Введение к работе
Актуальность р!(цтН- Развитие современной техники,' эксплуатация которой гсротексет, Р сложных условия* нагрухсеииг при взаимодействии различных физика - химических фгктороз, - стимулировало создание и разработку теории сопряженных полей в упругих телах. Особенна важное зйнчешгс проблема язаимодеЯствня физических палей в деформируемых твердих, телах приобретает при анализа прочности, надежности и долговечности элементов- конструкций и . сооружений, работающих в агрессивных средах при высоких температурах, температурных градиентах и давлениях. Агрессивные среды, проникающие а конструкционные материалы, нередко существенна изменяют мегднические характеристики последних. В зависимости от процессов, протекающих п. материалах, различают физичесхие И химические агрессивные среды. Первые вызызают обратимые изменения п материале, не сопровождающиеся разрушением химических связей, а вторы: приводят к необратимым изменениям химической структуры. Специфическое влияние оказывают поверхностна - активные . среды," понижающие погерхііостнук) .энергию твердого тела, что способствует появлению разнообразных дефектов при меньших' рнеїлинх. усилиях по сравнению со случаями, когда твккг среды отсутствуют.
Из прочность 'конструкционных материалов влияют также облучения различного вида, нвпрнмер, световое и радиационное. Под действием облучения нейтронами, иенам;), электронашт изменяются механические свойства 5'атсриалоа, проявляется радиационио - стимулированная' диффузия, облегчающая имплантацию примесей а поверхностных слоях, возникает и развивается радиационная пористость, сопровождаемая разрыхлением материала. Поры обнаруживаются п конструкционных материалах, облученных как быстрыми нейтронами, так и заряженными частицами. Развитие пористости происходит при температурах, когда точечные дефекты ( вакансии и внедренные атомы) подвижны. Поры образуются вследствие распада пересыщенного раствора вакансий, избежавших рекомбинации с внедренными атомами. Радиационное разрыхление существенно зависит от интегрального потока бомбардирующих 'истиц, условии облучения, химического состава и предшествующей обработки. Например ( Шалаев A.M. Свойства облученных металлов и сплавов. - Киев : Наукова думка, 1985. - 308с),
-радиационное разрыхление аустенитных нержавеющих сталей достигает 6...}5%
при потоке ионизирующих частиц Ю м!. С увеличением содержания Э стали хрома склонность ее к разрыхлению увеличивается, никель оказывает обратное действие. Несоизмеримо более значительным оказывается влияние облучения на поведение полимеров, - это влияние связано с тем, что под действием- облучения возможны сшивание полимерных иеней, создание более прочных и жестких систем, образование сеток или, наоборот, деструкция, разрывы молекулярных цепей.
Активное воздействие внешних условий на конструкционные материалы особенно ярко проявляется - при одновременном приложении напряжений. Действие активной среды на недеформированный материал с последующим приложением напряжений по своему механизму качественно отлично от действия среды на деформируемый материал. Начатые в 20-х годах текущего столетия П. Бриджменом систематические исследования влияния высоких давлений на скорость твердофазных превращений были проведены во. многих странах ( Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. - Новосибирск : Наука, 1986. 506 с.) и привели к установлению факта ускорения твердофазных процессов. ( фазовых переходов,. химических реакций и др. ) при наложении на твердые тела высоких давлений с деформацией сдвига. Результатом такого рода исследований стало формирование механохимии и хемоиеханнкн как научных направлений.
С помощью метода механической активации могут быть решены самые разнообразные практические задачи : порышеиие реакционной способности тел, изменение структуры и физико - химических свойств веществ, ускорение твердофазных реакций и др. Зкспериментальні і> данных в рассматриваемой области накоплено уже немало, однако теоретические вопросы, относящиеся к построению математических моделей, адекватно отражающих поведение 'материалов в перечисленных процессах, остаются в значительной степени нерешенными. Это, с одной стороны, затрудняет прогнозирование возможностей метода механической активации химических процессов, а, с другой стороны, ограничивает во ."ожности ytera влияния агрессивных сред иа работоспособность конструкций как при статическом, так и динамическом нагруженин.
й развитие теории, сопряженных полей в деформируемых твердых телах значительный вклад внесли многие отечественные и зарубежные ученые :. Амбарцумкн С.А., Аскадскин А.Л., Бартенев Г.М., Гольденблат II.И., Журкоа СИ., Ильюшин А.А., Кззале А., Кішко "И.А... Кншкнн Б.П., Кудрявцев R.A., Ленский B.C., Ломакин В.А., Морланд Л., Ноианкии П., Огибалов П-М-, Победря Б.С, Поестенко ІОЛ., Подстригай Я.С., Портер .Р., Сухуби П., Толоконнпкоа Л.А., Уфлямд Я .С, Филиппов Б.Н., Хайннкс Г., Цыпкин А.Г., Черняев П.Н., Шестериков С.А., Щукин Е.Д. и др. Тем не менее остались . нерешенными многие вопросы, связанные с учетом взаимодействия различных физических полей в деформируемых твердых телах, .взаимовлияния мехииичес.ь'нх и . химических факторов. Вышеизложенное свидетельствует об актуальности тематики исследования.
Цель jwgflTM, В диссертации дано новое решение важной задачи механики деформируемого твердого тела, состоящей п построении основных уравнений линейной теории хемотсриоупругостн с указанием системы экспериментов для определения материальных констант и применении построенной теории к _ рассмотрению частных примеров, на которых демонстрируется эффективность предложенных соотношений и. их значение дик расчетная практики.
Маучная поїння. В диссертации сформулированы конституционные соотношения лннеГіноіІ теории ,хемотермоупругости на основе следующих гермодинимичеенх потенциалов; а) изоюрно - нзоэнтрошшного потенциала (внутренней энергии), 0) тохорно - изотерупога потенциала (свободной энергии Гельмгольца), в): нтоблрно - щотермного потенциала (свободней энергии Гиббса), г) пзохорно- нзсунггроп'лГлюго потенциала (энтальпии), д) большого потенция;!». Выведены- формулы взаимности, связывающие между собой различны?. . койстнтуцнониыз соотношения. Указаны системы экспериментов для нахождения материальных' каїістант, содер/сатнхел я этих соотношениях.. На ссиопг сформуднрогпшней полной системы уравнении линеіінай теории хемотсриоупругостн рассмотрели плоские зядлчн дзм тел, часыщчемих агреесИбнЫми средами. . Показано, что а то»,г случае, Когда количество агр'есспг.ноіо вещества, пройнкшыцегэ и . материал, линейно зависит от перйС-го 1>нт<рп;штя тензора напряжений, распределение этого анц&яЫ в «ятерчале 8пнсЫ5Яйся гирч'енИ'імжой ф.уі'.кЦисй; Представлены частые- peiitomsi плоское. задач:» Дпй случаен, когда бигярмони'-іеская
функция , напряжений имеет вид полинома, первой, второй, третьей н четвертой степеней. Полученные результаты согласуются с закономерностями образования остаточных напряжений в деталях машин при упрочнении их методами химико - термической обработки. Рассмотреий зэдачч, в которых учитывается упругая неоднородность, обусловленная зависимостью, модуле?! упругости от концентрации нгрессішной среды, проникающей в материал. ДаН вариант обобщения задачи Ламе, Выведены уравнения, определяющие допустимые виды упругой неоднородности при условии, что функция Напряжений задана, - такого рода решения играют существенную роль при изучении групповых свойств уравнений теории упругости { сн., например, книгу' Арнин БД.і Бытев В.О., Сенатов С.И, Групповые свойства уравнения упругости и пластичности. - Новосибирск: Наука, І985. - 142с).
Рассмотрено применение теории функций комплексного переменного к решению плоской задачи хемотермоуп'ругрстн неоднородной среды. Выведаю разрешающее уравнение относительно функции напряжений при комплексной представлении напряжений и переметений и дано его' общее решение. Исследована асимптотика напряженій возле угловой точки н показано, что при наличии хемотермоупругой неоднородности соответствующего вида порядок росл* напряжений в направлении от вершимы трещины выше по сравнению со случаем однородности. Это согласуется с экспериментально обнаруженными эффектами, состоящими в том, что гіри нагруженни элементов конструкций с трещинами в агрессивных средах наблюдается более интенсивный рост трещин, чем в неагрессивных.
В райках линейной" теории хемоунругостн ( при изотермических условиях) рассмотрены задали об InrliGe пластины под совместным действием" поперечных нагрузок и сил в ее срединной плоскости. Основної; уравнение Теории изгиба пластины, насыщаемой агрессивной средой, получено в рамках известных Гипотез Кирхгофа. При отсутсПнш воздействия йгресскшоЛ среды на материал указанииг уравнение обршцаетм и уравнение- Соф;! Жсриен. Для случая равномерного насыщения материала пластины агрессиьіїсй средой получено рсіік':'ше, язлпюічееся обобщением нззестного ргіиенми Навье. Методом Гвлеркнна імГщеіім приближённые решения .ряда задач об ішіїбе пластины, неравномерно насыщаемой агрессивной средой, при граніппіих условия?, отлнчньіх от условий НагЬе. Даны реШеішя 'рнДа задач об устойчивости н свободных кодвМннях пластины, Насыщаемой fii рессіівноіі
средой и показано, что при отсутствии воздеПсттц, прочцкакщей среды на материал полученные результаты обратзкттсч в известные здвиримости.
Ацгоа_аащщ5еі: конституционные соотношения лцнеДноч- теории хемотермоупругости, сформулированные на рсновв терЧоданамическорц подхода, главной особеннрстыо. которых по сравнению, с аналогичными соотношениями классической теорий упругости «шгего» нздавде в них кроме констант упругости и Температурных коэффициентов наз Так называемых хемомеханических коэффициентов, отра*аюших взаимовлияние механических и химических врздействнй,
- формулы эзяимности. которые свцэывают между собой Материальные
константы, содержащиеся в конституционных соотношениях линейной теории
хемотсрмоупругрсти, полученных с использованием различных
Термодинамических потенциалов,
- способы экспериментального обоснованна линейной теории
хемотермоупругости,
- математические постановки и методы решения ряда двухмерных задач
линейной теории хемотермоупругости,
-результаты решения задач о плоском напряж.нном состоянии н плоской деформации тел, насыщаемых агрессивными средами, полученные на основе использования полной системы уравнений линейной террии хемотермоупругости d соатветстпуюших частных случаях,
рарйацт рбрбшения тадачи Ламе,
- общее решение плоской задачи хемохфчоупругостц неоднородных сред, полученное методом теории функций комплексного переменного, Ц результаты исследования асимптотики напряжений а угловых точках плоской области,
- результаты решения задач об нзгиОз пластины под действием поперечных иагруэрк И сил о ее срединной плоскости с учетом проникновения в. материал пластины агрессивной среды,
-результаты решения задач об устойчивости и свободных колебаниях пластины, насыщаемой агрессивной средой.
Дострреркость основных научных результатов обосновывается их
логической связью с теоретическими и экспериментальными результатами
предыдущих исследований как отечественных, так к зарубежных авторов, а
Также применением К решению задач современных методоа механики
деформируемого твердого тела. . '
Практическая Ценность состоит В сформулированных и научно обоснованных рекомендациях по выбору модельных сред для реальных материалов, испытывающих воздеГ'ствня со стороны агрессивных веществ, и адекватному представлению экспериментальных фактов, выбору расчетных схец в задачах о, плоском напряженном состоянии и плоской деформации тел, насыщаемых агрессивными средами, и задачах рб изгибе, устойчивости и свободных колебаниях пластин в состоянии хемотермоупругости. и совершенствованию этих расчетных схем.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на
международной конференции "Памяти пионеров космонавтики и астронавтики " в Московском Авиационном институте (1990),
- научно - технической конференции в Московском Авиатехнологическом
институте (1990),
- научно - технической конференции Тульского Государственного
технического университета (1994),
-семинаре кафедры Теории упругости Московского Государственного университета под руководством профессора Ильюшина А.А. (199-4).
-семинарепо механике деформируемого твердого тела при Тульском Государственном университете под руководством профессора Толаконникова. Л.А. (1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано (7 работ. Структура и рбьем раб<п>1. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и практических рекомендаций. Работа изложена на 141 странице машинописного тексти, содержит 31 рисунок и вюпочает список дитературй нз 122 наименований.