Введение к работе
Актуальность работы
Современные наука и техника предъявляют к материалам, предназначенным для изготовления деталей машин и элементов конструкций ответственного назначения, специфические, часто несовместимые, требования. Одним из методов получения подобных материалов является сварка находящихся в контакте поверхностей с использованием энергии взрыва. В результате получается прочное соединение разнородных металлов, не соединяемых традиционными методами. Полученные таким образом материалы могут быть использованы как готовые изделия, либо в дальнейшем подвергаться дополнительной пластической деформации.
Работы в направлении изучения структуры и механических свойств металлических многослойных материалов, полученных сваркой взрывом, проводятся уже в течение нескольких десятилетий. В результате были решены вопросы, связанные с технологией их изготовления, показаны пути улучшения механических свойств готовых изделий, получено большое количество экспериментальных данных, объясняющих различные аспекты строения и управления свойствами данных материалов. В то же время, несмотря на то, что слоистые металлические материалы обладают высокой прочностью, они весьма чувствительны к дефектам типа «расслоение» на сварной границе, появляющимся в процессе их изготовления и эксплуатации, что в определенной степени сдерживает их применение в промышленности.
Современные теоретические представления не позволяют адекватно прогнозировать разрушение расслоением многослойных металлических материалов при их обработке методами пластического формоизменения. В настоящее время известен ряд работ, в которых рассмотрены и обобщены основные положения, используемые при решении задач механики слоистых композиционных материалов (Г.П. Черепанов, А. Ванг, Н. Пэйгано, Т. Фудзии, Ф. Макклинток, В.В. Васильев, Ю.В. Сокол- кин, Б.Е. Победря и др.). Данные подходы позволяют осуществлять прогнозирование расслоения слоистых материалов при малых упруго - пластических деформациях, характерных для эксплуатационных нагрузок, но не могут быть применены к процессам с большими пластическими деформациями. Многочисленные модели механики поврежденности (В.Л. Колмогоров, А.А. Ильюшин, И.А. Кийко, А.А. Бога- тов, В.А. Огородников, М. Ояне, Д. Ламатре и др.) используются для описания процессов когезионного разрушения монолитного материала и составляющих слоистых материалов, но не позволяют оценивать разрушение расслоением при больших пластических деформациях. В связи с этим актуальным является разработка моделей, позволяющих прогнозировать разрушение многослойных металлических материалов путем расслоения в процессах пластического формоизменения.
Целью диссертационного исследования являлась разработка модели повре- жденности и прогнозирования расслоения при пластической деформации слоистого металлического материала, полученного сваркой взрывом.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
Разработана феноменологическая модель поврежденности и прогнозирования разрушения расслоением слоистого металлического материала при пластической деформации, учитывающая влияние напряженного состояния на предельные деформации граничного слоя, вызывающие расслоение по механизму отрыва и сдвига.
Разработана методика определения диаграмм пластичности граничного слоя в слоистом металлическом материале, полученном сваркой взрывом.
Получены новые экспериментальные данные по пластичности граничного слоя в биметалле «08Х18Н10Т+сталь 10», изготовленном сваркой взрывом.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Предложен комплекс механических испытаний, который позволяет определять пластичность при отрыве и сдвиге граничного слоя слоистых металлических материалов при разных, в том числе комбинированных, схемах напряженного состояния. Результаты испытаний представлены в виде диаграмм пластичности, позволяющих адекватно прогнозировать деформацию, при которой в условиях сложного напряженно-деформированного состояния происходит расслоение слоистых металлических материалов, полученных сваркой взрывом.
Разработана модель поврежденности и разрушения расслоением многослойных материалов, которая может быть использована для разработки новых и оптимизации существующих технологических процессов пластической деформации слоистых металлических материалов с целью минимизации нарушения сплошности соединения.
Результаты исследований используются в курсе лекций по дисциплине «Моделирование и оптимизация свойств материалов и процессов», входящей в учебный план по направлению 150100 - Материаловедение и технологии новых материалов магистерской программы «Перспективные конструкционные материалы и высокоэффективные технологии» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.
Отдельные разделы диссертационной работы выполнялись в рамках работ по Программам Президиума РАН №22 «Фундаментальные проблемы механики взаимодействий в технических и природных системах», № 25 «Фундаментальные проблемы механики и смежных наук в изучении многомасштабных процессов в природе и технике», планам научно-исследовательских работ Института машиноведения УрО РАН, гранту РФФИ № 09-08-01091.
Достоверность результатов подтверждается использованием при моделировании экспериментов численных методов расчета, реализованных в универсальных программах конечно-элементного анализа ANSYS Academic Research v. 14.0 и LS- DYNA 1 CPU w/LS-PrePost, апробированных при решении задач механики деформируемого твердого тела; современных приборов и методов измерения; значительным объемом экспериментальных данных; воспроизводимостью результатов экспериментов; сопоставлением результатов моделирования с экспериментами, а также с данными полученными другими авторами.
Положения, выносимые на защиту.
Результаты экспериментальных исследований и установленные закономерности расслоения слоистых металлических материалов, полученных сваркой взрывом, при пластической деформации в условиях модельных испытаний и при прокатке.
Модель поврежденности и прогнозирования расслоения слоистого металлического материала при пластической деформации и результаты ее экспериментальной проверки в модельных испытаниях и при прокатке.
Методика построения диаграмм пластичности при отрыве и сдвиге граничного слоя многослойного металлического материала.
Диаграмма пластичности для граничного слоя биметалла «08Х18Н1 ОТ+сталь 10».
Результаты сравнения расчетных характеристик напряженно - деформированного состояния на свободной боковой поверхности при прокатке однослойных и многослойных полос с учетом и без учета наличия граничного слоя с измененными свойствами.
Личный вклад. В диссертации обобщены результаты исследований, полученные лично автором и в соавторстве. Основная роль в получении и обработке экспериментальных и теоретических данных, анализе и обобщении результатов принадлежит автору работы. Обсуждение и интерпретация полученных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях: V Российская научно- техническая конференция «Математическое моделирование и компьютерный анализ», Екатеринбург, 2008 г.; XXXVI, XXXVIII и XXXX Summer School - Conference «Advanced Problems in Mechanics», С.-Петербург, 2008, 2010 и 2012 гг.; IV Международная научно - техническая конференция «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», Тюмень, 2008 г.; IV и V Российская научно - техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2009 и 2011 гг.; Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии (СММТ'2009)», Санкт-Петербург, 2009 г.; «Russian-Germany Travelling Summer School - 2009», Hamburg, Berlin, Dresden, Erlangen, Regensburg, Munich, 2009; II и III International symposium «Bulk nanostructured materials: from fundamentals to innovations» BNM-2009, Уфа, 2009 и 2011 гг.; IV Международная научно - техническая конференция «Современные методы и технологии создания и обработки материалов», Минск, 2009 г.; XVI и XVII Зимняя школа по механике сплошных сред «Механика сплошных сред как основа современных технологий», Пермь, 2009 и 2011 гг.; V Международный форум «Актуальные проблемы современной науки. Естественные науки», Самара, 2010 г.; FERIENAKADEMIE, Sarntal - Italy, 2010; VI и VII Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», Екатеринбург, 2010 и 2012 гг.; X Всероссийский съезд «По фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики», Нижний Новгород, 2011 г.
Публикации: основное содержание работы отражено в 24 публикациях, в том числе в 6 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК России.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка цитируемой литературы, включающего 177 наименований, и приложения. Содержание диссертации изложено на 173 страницах, включая 80 рисунков и 20 таблиц.
