Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Накопление и диссипация энергии в металлах. Экспериментальные исследования и теоретические модели
1.1. Коллективные эффекты в ансамбле дислокаций. Накопление энергии в твёрдых телах (Основные факторы, влияющие на процесс накопления энергии в телах) 26
1.1.1. Влияние предварительной истории деформирования на процесс накопления энергии 30
1.1.2. Влияние температуры деформирования на процесс накопления энергии 31
1.1.3. Влияние начального размера зерна на процесс накопления энергии 34
1.1.4. Исследование процесса накопления энергии в монокристаллах 36
1.1.5. Влияние скорости деформирования на процесс накопления энергии 40
1.2. Теоретические модели диссипации и накопления энергии при пластической деформации и разрушении 41
1.2.1. Накопление энергии в ансамбле дислокаций 44
1.2.2. Накопление энергии в границах зерен 48
1.2.3. Некоторые современные модели пластического деформирования металлов 49
1.3. Современные экспериментальные методы мониторинга диссипации энергии в металлах при различных условиях деформирования 55
1.3.1. Экспериментальное исследование процесса накопления энергии при квазистатическом деформировании 56
1.3.2. Экспериментальное исследование процесса накопления энергии при динамическом деформировании 59
1.3.3. Экспериментальное исследование процесса накопления энергии при циклическом деформировании 66
1.3.4. Экспериментальное исследование процесса накопления энергии при распространении трещин 72
1.4. Практическое применение мониторинга энергии в конструкционных материалах 74
Выводы 75
Глава 2. Статистическая модель эволюции ансамбля мезодефектов, универсальные закономерности накопления энергии в металлах. Пластическая и структурная деформации
2.1. Термодинамическое описание процессов пластического деформирования и разрушения. Кинетические уравнения для параметра плотности микродефектов 79
2.2. Кинетика ансамбля микродефектов. Основные реакции твёрдого тела на рост дефектов 84
2.3 Макроскопические определяющие соотношения для твёрдых тел с дефектами. Феноменологический подход 95
2.4. Структурно-скейлинговые переходы в ансамбле мезодефектов. Нелинейные закономерности перехода от дисперсного к макроскопическому разрушению 100
2.4.1 Закономерности перехода от дисперсного к макроскопическому
разрушению при распространении трещин в квазихрупких материала.. 106
2.4.2 Закономерности локализации деформации при пластическом
деформировании металлов 110
2.5 Диссипация и накопление энергии в металлах. Особенности диссипации энергии в субмикрокристаллическом состоянии 115
Выводы 118
Глава 3. Численное моделирование диссипации и накопления энергии при квазистатическом, циклическом и динамическом деформировании металлов Введение 121
3.1 Моделирование процесса динамической стохастичности при распространении трещин 123
3.2 Моделирование процессов накопления и диссипации энергии в процессе однородного деформирования стали 316L (03Х17Н14М) 144
3.3 Моделирование распространения диссипативных волн при упруго-пластическом переходе 148
3.4 Моделирование диссипации и накопления энергии при циклическом деформировании металлов. Диссипации энергии в вершине усталостной трещины 153
3.5 Моделирование динамического поведения ансамбля мезоскопических дефектов 157
3.5.1 Моделирование распространения пластических волн 157
3.5.2 Моделирование распространения волн разрушения 163
Выводы 170
Глава 4. Разработка методов мониторинга микроповреждений в металлах Введение 172
4.1 Методы мониторинга эволюции структуры материала 173
4.1.1 Метод инфракрасной термографии 174
4.1.2 Метод акустической эмиссии 178
4.1.3 Метод трёхмерной профилометрии 181
4.2 Классификация и методы мониторинга термических предвестников разрушения при циклическом деформировании 182
4.2.1 Условия проведения экспериментов 182
4.2.2 Термические предвестники разрушения (изменение пространственных корреляций в поле температур) 185
4.2.3 Термические предвестники разрушения (генерация старших гармоник в поле температур) 197
4.2.4 Структурные предвестники разрушения 208
4.3 Масштабно-инвариантные закономерности накопления дефектов в хрупких и пластичных материалах. 211
4.4 Иерархическая модель разрушения материала. Оценка степени влияния информации на неопределённость статистических оценок времени разрушения 221
Выводы 238
Глава 5. Исследование процессов накопления и диссипации энергии в металлах (на примере армко-железа)
Введение 240
5.1 Упруго-пластический переход в армко-железе,, диссипативные волны локализации пластической деформации 241
5.1.1 Описание условий эксперимента 241
5.1.2 Исследование процесса диссипации энергии в армко-железе методом инфракрасного сканирования 244
5.1.3 Восстановление распределения источников тепла по данным инфракрасного сканирования 248
5.1.4 Структурные исследования поверхности армко-железа после распространения диссипативных волн 252
5.1.5 Алгоритм расчёта скорости накопления энергии при квазистатических испытаниях 257
5.2 Экспериментальное исследование диссипации энергии в армко-железе
при циклическом деформировании 262
5.2.1 Разработка экспериментальной установки 262
5.2.2 Результаты экспериментов 270
5.3 Диссипация и накопление энергии в армко-железе при динамическом нагружении 277
Выводы 289
Глава 6. Исследование аномалий процессов накопления и диссипации энергии в объёмных субмикрокристаллических металлах
6.1 Особенности субмикрокристаллического состояния металлов 294
6.2 Методы получения объёмных нано и субмикрокристаллических материалов 298
6.3 Экспериментальное исследование диссипации энергии в титане с различным размером зерна при квазистатическом деформировании 303
6.4 Экспериментальное исследование диссипации энергии в титане с различным размером зерна при динамическом деформировании 309
6.5 Экспериментальное исследование диссипации энергии в титане с
различным размером зерна при циклическом деформировании 321
Выводы 330
Заключение 334
Литература
- Влияние скорости деформирования на процесс накопления энергии
- Кинетика ансамбля микродефектов. Основные реакции твёрдого тела на рост дефектов
- Моделирование динамического поведения ансамбля мезоскопических дефектов
- Исследование процесса диссипации энергии в армко-железе методом инфракрасного сканирования
Введение к работе
Актуальность темы. Современный уровень развития техники и технологий требует создания новых конструкционных материалов, обладающих повышенными эксплуатационными свойствами и разработки методов комплексной оценки и прогнозирования их временного ресурса. В последние годы наметились новые пути повышения свойств конструкционных материалов за счет целенаправленного формирования микро- и нанокристаллической структуры. Данные исследования соответствуют приоритетным направлениям и критическим технологиям Российской Федерации.
Решение проблемы комплексной оценки текущего состояния существующих и создания новых материалов невозможно без глубокого понимания процессов эволюции реальной структуры материала и всего комплекса термомеханических явлений, сопровождающих процесс пластического деформирования и разрушения. Процесс локализации деформации и разрушения твёрдых тел связан с зарождением и развитием структурных дефектов мезоскопического типа, их взаимодействием между собой и внешними физическими полями. Специфика влияния дефектов на способность материалов сопротивляться разрушению заключается в том, что, являясь носителями структурных нарушений в материалах в процессе деформирования, дефекты обеспечивают реализацию механизмов релаксации и диссипации энергии, обеспечивая тем самым эксплуатационный ресурс.
Проблема корректной оценки временного (усталостного) ресурса, общепризнанно определяемого эволюцией структуры материала, связана с установлением кинетики процесса разрушения, неконтролируемой полностью деформационно-силовыми параметрами нагружения. Это обстоятельство является основной физической причиной, ограничивающей применимость феноменологических моделей длительной прочности и усталостного разрушения, в которых кинетика процесса разрушения предполагается «подчинённой» кинетике напряжений или деформаций.
Изучение роли эволюции ансамбля дефектов в развитии процесса усталостного разрушения стимулировало ряд новых направлений в физике неупорядоченных систем, для которых проблемы физики разрушения стали полигоном для апробации методов. Интенсивные исследования в этой области связаны с изучением универсальных (скейлинговых) свойств поверхностей разрушения. Результаты исследований позволили установить универсальные свойства распределения дефектов материала по размерам и рельефа поверхностей разрушения, связанные с нелинейными свойствами процесса разрушения и независящие от исходной структуры материала.
Развитие экспериментальных методов привело к появлению нового класса методов оценки надежности и временного (усталостного) ресурса, основанных на применении высокочувствительных инфракрасных детекторов и уточнении термодинамического описания процессов накопления микроповреждений и разрушения. Существенный вклад в
развитие данного метода внесли: Вавилов В.П., Oliferuk W., Chrysochoos А., Luong М., A.J. Rosakis.
За последние годы исследованию термомеханических процессов в конструкционных материалах было посвящено большое число как экспериментальных, так и теоретических исследований. Интерес к задачам подобного рода, как правило, возникает в случаях, когда наблюдается ярко выраженная диссипация энергии, приводящая к изменению механических свойств материала и/или фазовым переходам (например, при распространении ударных волн) или в случаях, когда мониторинг диссипации ведётся с целью обнаружения очагов локализации деформации. В остальных случаях принято считать, что величина диссипированной энергии мала и «механическую» и «термодинамическую» задачу можно решать независимо. Однако, современные экспериментальные исследования показали, что процесс диссипации энергии в материале носит нелинейный характер и доля запасённой энергии может колебаться в пределах от 30 до 95 процентов.
Анализ проблемы показал очевидную необходимость разработки адекватных физических моделей процесса, установления характерных эффектов, являющихся ранними предвестниками разрушения, и эффективных математических методов обработки экспериментальных результатов.
Используя принцип сравнения результатов нового метода с результатами, полученными по общепризнанным методикам, в работе дополнительно используется метод акустической эмиссии. Методы акустической эмиссии активно развивались на протяжении последних десятилетий и являются базовыми при анализе широкого класса задач. Существенный вклад в развитие данного метода при исследовании процессов деформирования и разрушения металлов внесли: Б.Е. Патон, О.В. Гусев, В.И. Иванов, Ю.И. Болотин, Л.Р. Ботвина, А.Е. Андрейкив, В.А. Грешников и многие другие.
Значительные успехи при анализе предвестников разрушения были достигнуты при исследовании процессов ползучести и сейсмологии. В России активно изучаются особенности акустической активности при разрушении геологических сред. Основы данного направления были заложены в работах Садовского М.А., Соболева Г.А., Журкова С.Н., Шемякина Е.И., Виноградова С.Д., Куксенко B.C. и многих других авторов. Из зарубежных авторов необходимо отметить работы СИ. Schilz, D. Lockner, G. Meredith.
Исследования, проведённые в данной работе, относятся к разделам 3.6. «Механика твердого тела, физика и механика деформирования и разрушения, механика композиционных и наноматериалов, трибология», 3.9. «Создание перспективных конструкций, материалов и технологий в авиации, ракетной и атомной технике, судостроении, наземном транспорте, станко- и приборостроении» перечня «Основных направлений фундаментальных
исследований программы фундаментальных научных исследований Российской академии наук на период 2007 - 2011 годы».
Представляемая работа выполнена в рамках основного научного направления Института механики сплошных сред УрО РАН в соответствии с тематическими планами НИР лаборатории Физических основ прочности ИМСС УрО РАН на 1991-2008 годы; комплексной программы научных исследований Президиума РАН «Исследование вещества в экстремальных условиях», Подпрограмма 1: «Теплофизика экстремального состояния вещества»; программой фундаментальных исследований Отделений энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН Проект: "Экспериментальное и теоретическое исследование разрушения, коллективных эффектов и скейлинга в нано- и мезоскопических дефектных структурах керамик и сплавов в широком диапазоне скоростей деформирования"; программы совместных исследований с Сибирским и Дальневосточным отделениями РАН проект: «Построение определяющих соотношений для нелинейно-деформируемых многокомпонентных сред методами неравновесной термодинамики».
Часть результатов была получена при выполнении международных контрактов совместно с Российскими федеральными ядерными центрами, при выполнении проектов РФФИ гранты № 08-01-00699-а, 07-01-91100-АФГИРа, 07-01-96004-р_урал_а, 05-01-00863, 04-01-97514-р_офи, 04-01-96042-р2004урал_а, 04-01-96009-р2004урал_а, 02-01-00736-а, 99-01-00244-а, 96-01-00471-а, в том числе под руководством автора диссертационной работы гранты № 07-08-96001-р_урал_а, 05-08-33652, проекта Немецкой службы академических обменов (DAAD), проекта министерства образования Франции, проекта Американского фонда гражданских исследований CRDF PE-009-0 (Y2-EMP-09-03) «Development of theoretical and applied aspects of quantitative fractography method using infrared camera CEDIP, 3D surface profiler NEW VIEW and construction of fatigue durability estimation technique», проекта «Развитие научного потенциала высшей школы» подпрограмма № 3, раздел № 3.5, проект «Разработка теоретических и прикладных аспектов метода количественной фрактографии с использованием тепловизора CEDIP, интерферометра-профилометра New View и создание методик оценки усталостной прочности».
Цель диссертационной работы. Исследование структурно-кинетических, термодинамических закономерностей процессов накопления и диссипации энергии в металлах, разработка моделей, учитывающих эволюцию реальной структуры материала; описание нелинейных механизмов пластического деформирования и разрушения в широком диапазоне интенсивностей нагружения с использованием данных инфракрасного сканирования и акустической эмиссии; идентификация термических, акустических и структурных предвестников разрушения, разработка методов их мониторинга; построение статических моделей для оценки временного ресурса материала.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
-
Разработки научных и методических основ применения метода инфракрасной термографии при исследовании процессов диссипации энергии в металлах.
-
Разработки и создания экспериментальных комплексов для исследования квазистатического, циклического и динамического деформирования металлов, позволяющих в режиме реального времени регистрировать акустические и термические процессы, сопровождающие процесс эволюции структуры, пластического течения и разрушения материалов.
-
Проведения серии экспериментов на чистых металлах (армко-железо, титан), конструкционных сталях (35ХМЛ (35CrMo4), 03Х17Н14М (316L)) и псевдопластических материалах (полимеры, соляные горные породы) с целью исследования влияния скорости деформирования и характерного размера структурной гетерогенности на процесс накопления энергии; исследования особенностей диссипации и накопления энергии в материалах в объёмном субмикрокристаллическом состоянии.
-
Разработки методов анализа экспериментальных данных с целью установления взаимосвязи термических и акустических процессов в деформируемых металлах, установления масштабно-инвариантных закономерностей, определения скорости и величины энергии, накопленной в процессе деформирования.
-
Разработки термодинамического описания процесса накопления энергии в процессе деформирования на основе континуальных моделей, определения вида дополнительных «структурно чувствительных» переменных и методов их экспериментального определения.
-
Разработки оригинальных численных методов анализа и компьютерных программ для моделирования одномерных и двумерных задач локализации пластической деформации и разрушения конструкционных материалов.
Объект и метод исследования. Объектом исследования является термомеханическое поведение конструкционных материалов с учётом эволюции их реальной структуры. Основное внимание уделяется процессу накопления энергии в материале в ходе его деформирования и взаимосвязи этого процесса с изменением механического поведения, локализацией деформации и разрушением материала. С этой целью детально исследуются процессы тепловыделения и генерации сигналов акустической эмиссии, вызванные эволюцией структуры материала. В работе экспериментально и теоретически исследованы особенности процесса накопления энергии в металлах (армко-железо, титан, сплав В95) при различных скоростях деформации (от 10" до 10 сек) и с различным размером зерна (от 0.5 мм в железе и до 150 нм в титане), процессы усталостного разрушения и трещинообразования в пластических (стали марок 35ХМЛ, 03Х17Н14М) и псев до пластических материалах (соляные горные породы).
При проведении исследований использовались экспериментальные методы инфракрасной термографии, акустической эмиссии, трёхмерной
профилометрии структурного рельефа. В теоретической части работы -методы статистической механики, термодинамики неравновесных систем, методы вычислительного эксперимента.
Научная новизна работы заключает в том, что в ней:
-
На основе оригинального статистического описания эволюции ансамбля мезодефектов в металлах развита математическая модель, описывающая баланс энергии при пластическом деформировании и разрушении твёрдых тел.
-
Предложено решение задачи определения структурно чувствительных переменных, характеризующих процессы накопления энергии в материалах; разработаны экспериментальные методики определения структурно-чувствительных переменных; разработана оригинальная методика анализа экспериментальных данных и расчёта зависимости скорости накопления энергии в материале.
-
Разработаны теоретические модели процессов распространения волн локализованной пластичности, динамической стохастичности при распространении трещин и инициирования волн разрушения.
-
Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование особенностей диссипации энергии при циклическом деформировании широкого класса металлических материалов; установлена связь термических, акустических и структурных предвестников разрушения при усталостном (многоцикловом) нагружении.
-
Экспериментально показано выполнение масштабно-инвариантных закономерностей (закона Гутенберга-Рихтера) для широкого класса материалов на лабораторном спектре масштабов и установлена стадийность изменения масштабно-инвариантных характеристик при циклическом деформировании металлов.
-
Разработана оригинальная модель прогнозирования времени разрушения материала на основе данных акустической эмиссии, накопленных в процессе нагружения.
-
Проведено экспериментальное исследование процессов диссипации энергии в металлах при динамическом деформировании; установлены зависимости процесса накопления энергии от скорости деформирования и размера зерна.
-
Впервые исследованы особенности диссипации и накопления энергии в объёмных субмикрокристаллических материалах; экспериментально установлены аномалии диссипации энергии при циклическом и динамическом деформировании.
Научная и практическая значимость. В работе, на основе оригинального статистического подхода к описанию эволюции ансамбля мезоскопических дефектов, построены определяющие соотношения, описывающие баланс энергии в материале в процессе деформирования и разрушения. Особенностью работы является теоретическое и экспериментальное исследование проблемы накопления энергии в металлах и разработка методов мониторинга предвестников разрушения. Результаты работы могут
быть применены при оценке надёжности реальных конструкций и разработке новых методов неразрушающего контроля.
В работе впервые проведено комплексное исследование процессов диссипации энергии при квазистатическом, динамическом и циклическом нагружении, экспериментально установлены аномалии диссипации энергии в объёмных субмикрокристаллических материалах и предложено теоретическое описание этого процесса.
На основе разработанной теоретической модели предложены методики применения инфракрасной термографии и акустической эмиссии при анализе текущего состояния и оценке усталостного ресурса поли- и субмикрокристаллических конструкционных материалов. Разработаны методы определения скорости накопления энергии в материале в процессе деформирования, позволяющие проводить верификацию существующих моделей пластического течения материалов.
На основе развитых представлений о процессах зарождения и развития дефектов исследованы закономерности перераспределения энергии в деформируемых образцах, построена статистическая модель предсказания времени разрушения образца.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Теоретическая модель накопления и диссипации энергии в металлах, основанная на результатах решения статистической задачи об эволюции ансамбля мезодефектов, позволяющая предложить разложение диссипативной функции системы на структурно-чувствительную и релаксационную части.
-
Феноменологические модели диссипации энергии при распространении волн локализованной пластичности, динамической стохастичности при распространении трещин, деформирования и разрушения материала при динамическом деформировании.
-
Методы инфракрасного сканирования при квазистатическом, динамическом и циклическом деформировании, методы обработки экспериментальных данных, позволяющие определить скорость накопления энергии в материале, методы мониторинга момента зарождения и распространения усталостных трещин, основанные на анализе корреляционных свойств поля температуры.
-
Результаты экспериментального исследования термических, акустических и структурных предвестников разрушения и их связи со стадийностью процесса циклического деформирования; анализ и численное моделирование диссипации энергии в процессе циклического деформирования.
-
Экспериментальные результаты, подтверждающие возможность исследования масштабно-инвариантных закономерностей (закона Гуттенберга-Рихтера) на лабораторном спектре масштабов в псевдопластичных и пластичных материалах; оценка стадийности процессов разрушения на основе характеристики распределений сигналов акустической эмиссии при циклическом деформировании и разрушении.
6. Результаты исследования процессов диссипации энергии в
субмикрокристаллических металлах при квазистатическом, динамическом и циклическом деформировании позволившие теоретически объяснить и экспериментально подтвердить эффект аномального поглощения механической энергии в объёмных субмикрокристаллических материалах.
Обоснованность и достоверность результатов расчётов и теоретических
выводов, сформулированных в диссертационной работе, обеспечиваются
обоснованностью физических представлений, корректностью
математических постановок задач, проведением тестовых расчётов, сопоставлением частных численных результатов с аналитическими решениями, результатами других авторов, оригинальными и опубликованными ранее экспериментальными данными. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается соблюдением методологии проведения эксперимента, использованием поверенного метрологического оборудования, устойчивой воспроизводимостью результатов и согласием установленных закономерностей с результатами других авторов.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на 12 зарубежных и 39 конференциях, проходивших на территории Российской Федерации. Среди них: Fifth international conference on fundamental of fracture (1997, USA), Всероссийская конференция "Математическое моделирование физико-механических процессов" (1997, Пермь), NATO Advanced research workshop on PROBAMAT-21 st century (1997, Perm), XIV Уральская школа металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (1998, Ижевск), NATO Advanced study institute on mechanics of composite (1998, Troia), Всероссийская молодёжная научная школа-конференция по механике деформируемых тел (1998, Казань), серия Международных зимних школ по механике сплошных сред (1997, 1999, 2005, 2008, Пермь), International conference "Dynamical systems modelling and stability investigation" (1999, Kyiv), International conference "Gesellschaft fur angewandte mathematik und mechanik" (1999, Metz), серия Всероссийских конференций "Актуальные проблемы прочности" (1999, Псков, 2004, Калуга, 2005, Вологда), III Уральская региональная школа-семинар молодых учёных и студентов по физике конденсированного состояния (1999, Свердловск), Вторая всероссийская конференция молодых учёных физическая мезомеханика материалов (1999, Томск), Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (2001, Пермь, 2006, Нижний Новгород), NATO Advanced Study Institute "Thermodynamics, microstructures and plasticity" (2002, Frejus, France), 12-th International Workshop Computational Mechanics of Materials (2002, Darmstadt, Germany), Всероссийская конференция молодых учёных «Нелинейные переходы в сплошных средах» (2002, 2004, 2007, Пермь), Серия международных конференций «Уравнения состояния вещества» (2005, 2006 Эльбрус), Серия конференций «Петербургские чтения по проблемам прочности» (2005, 2007, 2008, Санкт-Петербург), 10-th International symposium on physics of materials
(2005, Prague, Czech republic), Серия Всероссийских научных конференций «Неразрушающий контроль и диагностика» (2005, 2006, 2007, Екатеринбург), Всероссийская научная конференция «Актуальные проблемы механики сплошных сред» (2005, Пермь), Всероссийская научная конференции Демидовские чтения на Урале (2006, Екатеринбург), Международная конференция MESOMECH' 2006. Физическая мезомеханика, компьютерное моделирование и разработка новых материалов (1999, 2006, 2008, Томск), Всероссийская конференция молодых ученых по механике сплошных сред посвященной 80-летию со дня рождения чл.-кор. АН СССР А.А.Поздеева «Поздеевские чтения» (2006, Пермь), 5-th International conference Materials structure and micromechanics of fracture (2007, Brno, Czech Republic), Всероссийская конференция молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (2007, Пермь), Всероссийская конференция Механика микронеоднородных материалов и разрушение (2008, Екатеринбург), XI международная конференция Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов. (2008, Екатеринбург), 17-th European conference of fracture (2008, Brno, Czech Republic), 1-st African Interquadrennial ICF Conference (2008, Alger, Algeria), Четвёртый международный симпозиум Геодинамика внутриконтинентальных орогенов и геоэкологические проблемы (2008, Бишкек, Киргизия).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 46 научных публикациях, в том числе, в 12 статьях российских журналов из перечня ВАК, 9 статьях в рецензируемых зарубежных журналах и в 25 статьях в периодических сборниках, трудах международных и всероссийских конференций.
Личный вклад автора состоит в постановке задач, формулировке основных результатов и выводов диссертации. Автор непосредственно разрабатывал методы, алгоритмы и программы численного моделирования и обработки экспериментальных данных. Анализ теоретических результатов и построение теоретической модели накопления и диссипации энергии в металлах проводилось непосредственно автором при обсуждении с научным консультантом на основе введённой профессором О.Б. Наймарком концепции структурно-скейлинговых переходов в сплошных средах. Автор непосредственно руководил работой по разработке, созданию и эксплуатации большинства экспериментальных комплексов, использованных в работе, лично проводил экспериментальные исследования и обработку экспериментальных данных.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 359 страниц, включая 139 рисунков и 11 таблиц. Список литературы содержит 241 наименований.
Влияние скорости деформирования на процесс накопления энергии
Впервые тепловые эффекты, связанные с процессами деформации твёрдых тел, наблюдались более 150 лет назад. По-видимому, первое научное сообщение о данном эффекте принадлежит лорду Кельвину (Kelvin) [218]. Первым металлом, для которого было детально исследовано отношение диссипированной и накопленной энергии, является медь. Работа была опубликована в 1900 году [112]. Современная история изучения термомеханических эффектов в конструкционных материалах началась с работ [132,217], где было установлено, что энергия, расходуемая на деформирование материала, в основном, выделяется в виде тепла и незначительно переходит во внутреннюю (не тепловую) энергию материала. Авторы измерили долю рассеянной (диссипированной в тепло) и полной энергии деформирования при растяжении и кручении стали, меди и алюминия в поли - и монокристаллическом состояниях, и нашли, что эта величина имеет порядок 0.9. Они показали, что энергия, необходимая для полного насыщения меди для всех путей деформирования равна приблизительно 15 кал/г при 15С, а величина накопленной энергии не превышает 1 кал/г. Аналогичные результаты о фактически полной диссипации энергии деформирования в тепло были получены другими исследователями [151,158,159] для различных материалов.
Результаты, полученные в работах [132,217] создали впечатление законченности исследования вопроса о накоплении энергии в материалах при пластическом деформировании и разрушении. Однако, как следует из ряда публикаций, величина энергии запасённой в процессе деформирования при некоторых условиях может достигать 40 процентов энергии, затрачиваемой на формоизменение образца, и существенно зависит от характеристик процесса деформации (напряжения, скорости деформации, истории деформации, температуры деформации и т.д.). Обычно отношение запасённой энергии к израсходованной, является наибольшим на начальной стадии процесса, и понижается при дальнем увеличении деформации. Диаграммы зависимостей отношения накопленной энергии и пластической (затраченной) работы для монокристаллов алюминия, меди и серебра при различных типах нагружения и различных ориентациям кристаллографических осей представлены в работах [132, 146, 161, 174, 216, 226, 232-234]. Поликристаллы исследованы в работах [7, 17, 60, 77, 88, 91-94, 97, 98, 106, 111-119, 121-130, 134, 135, 137, 139-147, 152-154, 156, 157, 163-168, 171-173, 181-185, 187, 190-193, 195, 196, 199-201, 204, 207, 210-212, 219-221, 224, 225, 228-235, 237, 240, 242,], где отношение диссипированной и затраченной энергий, изменялось в диапазоне от 0.2 до 0.9.
В середине прошлого столетия были предложены несколько теоретических гипотез для описания явления диссипации энергии в металлах. Диссипация энергии связывалась с движением дислокаций [120], генерацией барьеров и аннигиляцией дислокаций [205]. Механизм диссипации энергии, основанный на эволюции точечных дефектов, предложен в работе [180]. При анализе результатов отмечается, что точечные дефекты могут образовываться как в процессе деформирования, так и при изготовлении материала, что в конечном итоге может приводить к различной кинетике температуры в различных точках материала. Колебания температуры должны наблюдаться в областях с высокой плотностью дефектов с характерным размером приблизительно 100 параметров решетки, в случае, когда их источником являются движущиеся дислокации, или в областях с размером порядка размера зерна, если источником являются линии локализованного сдвига [151]. Другими источниками диссипации тепла в материале могут быть напряжения внутри единичного зерна и взаимодействие зерен [68].
Наиболее полный литературный обзор экспериментальных исследований, выполненных до 1970 года и посвященных процессу накопления энергии в металлах, был опубликован в [103] и позднее в [143].
В настоящее время наблюдается увеличение интереса к данной проблеме, вызванное возможностью применения высокоскоростных инфракрасных датчиков для неразрушающего контроля состояния конструкционных материалов [17,18,165]. Это ведет к необходимости более глубокого понимания проблем термодинамики процесса деформирования и созданию адекватных математических моделей конструкционных материалов. Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических попыток найти решение проблемы взаимосвязи термических и механических свойств материала, в настоящее время не существует общепринятой теоретической модели этого процесса.
Основной целью данной работы является разработка термодинамической модели процессов накопления и диссипации энергии в металлах, основанной на рассмотрении реальных дефектов и экспериментальном исследовании процессов диссипации энергии в металлах при квазистатическом, циклическом и динамическом деформировании.
В первом параграфе данной главы дан краткий обзор экспериментальных исследований структурно-скейлинговых (или структурно-фазовых) переходов в ансамбле дефектов в процессе пластического деформирования металлов. Обзор завершен работами, наиболее близкими по целям и методологии к исследованиям, проведённым в данной диссертации. Во втором параграфе приведены теоретические модели, определяющие величину энергии, накопленной в материале и её связь с основными носителями пластической деформации. Дополнительно рассмотрены некоторые континуальные механические модели пластической деформации, описывающие баланс энергии в деформированных металлах, являющиеся наиболее близкими к теоретической модели развиваемой в данной работе. Заключительная часть главы представляет обзор современных экспериментальных исследований диссипации энергии в металлах и применения метода инфракрасного сканирования.
Кинетика ансамбля микродефектов. Основные реакции твёрдого тела на рост дефектов
Построение замкнутого теоретического описания баланса энергии в деформируемом материале требует разработки адекватных экспериментальных методов исследования эволюции его температуры. Для определения величины накопленной энергии в металлах используются экспериментальные методы двух различных типов. В [103] эти методы классифицируются как одностадийные (one step) и двухстадийные (two steps).
Основная идея одностадийного метода - измерение температуры непосредственно в ходе эксперимента с помощью термопары, инфракрасного сканирования или проведение эксперимента непосредственно внутри калориметра. Исторически термопары были впервые применены для измерения температуры в задачах разрушения в работе [226], измерение интенсивности инфракрасного излучения с целью определения температуры квазистатически деформируемого тела было выполнено в [172], циклически деформируемого тела в [198]. Одной из перспективных модификаций одностадийных методов являются гибридные методы, использующие сопоставление данных инфракрасного сканирования с конечно-элементным моделированием [237].
Принципиально другую идею измерения величины накопленной энергии используют двухстадийные методы. Данные методы основаны на сравнении теплового поведения деформированного и эталонного образцов в условиях отжига. При определении величины накопленной энергии используются две процедуры отжига: изотермический и неизотермический. При неизотермическом отжиге температура образца увеличивается с постоянной скоростью и измеряется величина высвобождаемой энергии. При изотермическом отжиге исследуется количество высвобожденной энергии в зависимости от времени. Двухстадийные методы более точны в оценке величины энергии запасённой в процессе деформирования. Основным недостатком данных методов является сложность учёта процессов, происходящих в материале сразу после эксперимента (в момент снятия образца с машины и переноса в калориметр).
Экспериментальное исследование процесса накопления энергии при квазистатическом деформировании
Детальному исследованию процесса накопления энергии в металлах при квазистатическом деформировании посвящен цикл работ [182-185]. Основной идеей проведённых экспериментов является помещение в поле зрения инфракрасной камеры (AGA-680) двух образцов. Один, из которых механически деформируется, а второй нагревается электрическим током до той же температуры. Данная схема эксперимента позволяет с высокой степенью точности рассчитать величину диссипированной энергии на основе эффекта Джоуля-Ленца.
Авторы исследовали влияние начального размера зерна, истории деформации и процесса локализации деформации на скорость накопления энергии. Полученные результаты представлены на рисунке 1.7.
Показано, что меньший размер зерна (в области микронных размеров) приводит к более высокому значению накопленной энергии на начальной стадии процесса деформирования, при этом процесс предварительной пластической деформации качественно изменяет процесс накопления энергии.
Отожженный материал имеет два максимума. Появление второго максимума авторы связывают деформационно-индуцированным мартенситным переходом. Предварительная пластическая деформация в продольном направлении устраняет максимум на кривой.
Локализация деформации ведет к увеличению диссипации энергии в металлах. При этом наблюдается ситуация, когда количество энергии, преобразованной в тепло больше, чем работа, приложенная к образцу в течение соответствующего приращения пластической деформации.
Основываясь на микроструктурных исследованиях свободной поверхности образца, авторы предлагают следующий сценарий процесса накопления энергии.
Для сохранения сплошности в течение процесса деформирования формы отдельных зерен должны изменяться в соответствие с изменением формы всего образца, при этом некоторые компоненты тензора деформации становятся замороженными, и в результате, в границах зёрен возникают дополнительные напряжения. Возникновение напряжений в границах зёрен является наиболее интенсивным на начальной стадии пластической деформации. Дальнейшее увеличение внутреннего напряжения должно вести к активации вторичных систем скольжения и, как следствие, к увеличению скорости диссипации энергии.
Тепловые эффекты, сопровождающие упруго-пластический переход при квазистатическом растяжении, были исследованы в работе [114]. Экспериментальная установка включала в себя одноосную испытательную машину, совмещённую с инфракрасной камерой Agema 880 (InSb датчик с диапазоном 2-5.6 мкм). В работе исследованы стали марок S355MC, HR55, DD14. В результате установлено, что при одноосном нагружении в образцах, сделанных их стали марки S355MC, возникает одна или несколько диссипативных волн, распространяющихся с постоянной скоростью по поверхности образца; скорость распространения тепловых волн зависит от скорости деформации, а амплитуда может достигать 3-4 градусов
Моделирование динамического поведения ансамбля мезоскопических дефектов
Оценки, полученные для одномерного случая, можно использовать для сферически симметричных структур в случае большей размерности. На рисунке 2.10 представлены результаты численного моделирования эволюции одномерной и сферически симметричной структур, с полностью совпадающей кинетикой.
Сферически симметричные автомодельные решения качественно описывают реально наблюдаемые режимы поведения макроскопических трещин и других объектов (например, волн разрушения). HS-режим соответствует гипотетической ситуации распространения макроскопической трещины при условии отсутствия ограничений на скорость подвода энергии в её вершину, когда единичный дефект способен развиться до размеров образца. S-режим описывает появление в материале множества взаимодействующих дефектов одного фиксированного размера LT.
Наиболее адекватно процесс разрушения можно моделировать, используя уравнения, соответствующие LS-режиму. При выборе достаточно высоких степеней разложения свободной энергии по параметру р в модели
существует некоторый фиксированный спектр возможных зон разрушения. Можно показать, что для каждой структуры LS-режима существует мажорирующий её S-режим. Аналитические оценки, полученные для S-режима, удобно использовать для получения априорных оценок и выяснения кинетики процессов разрушения. Например, при моделировании задач распространения трещин и динамического разрушения хрупких материалов в волнах разрушения.
Нелинейные закономерности перехода от дисперсного к макроскопическому разрушению при распространении трещин в квазихрупких материалах.
В случае распространения трещины в квазихрупком материале динамика взаимодействия макротрещины и ансамбля микродефектов в окрестности вершины трещины включает две стадии. Первая стадия завершается формированием области локализации дисперсного разрушения. Это приводит к возникновению новой дефектной структуры (очага разрушения) и соответственно флуктуации поля напряжений.
Вторая стадия соответствует взрывообразному росту плотности микротрещин, локализованному на пространственном масштабе LT. За время t0 развивается в режиме «взрывной» неустойчивости. Пространственный масштаб и время обострения не вводятся в модель априорно, а следуют из анализа автомодельных решений рассматриваемой задачи.
Соотношение (2.46) определяет минимальный масштаб локализации. В частности для модельного эксперимента по распространению трещин в ПММА эта оценка соответствует экспериментально наблюдаемому минимальному размеру мезоскопических дефектов 10_б vlO"7 м.
Время локализации структуры оценивается выражением (далее все оценки выполнены для модельного эксперимента на ПММА) tc=const(p q0)_1 10-6c Если процесс распространения трещины осуществляется только за счёт последовательного возбуждения зон минимальной длины, тогда предельная скорость прямолинейного распространения трещины по порядку величины не может превышать следующего значения
Однако переход от прямолинейного к ветвящемуся режиму распространения трещины наблюдается при больших скоростях. Анализ фрактографий изломов показывает, что максимально возможный размер зеркальных зон Ь т 10 м наблюдается на поверхности образца при переходе от прямолинейного в ветвящемуся режиму распространения трещины (рис. 2.12а). Пространственный масштаб L T, на котором
Полное время разрушения тс складывается из двух частей: tu - период формирования пространственного распределения дефектов - времени индукции и tc - времени обострения. Значения L и tc определяют критическую скорость прямолинейного распространения трещины
Рассмотрим более детально два характерных режима распространения трещины: прямолинейное распространение V Vc и режим ветвления трещины V VC. На рисунке 2.11 приведены графики накопления повреждённости в некоторой точке перед вершиной трещины в зависимости от времени для различных режимов распространения трещины. Прямолинейное распространение реализуется в случае, если время tu составляет основную часть времени тс. Скорость трещины в этом случае не превышает критической V =L T/(tu + tc) L T/tc = Vc. Физически это означает, что в окрестности вершины трещины на масштабе L формируется область, где напряжения превышают критические сг сгс, и за время тс =LT/V tc происходит зарождение трещин вдоль линии первоначальной ориентации макротрещины (рис 3.1а). При критическом уровне внешней нагрузки, обеспечивающей V Vc, на поверхности излома образца формируется характерная ячеистая структура с максимально возможным размером зеркальных зон (рис. 2.12а).
На рисунке 2.126 приведены результаты численного моделирования эволюции плотности микротрещин в зоне перед вершиной трещины (линия с-с) без учёта обратного влияния роста плотности дефектов на напряжённое состояние.
Исследование процесса диссипации энергии в армко-железе методом инфракрасного сканирования
Влияние захватов на процесс эволюции дефектов в материале моделировалось конечно амплитудным возмущением поля структурной деформации p(0,t).
Система уравнений решалась численно, с использованием пакета SciLab. На рисунке 3.9 представлена фазовая диаграмма в координатах напряжение -структурная деформация для представительного объёма образца. Сплошная линия соответствует состояниям термодинамического равновесия, определяеого условием р = 0. Точки соответствуют эволюции системы во время прохождения волны через рассматриваемый объём материала. Эволюция системы в диапазоне напряжений ниже 0.015 и выше 0.023 является полностью детерминированной и определяется видом термодинамической кривой. В метастабильной области для каждого напряжения существуют две различные равновесные концентрации дефектов, разделённые неустойчивой точкой [63]. В результате система демонстрирует поведение аналогичное фазовому переходу, инициируемому возмущением на границе образца. На рисунке 3.10 представлено распределение температуры на поверхности образца в различные моменты времени (а) и поле деформации в соответствующие моменты времени (б) при скорости деформирования е = 3-10_3 (с).
Из анализа рисунка 3.10 можно сделать вывод, что локализация деформации в некоторой части образца ведёт к «замораживанию» процесса деформирования в других областях (рис. 3.106), область локализации деформации распространяется по образцу со скоростью порядка 6-Ю"3 (м/с). Полученные численные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными в следующих главах.
Распределение температуры на поверхности образца при квазистатическом нагружении на пластическом плато (а), локализация деформации с соответствующие моменты времени (б).
Локализация деформации сопровождается диссипацией тепла и ведёт к зарождению и распространению температурной волны по поверхности образца. Автомодельные решения задачи распространения волн локализованной пластичности на пластическом плато были получены в параграфе 2.5. Проверка совпадений численных и аналитических решений обеспечивало проверку устойчивости и корректности численного метода.
Задача решалась численно в среде SciLab. На рисунке 3.11а представлена эволюция температуры образца в процессе циклического деформирования. На рисунке можно выделить три характерные (экспериментально наблюдаемые) стадии эволюции температуры в ходе усталостного нагружения. На начальном этапе эксперимента наблюдается рост средней температуры образца, вызванный приспособляемостью структуры материала в условиях приложения внешней нагрузки, вслед за этим температура образца стабилизируется. На этапе стабилизации материал эффективно рассевает приложенную энергию и мощность производства тепла равна скорости его оттока за счёт градиента температуры между образцом и окружающей средой. На заключительном этапе эксперимента мощность генерации тепла резко возрастает, что приводит к скачкообразному росту средней температуры и разрушению образца.
На рисунке 3.116 представлены модули вейвлет коэффициентов разложения зависимости температуры от времени, выполненного на основе комплексного вейлета Морле. Из анализа рисунка 3.116 можно сделать вывод, что заключительная стадия эксперимента сопровождается генерацией старших гармоник в поле температуры, что хорошо согласуется с результатами экспериментов, представленными в четвёртой главе.
Предложенная модель позволяет провести моделирование эволюции температуры при усталостном деформировании в точке с концентрацией напряжений. На рисунке 3.12 представлена эволюция температуры на поверхности образца при циклическом деформировании в точке зарождения усталостной трещины в начале нагружения и на его заключительной стадии (коэффициент ассиметрии цикла - R = 0.1, максимальное напряжение 1300 МПа, время жизни образца 11000 циклов).
Накопление дефектов и их влияние на диссипативные свойства материала в одномерном случае описываются системой уравнений (3.32). При моделировании быстропротекающих процессов адиабатическое приближение по переменной структурной деформации р не может быть использовано. Исследовалась полная система уравнений с учётом двух независимых структурных переменных р,5, введённых во второй главе. Для замыкания системы уравнений необходимо определить зависимости F , F5.
