Формирование статистического критерия прочности для материалов с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой Шкода, Игорь Александрович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Большинство прочностных расчётов базируются на гипотезах об однородности среды, рассматривая только одну - две характеристики макроскопической прочности и две характеристики упругих свойств. При этом известно, что большинство конструкционных материалов являются поликристаллическими телами, состоящими из большого количества различно ориентированных зёрен, обладающих различными видами анизотропии: упругих, пластических, прочностных и других свойств. Взаимодействие анизотропных зёрен приводит к возникновению неоднородного сложного напряжённо-деформированного состояния, что способствует возникновению пластических деформаций и разрушений в отдельных частях наиболее неблагоприятно ориентированных зёрен и постепенному распространению этих процессов в материале при увеличении нагрузки или времени. Очевидно, что статистические закономерности распределения микронапряжений и деформаций определяют характер протекания этих процессов. Однако зависимость этих процессов от типа материала и вида напряженного состояния в прочностных расчетах должным образом не учитывается.

Более точный учет свойства материала в прочностных расчётах является важной задачей, решение которой призвано обеспечить повышение точности и надежности расчетов, что в свою очередь позволит уменьшить материалоемкость. Пока разработаны статистические критерии прочности и пластичности для материалов с кубическим типом кристаллической решетки, обладающей высокой симметрией упругих свойств кристаллитов-зёрен, описываемой тремя независимыми упругими константами. Практический интерес представляет исследование влияния микронапряжений на особенности формирования поверхности разрушения для поликристаллов, у которых зёрна обладают более сложными свойствами и, прежде всего для материалов, имеющих гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую решётку. Эту решётку имеет ряд металлов, таких как Be, Mg, Со, Ti, Zn, Zr, являющихся основой большого числа сплавов, применяющихся для особо ответственных конструкций.

Актуальность выбранной темы диссертационной работы подтверждена её выполнением в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», государственный контракт № 14.В37.21.1091.

Цель работы – исследовать закономерности микронеоднородного деформирования в поликристаллических телах с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) кристаллической решёткой и использовать полученные результаты для определения параметров статистических критериев прочности, которые позволяют оценивать механические свойства материалов для произвольного напряженного состояния.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Обосновать вид статистических критериев, которые следует использовать для материалов, имеющих гексагональную кристаллическую решетку.

2. Разработать методы исследования, позволяющие аналитически и численно исследовать концентрацию микронапряжений и статистические параметры, характеризующие их распределение.

3. Определить статистические параметры, характеризующие изменение концентрации микронапряжения для ГПУ поликристаллов от вида напряженного состояния.

4. Разработать экспериментально-теоретическую методику уточнения расчетных значений параметров статистического критерия разрушения для реальных конструкционных материалов.

5. Использовать полученные параметры для исследования процесса формирования поверхностей разрушения при объёмном напряжённом состоянии.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Для материалов с гексагональной кристаллической решеткой разработаны два метода расчёта микронапряжений и статистических параметров, характеризующих их изменение для произвольного вида напряженного состояния, позволяющие получать их в аналитическом и численном виде.

2. Определены статистические параметры распределения микронапряжений и получены расчетные значения параметров статистического критерия разрушения.

3. Выявлены ограничения на пределы изменения параметров статистического критерия ориентированного разрушения в результате анализа девиаторного и меридианного сечений поверхностей разрушения, следующие из физических, статистических и геометрических предпосылок.

4. Разработана расчетно-экспериментальная методика уточнения параметров статистического критерия ориентированного разрушения, использующая полученные ограничения на возможный интервал их изменения.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается:

использованием для расчета микронапряжений хорошо известного в механике метода конечных элементов и сравнением полученных результатов с аналитическим решением, полученным с использованием гипотезы Фойгта;

согласованностью теоретических результатов по описанию формы предельной поверхности разрушения и изменения пластичности от жесткости напряжённого состояния с экспериментальными данными;

проведённым сравнительным анализом полученных результатов по оценке прочности с другими известными критериями.

Практическая значимость результатов.

4. 1. 1. Определены дисперсии и ковариации всех компонент тензора микронапряжений, возникающие от действия единичных главных макроскопических напряжений для ГПУ поликристаллов. Эти параметры позволяют получить зависимость дисперсий любой компоненты микронапряжений для произвольного вида напряженного состояния, что представляет практический интерес не только для микромеханики, но и для физики твердого тела.

      2. Разработана расчетно-экспериментальная методика уточнения параметров статистического критерия ориентированного разрушения, которая может быть использована на реальных материалах с любой кристаллической решёткой.

      Реализация и внедрение результатов.

      На созданный в ходе выполнения диссертационной работы программный продукт «Оценка параметров статистического критерия прочности на основе испытаний образцов с кольцевым надрезом» оформлена и подана заявка на получение свидетельства о регистрации программы в Федеральный орган исполнительной власти по интеллектуальной собственности. Правообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет». Авторы: Богданов Е.П., Шкода И.А.

      Результаты диссертационной работы используются при расчётах конструкций на прочность в ООО «Завод Ротор», г. Камышин.

      На защиту выносятся:

      1. Методика определения дисперсий и ковариаций всех компонент тензора микронапряжений на объёмной конечно-элементной модели поликристалла с полиэдрической формой зерен.

      2. Результаты исследования статистических закономерностей распределения микронапряжений и деформаций при различных видах напряженного состояния.

      3. Расчетные значения параметров статистического критерия ориентированного разрушения, полученные для 9 материалов с ГПУ кристаллической решёткой.

      4. Расчетно-экспериментальная методика уточнения параметров статистического критерия ориентированного разрушения.

      Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры «Сопротивления материалов» ВолгГту (2006-2013 гг.), г. Волгоград, объединённых семинарах кафедр «Общетехнические дисциплины» и «Информатика» КТИ (ВолгГту), г. Камышин, на заседании кафедры «Транспортное строительство» СГТУ (2013 г.) г. Саратов, а также международных и всероссийских научных и научно-практических конференциях: «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (КТИ ВолгГту, г. Камышин 2006 – 2011 гг.), «Научно-техническая конференция» (ВолгГту, г. Волгоград, 2008, 2009, 2011 гг.), «Научно-практическая конференция» (Российский университет кооперации. - г. Волгоград, 2006, 2007 гг. ), "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самарский государственный технический университет. - г. Самара, 2007, 2008 гг.), Научно-практическая конференция молодых исследователей "Наука и молодёжь": информационные технологии и математическое моделирование в науке и образовании» (ВолгГСХА. - г. Волгоград, 2008 гг.).

      Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 статьях и материалах конференций, 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 14 статей в сборниках трудов конференций.

      Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 252 источников и 2 приложений. Основной текст изложен на 140 страницах, включая 32 рисунка и 11 таблиц.

      Похожие диссертации на Формирование статистического критерия прочности для материалов с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой

      Критерии прочности и разрушения природных и искусственно созданных разносопротивляющихся материаловШафиева, Светлана Владимировна

      

      Критерии прочности для зон концентрации напряжений и их приложения для оценки долговечности и ресурса элементов конструкцийРудис Александр Маркович

      

      Критерии прочности полимеров и горных пород при высоких гидростатических давленияхКаримова Наталья Геннадьевна

      

      Влияние водорода с различными энергиями связи на структуру и прочность материаловПолянский, Владимир Анатольевич

      

      Процессы необратимого деформирования и резервы прочности материаловАдигамов Николай Сабирович

      

      Оценка прочности композитных материалов и элементов конструкций при комбинированном нагруженииРезников Борис Самуилович

      Энергетическая оценка прочности соединения слоистых композиционных материалов в рамках градиентной теории упругостиКонев, Алексей Николаевич

      

      Решение задач прочности и разрушения анизотропных материалов и горных породБайбурова Минсария Мазитовна

      Оценка кратковременной и длительной прочности пленочно-тканевого композиционного материалаМангушева, Алина Раисовна

      

      Моделирование деформации и оценка прочности элементов конструкций из полимерных композиционных материаловКозулин Александр Анатольевич