. Данная методика основана на анализе полей векторов смещений, рассчитанных с помощью оптико-телевизионного комплекса, и на использовании линий равных перемещений - изотет.

         2. Комплексный подход, позволяющий с единых позиций рассмотреть во взаимодействии многоуровневые процессы пластического течения и разрушения, при котором фрактографическому анализу стадийности и микромеханизмов разрушения должна предшествовать количественная аттестация локального деформированного состояния объекта в зонах локализованной упругопластической деформации.

         3. Установленные закономерности локализованной пластической деформации в симметричной и несимметричной шейках в условиях растяжения. Показано, что они обусловлены сходством и различием картин распределения линейных, сдвиговых компонент деформации и интенсивности деформации. Зарождение процесса разрушения, независимо от типа шейки, происходит в локальных зонах с максимальной величиной интенсивности деформации.

         4. Установленный c помощью анализа линий равного уровня интенсивности деформации характер влияния показателя «жесткости» исходной схемы напряженного состояния П на стадийность, геометрические параметры зон локализованной пластичности и на месторасположение области с максимальной величиной формоизменения, определяющей будущий очаг разрушения, при растяжении стали ВКС-12 и субмикрокристаллического титана.

         5. Систематизация видов организации макрозон локализованной пластичности в материалах с покрытиями под нагрузкой, обусловленная типом действующих концентраторов напряжений, величиной соотношения толщин и микротвердостей покрытия и основы, взаимодействием концентраторов напряжений друг с другом, определяющим последующий характер разрушения.

         Научная и практическая ценность диссертационной работы и реализация ее результатов

         6. 4. 5. 1. По сравнению с ранее известными, предложенный в диссертационной работе метод радикально сокращает затраты труда на измерение локальных характеристик деформаций, так как исключает процессы предварительной специальной обработки поверхности исследованных образцов, обработку фотоматериалов и, наконец, расчет характеристик деформации полностью компьютеризирован.

                  2. Процесс аттестации деформированного состояния упрощается для всего периода формоизменения исследуемого образца от малых степеней пластических деформаций до стадии предразрушения. Это особенно важно для анализа процесса разрушения, взаимосвязанного с локализованной пластической деформацией. Проанализировать стадию предразрушения с помощью распространенного метода измерения деформаций с использованием сеток нельзя из-за размытия сетки при больших степенях деформации. В методе фотоупругих покрытий необходима дополнительная переклейка фоточувствительного покрытия.

                  3. Из анализа изолиний равных уровней интенсивности скорости деформации s i, рассчитанных предложенным методом, может быть получена количественная информация о форме зон локализованной деформации, их размерах и градиентах в них деформаций, чрезвычайно важная для анализа процесса разрушения и для количественной оценки трещиностойкости Xic.

                  4. Предложенный метод измерения локальных деформаций позволяет:

                  провести полную количественную аттестацию деформированного состояния в симметричной и наклонной шейках и выявить для них различия в картинах распределения всех характеристик деформации, что связано и отражается на характерах их разрушения;

                  по анализу изолиний равного уровня интенсивности деформаций можно исследовать конфигурацию, размеры и взаимодействие зон локализованной деформации в материалах с покрытиями при их растяжении, изучить влияние соотношения толщин и микротвердостей покрытия и основы и других внешних и внутренних факторов на кинетику деформированного состояния композиционного материала.

                  Картины распределения линейных и сдвиговых компонент деформации и области экстремальных их значений очень важны для анализа механизмов повреждаемости материала на мезомасштабном уровне и соответствующего деформационного упрочнения материала.

                  Разработанный метод измерения локальных деформаций, а также предложенный комплексный подход к изучению процесса разрушения, может быть эффективно использован для детального анализа деформированных состояний в зонах разнообразных геометрических концентраторов напряжений, не исследованных в настоящей работе.

                  Достоверность результатов исследований и выводов обеспечивается корректностью постановки задачи, использованием современного комплекса методов исследования пластического течения и разрушения металлических материалов, воспроизводимостью результатов эксперимента, качественным согласием полученных результатов с опубликованными данными, полученными другими авторами и другими методами.

                  Личный вклад автора состоит в выборе цели и постановке задач, разработке нового метода исследований, определяющего научную новизну и практическую значимость работы. На основе оптико-телевизионного измерительного комплекса [2] автором разработана методика расчета локальных характеристик деформаций с использованием линий равных перемещений - изотет. С помощью разработанного метода впервые были идентифицированы и оценены количественно компоненты деформации на базе 300 мкм и менее в области шейки и в окрестности геометрических концентраторов напряжений типа надрезов Менаже для широкого класса материалов. Экспериментальная часть работы автором диссертации выполнена в творческих коллективах в качестве ответственного исполнителя или руководителя. Основными соавторами опубликованных работ являются академик РАН Панин В.Е. и кандидаты технических наук Стрелкова И.Л. и Гордиенко (Мирхайдарова) А.И. - бывшие дипломницы автора. Автор принимала активное участие в постановке задач их кандидатских работ, в проведении экспериментальной части и обсуждении полученных результатов.

                  Апробация работы. Основные результаты исследований, обобщенные в диссертационной работе, доложены и обсуждены более чем на 40 Всероссийских, и Международных научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе: XLIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», Витебск, Беларусь, 2004 г.; VI International Conference for Mesomehanics, Patras, 31 мая-4 июля, Greece, 2004; Международной научно-технической конференции «Динамика, прочность и ресурс машин и конструкций», Киев, Украина, 2005 г.; VII Международной конференции «ОТТОМ-7», Харьков, Украина, 2006 г.; XVI European Conference of Fracture, Alexandroupolis, Greece, 2006; Международных конференциях «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2006, 2008 гг.; IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 2006 г.; Международных конференциях по физической мезомехани- ке, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, 2004, 2006, 2008 гг.; Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций», Новосибирск, 2006 г.; International congress on fracture «Fracture Mechanics in Design of Fracture Resistant Materials and Structures» Moscow, 2007; V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», Екатеринбург, 2008 г.; Х! Международной конференции «Нанотехнология и формирование прочностных и физических свойств: механизмы пластической деформации и разрушения, диффузионные процессы, транспортные процессы, в магнитных и проводящих нанокристаллических материалах», Екатеринбург, 2008 г.; Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике», Томск, 2009 г.; IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2009 г.; XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2009 г.; XI Международной конференции, «Высокие давления» Судак, Украина, 26-30 сентября, 2010 г.; VI Международной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» Оренбург, 20-22 октября 2010 г.

                  Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, из них 24 - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, 22 - в тематических сборниках.

                  Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, приложения, списка использованной литературы из 274 наименований, всего 305 страниц, включая 117 рисунков и 19 таблиц.

                  Похожие диссертации на Закономерности упругопластического течения и разрушения в зонах локализованной деформации, инициированных концентраторами напряжений

                  

                  Закономерности формирования структуры, внутренних напряжений и морфологии поверхности наноразмерных углеродных покрытий, осаждаемых импульсным вакуумно-дуговым методомПоплавский, Александр Иосифович

                  Закономерности инициированной диффузией эволюции структуры субмикрокристаллических молибдена и сплава ВТ6 в условиях воздействия температуры и напряженияМишин, Иван Петрович

                  Закономерности макромасштабной неоднородности пластического течения металлов и сплавовДанилов, Владимир Иванович

                  

                  Закономерности локализации деформации на параболической стадии пластического течения в ГПУ-сплавах цирконияКолосов Сергей Васильевич

                  Закономерности формирования второй фазы при внутреннем окислении сплавов на основе Mo и Mo-Re и особенности их пластического теченияМанако, Виктор Владимирович

                  

                  Мезомасштабные механизмы локализации пластического течения и разрушения и критерии диагностики механического состояния поликристаллов с макроконцентраторами напряжений Плешанов Василий Сергеевич

                  

                  Динамика деформационных полос и разрушение металлических сплавов, демонстрирующих неустойчивое пластическое течениеМихлик Дмитрий Валерьевич

                  

                  Перераспределение конечных деформаций, вызванное образованием концентраторов напряженийВершинин Анатолий Викторович

                  

                  Феноменологические методы расчёта остаточных напряжений в упрочнённых деталях с концентраторами напряжений в условиях ползучестиАфанасьева, Ольга Сергеевна

                  Метод прогнозирования влияния остаточных напряжений на циклическую долговечность конструкционных материалов при наличии концентратора напряженийСтепура, Александр Владимирович