WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Коробенков Максим Викторович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМАЦИИ, ПОВРЕЖДЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ХРУПКИХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕД ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

01.02.04 — механика деформируемого твёрдого тела

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени
кандидата физико-математических наук

Томск – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Научный руководитель:        доктор физико-математических наук,

профессор,

Скрипняк Владимир Альбертович

Официальные оппоненты:

Герасимов Александр Владимирович

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», «Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики», отдел 20, заведующий отделом.

Черепанов Олег Иванович

доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», кафедра ЭСАиУ, профессор

Ведущая организация:

федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт физики прочности и материаловедения» Сибирского отделения Российской академии наук, г. Томск

Защита состоится «25»  декабря  2012 г. в  10  ч.  30  мин. на заседании
диссертационного совета Д 212.267.13, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по адресу 634050, г. Томск, пр. Ленина, 34а

Автореферат разослан «___»  ноября 2012

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор технических наук                                Ю.Ф. Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Применение в технике новых поколений керамических композиционных материалов, потребовало создания адекватных моделей и методов, позволяющих прогнозировать их механическое поведение в широких условиях внешних воздействий, включая интенсивные динамические нагрузки. В настоящее время большой интерес представляют конструкционные керамические материалы, создаваемые на основе порошков с нанокристаллической структурой и обладающие повышенными прочностными характеристиками и трещиностойкостью.

Создание методов описания и прогнозирования механического поведения хрупких гетерогенных сред, учитывающих их структуру и закономерности процессов повреждения и разрушения, является актуальной задачей механики деформируемого твёрдого тела. Одним из наиболее перспективных подходов к решению этой проблемы является вычислительная механика материалов.

Модели и подходы для численного моделирования деформации разрушения хрупких структурированных сред в условиях динамических воздействий получили развитие в работах Псахье С.Г., Макарова П.В., Скрипняка В.А., Смолина А.Ю., Стефанова Ю.П., Белова Н.Н., Герасимова А.B., Аптукова  В.Н. и др.

В последнее десятилетие интенсивно развиваются подходы физической мезомеханики и многоуровневого моделирования процессов и физико-механических явлений в структурированных средах, в рамках которых разрабатываются модели, позволяющие изучать влияние структуры на закономерности деформации и разрушения сред и материалов. Перспективными являются модели и методы, учитывающие при прогнозировании макромеханического поведения процессов эволюции структуры на иерархических масштабных уровнях: нано -, микро-, мезо- . В этой связи задача создания вычислительных моделей процессов деформирования и повреждения сред, структурированных на разных масштабных уровнях, является актуальной задачей.

Целью работы является разработка вычислительной моделей для описания и прогнозирования деформации, повреждения и разрушения хрупких гетерогенных сред при динамических нагрузках.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1 Разработка физико-математической модели для описания деформации, эволюции поврежденности и разрушения двухфазных конденсированных структурированных сред  при динамическом нагружении, с учетом параметров структуры (концентрации упрочняющих частиц, формы упрочняющих частиц, наличия пор).

2 Разработка методики моделирования механического поведения наполненных керамических композитов с концентрацией упрочняющих частиц до 20 %, с учетом распределения упрочняющих частиц  в объеме материала.

3 Исследование структуры керамических композиционных материалов Al2O3 - ZrO2 - Y2O3 на мезоскопическом, микроскопическом и наноструктурных уровнях с применением методов оптической, зондовой сканирующей и электронной микроскопии. Получение экспериментальных данных о структуре ряда опытных образцов керамических композиционных материалов Al2O3 – ZrO2 –Y2O3, наполненных субмикронными включениями на разных масштабных уровнях.

4 Проведение экспериментальных исследований с целью получения данных о закономерностях деформации, разрушения и механических характеристиках опытных образцов керамических композиционных материалов Al2O3 – ZrO2 –Y2O3 (пределах прочности при изгибе и сжатии, трещиностойкости, твердости).

5 Численное исследование 2D и 3D постановках закономерностей развития повреж­дений и разрушения в керамических композиционных материалах с учетом структуры на мезоскопическом и субмикронном уровне при ударно волновых воздействиях с амплитудами до 10 ГПа.

Методы исследования

       Для получения экспериментальных данных о пределах прочности при изгибе и сжатии, трещиностойкости, твердости образцов перспективных керамических композиционных материалов с оксидной керамической матрицей, наполненных субмикронными включениями были проведены испытания на сервогидравлическом стенде Instron VHS-40/50-20 при осевом сжатии, трехточечном изгибе, испытании на трещиностойкость. Для получения и данных о трещиностойкости применялся также метод индентации алмазной пирамиды (Виккерса), предложенный Эвансом и Чарльзом.

       Для получения экспериментальных данных о фазовом составе керамических композитов, структуре на нано-, микро-, мезо- и макро уровнях применялись методы электронной сканирующей микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), зондовой сканирующей микроскопии, оптической микроскопии.

       Для выполнения вычислительных экспериментов применялись методы численного моделирования на основе конечно-разностного метода Уилкинса и метода гидродинамики сглаженных частиц (SPH). Решение задач в двумерных и трехмерных постановках выполнялось в режиме параллельных вычислений на суперкомпьютере «СКИФ Cyberia» ТГУ с производительностью 22,72 Tfolp/s.

Научная новизна диссертации состоит в разработке вычислительных моделей и алгоритмов численного описания процессов деформации и разрушения гетерогенных конденсированных сред при динамическом нагружении в 2D и 3D постановках.

       1. Предложена оригинальная математическая модель развития повреждений и разрушения гетерогенных конденсированных сред и разработаны соответствующие алгоритмы ее использования для исследования процессов деформации, и разрушения наноструктурных оксидных керамических материалов. Модель позволяет учесть распределение упрочняющих частиц и пор по размерам, наличие кластеров пор и агломератов упрочняющих частиц, возможный дилатансионный эффект неупругой деформации ZrO2 при мартенситном фазовом превращении.

       2. Предложена методика для прогнозирования механического поведения керамических композиционных материалов при динамическом нагружении на основе численного моделирования процессов импульсного нагружения с амплитудами до 10 ГПа с учетом экспериментальных данных об начальной структуре материалов на разных масштабных уровнях.

3. Впервые проведено компьютерное моделирование процессов неупругой деформации и разрушения наноструктурных керамических композиционных материалов Al2O3 – ZrO2-Y2O3 в широком диапазоне изменения соотношений фаз при нагружении ударными волнами с амплитудами до 10 ГПа.

4. Впервые проведено компьютерное моделирование процессов развития повреждений в композитах Al2O3 – ZrO2-Y2O3  с наноструктурной матрицей и размерах частиц ZrO2 от 100 нм до 5 мкм в условиях ударно-волновых воздействий с амплитудами до 10 ГПа, с учетом возможного дилатансионного  эффекта неупругой деформации ZrO2 при мартенситном фазовом превращении.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертации, обеспечивается корректностью постановки решаемых задач, их физической обоснованностью, выбором подходящего метода численного решения и проведением тестовых расчетов; непротиворечивостью полученных результатов и их соответствием в предельных случаях теоретическим результатам, известным из литературы, а также имеющимся экспериментальным фактам. Достоверность полученных экспериментальных данных о механических свойствах и параметрах структуры обеспечивается применением комплекса современных приборов, выполнением исследований в соответствии с требованиями ГОСТов и стандартов ASTM, корреляцией полученных данных с результатами исследований, приведенными в литературе.

Практическая ценность новых научных результатов состоит в том, что

разработанные модели и вычислительные алгоритмы расширяют возможности исследования процессов деформации и разрушения керамических композиционных материалов, включая трансформационно-упрочненные композиты и оксидные нанокомпозиты. Они могут использоваться при решении как прикладных, так и научных поисковых задач и обеспечивают более полное понимание закономерностей процессов деформации и разрушения субмикрокристаллических керамических композиционных материалов.

Полученные численные решения ряда задач вносят вклад в развитие представлений о возможных механизмах развития повреждений и разрушения субмикрокристаллических керамических композиционных материалов при ударно-волновых воздействиях.

Полученные данные о прочностных свойствах опытных образцов перспективных керамических композиционных материалов с оксидной керамической матрицей, наполненных субмикронными включениями ( 0,3Al203+0,7 (ZrO2 +3 % Y2O3),  0,8 Al2O3 0,17 ZrO2 – 0,03 Y2O3,  0,3 Al2O3 0,7 [(ZrO2 – 3 % Y2O3) -0,056 (Al2O3 1,5 % MgO)]) и др. представляют интерес для применения композитов в инженерной практике.

Разработанные модели, методика расчета могут быть использованы для решения широкого круга научных и практических задач механики структурно-неоднородных сред.

Реализация и внедрение результатов исследований

Разработанные модели и алгоритмы использовались при выполнении фундаментальных исследований в рамках ряда проектов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., (ГК П817 от 17.08. 2009 г.; ГК П604 от 06.08.2009 г.; ГК П1247 от 07.06.2010 г.; ГК П1228 от 27.08.2009 г.); проектов АВЦП “Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)” (проекты 2.1.2/6809, 2.1.1.5993 2.1.2/13526 , 2.1.1/13521).

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Модель механического поведения гетерогенных конденсированных сред при динамическом нагружении для описания процессов деформации, эволюции поврежденности и разрушения оксидных керамических композиционных материалов, учитывающая влияние на механическое поведение концентрации упрочняющих частиц микронного и субмикронного размера, параметры поровой структуры.
  2. Методика моделирования на мезоскопическом уровне механического поведения гетерогенных конденсированных сред, использующая для генерации вычислительной модели структурированного объема керамических композиционных материалов экспериментальные данные о структуре на разных масштабных уровнях и позволяющая прогнозировать влияние структуры на механические характеристики наноструктурных и поликристаллических оксидных керамических композитов (величины модулей упругости, пределов упругости Гюгонио, параметры кинетики повреждения) при интенсивных динамических воздействиях с амплитудами до 10 ГПа.
  3. Результаты исследования фазового состава и структуры керамических композиционных материалов Al2O3ZrO2Y2O3, полученных методом горячего прессования из наноструктурных порошков отечественного производства, свидетельствующие о наличии в объеме материалов бимодальных распределений упрочняющих частиц и пор по размерам, наличия агломератов наноразмерных упрочняющих частиц и кластеров наноразмерных пор.
  4. Результаты экспериментальных исследований деформации, накопления  повреждений и разрушения в опытных образцах композиционных керамических материалов Al2O3 ZrO2 Y2O3 при испытаниях на одноосное сжатие с постоянной скоростью деформации, трехточечный изгиб и трещиностойкость, свидетельствующие о слабом влиянии скорости деформации в диапазоне от 10-3 до 10 с-1 на прочностные характеристики наноструктурных керамических композитов. Результаты, свидетельствующие о том, что повышение трещиностойкости керамических композиционных материалов Al2O3ZrO2Y2O3 с субмикрокристаллической матрицей сопровождается снижением характеристик прочности (изгибной прочности и прочности на сжатие) в условиях квазистатического нагружения.
  5. Результаты численных исследований в 2D и 3D постановках распространения ударных импульсов на мезоскопическом уровне в керамических композиционных материалах Al2O3ZrO2Y2O3 cо стохастическим распределением в объеме упрочняющих частиц субмикронного размера, позволяющие определить особенности развития процессов неупругой деформации и разрушения керамических композиционных материалов при интенсивных динамических воздействиях. Результаты, свидетельствующие о том, что в условиях динамического нагружения релаксации сдвиговых напряжений в оксидных керамических композитах происходит в результате зарождения повреждений в области концентраторов напряжений мезоскопического уровня вблизи микропор, острых граней упрочняющих частиц, тройных стыков частиц и зерен наибольших размеров. С ростом скорости деформации в диапазоне от 1000 до 105 с-1 вязкость разрушения оксидных композитов резко уменьшается.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

Вторая Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов», г. Томск, 12 - 16 октября 2009г.; XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» Москва, 2009 г.,  XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика, Новосибирск– 2010, XXXVI Гагаринские чтения. Молодежной научной конференции. Москва, 6-10 апреля 2010 г., Пятая Всероссийская конференция молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем, Томск г. Томск, 2009 г., Седьмая Всероссийская научно-техническая конференция "Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях" (ИАМП-2010) г. Бийск, 6 – 7 октября 2010 г. – Бийск, Молодежная научная конференция Томского государственного университета «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред» Томск , 2010 г., Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» Новосибирск: 2010, Молодежная научная конференция Томского государственного университета «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред» 2010 г., Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» Новосибирск, 2010, Международной молодежной научной конференции Москва, 5-8 апреля 2011 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах: 3 в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК; 11 в статьях материалов и трудов научных конференций различного уровня.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников из 95 наименований. Объем диссертации составляет 127 страниц, в том числе 117 рисунков и 2 таблицы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность тематики диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, перечислены полученные новые результаты, их научно-практическая ценность, приведены положения, выносимые на защиту, а также обоснованность и достоверность расчетов и выводов, дана краткая характеристика разделов диссертации.

В первом разделе приведены результаты проведенных исследований структуры и механического поведения керамических композиционных материалов с оксидной матрицей в квазистатических и динамических условиях нагружения. Разработка физико-математической модели механического поведения перспективных оксидных керамических композитов в широком диапазоне условий нагружения, сопряжена с необходимостью выявления и учета структурных факторов, определяющих механические свойства композитов. Для выявления характерных особенностей структуры керамических композитов с оксидной матрицей на разных масштабных уровнях были выполнены исследования на образцах материалов, полученных методом высокотемпературного спекания и горячего прессования из нанопорошков Al2O3, ZrO23 % Y2O3, Y2O3 , Al2O3 1,5 % MgO производства OAO «Сибирский химический комбинат» (г. Северск).

Проведенные исследования показали, что в исследованных опытных композиционных материалах Al2O3ZrO2Y2O3 частицы диоксида циркония находятся  преимущественно в тетрагональной фазе (t ZrO2). Характерная структура керамического композита 0,8 Al203 0,17 ZrO2 0,03Y2O показана на рис.1. Размеры частиц tZrO2 имеют бимодальное распределение. Наряду с микронными частицами tZrO2 , сформировавшимися при спекании агломератов наночастиц, в структуре композитов на микроскопическом и нано уровнях присутствуют частицы с размерами от десятков до 400 нм. После стереометрической реконструкции полированных поверхностей образцов керамических композиционных материалов были определены параметры поровой структуры. Относительный суммарный объем пор в керамических композитах не превышал ~ 2 %. На рис. 2 показано характерное распределение размеров пор в композиционных материалах Al2O3ZrO2Y2O3 и соответствующие относительные объемы пор. Обнаружено, что поры имеют бимодальное распределение. Наряду с порами со средними размерами ~2,5 мкм в матрице присутствуют кластеры пор с размерами ~300 нм.

Данные о зеренной структуре матрицы композитов, распределении и размерах упрочняющих частиц на нано- и микроскопическом уровнях, были получены при исследовании образцов композитов методами электронной сканирующей микроскопии и зондовой сканирующей микроскопии.

Рис.1. – Характерная структура керамического композита 0,8 Al203+0,17 ZrO2 +0,03Y2O3

Рис. 2 Распределения пор по размерам в объеме композиционного

Полученный комплекс данных о нано- , микро-, мезо и макроструктуре керамических композиционных материалов, полученных из нанокристаллических порошков оксидов металлов, свидетельствует о необходимости учета структуры на разных масштабных уровнях для получения адекватных прогнозов механических свойств. Показана необходимость разработки многоуровневых моделей, учитывающих особенности поровых структур и структуры распределения упрочняющих частиц на мезоскопическом и наноструктурном уровнях для прогнозирования механических свойств керамических нанокомпозитов, упрочненных субмикронными частицами.

Приведены результаты исследования механического поведения опытных керамических композиционных материалов при осевом сжатии с постоянной скоростью деформации в диапазоне от 10-3 до 10 с-1, при трехосном изгибе. Получены данные о трещиностойкости образцов керамических композитов Al2O3ZrO2Y2O3 методом трехточечного изгиба и методом методом контролируемого внедрения индентора с использованием схемы Викерса.

Полученные данные о изгибной прочности, прочности при осевом сжатии, параметрах трещиностойкости K1C  показаны квадратными символами на рис.3 и 4. Полученные данные согласуются с результатами исследований, приведенных в литературе.

Рис.3–Зависимость предела прочности при сжатии от трещиностойкости

Рис. 4 – Изгибная прочность керамических композитов 0,3Al2030,7 (ZrO2 3 % Y2O3) от скорости нагружения

Полученные данные свидетельствуют о том, что скорость деформации в диапазоне от 10-3 до 10 с-1 слабо влияет на прочностные свойства наноструктурных керамических композитов Al2O3ZrO2Y2O3. Повышение трещиностойкости керамических композиционных материалов с субмикрокристаллической оксидной матрицей сопровождается снижением характеристик прочности (изгибной прочности и прочности на сжатие).

       Второй раздел посвящен развитию двухуровневой вычислительной модели для исследования кинетических процессов повреждения и разрушения композиционных материалов с оксидной керамической матрицей, наполненных субмикронными включениями. При создании модельных объемов композитов Al2O3ZrO2Y2O3 были учтены данные исследования микроструктуры опытных материалов на разных масштабных уровнях. В модели учитывается, что поры и упрочняющие частицы имеют бимодальное распределение по размерам.

Двухуровневая модель учитывает структурные факторы (характеристики поровых структур, характеристики фазовой структуры) на двух сопряженных иерархических уровнях – мезоскопическом и микроскопическом. Структурные элементы мезоскопического уровня (упрочняющие частицы, межфазные границы, тройные стыки частиц фаз, поры) задаются в модели явным образом при построении модельных объемов композиционных материалов. На свободных границах пор и контактных границах частиц заданы соответствующие граничные условия. Параметры структурных элементов более низкого масштабного уровня (микроскопического) учитываются неявно с помощью коррекции численных значений параметров конденсированных фаз – матрицы и упрочняющих частиц.

Для оценки параметров механического поведения структурированных сред в процессе динамического нагружения используется процедура усреднения параметров состояния в сечении модельного объема или в самом модельном  объеме. Геометрические размеры модельного структурированного объема, выбираются  так, чтобы удовлетворялись условия применения метода усреднения физико-механических параметров. Для описания кинематики и динамики среды использован подход континуальной механики.

Полная система уравнений, описывающих нестационарный процесс нагружения, применительно к модельному объему включает уравнения сохранения массы, импульса, энергии, кинематические уравнения, определяющие соотношения, начальные и граничные условия.

Новизна предлагаемой двухуровневой модели механического поведения наноструктурных керамических композитов заключается в учете реально наблюдаемого распределения размеров пор и частиц конденсированных фаз.  Предлагаемый вариант модели механического поведения наноструктурных композитов Al2O3ZrO2Y2O3.при интенсивных динамических воздействиях учитывает эффект дилатансии и упруго-вязкопластическое поведение  t-ZrO2.

При низкой гомологической температуре значения пластических деформаций в конденсированной фазе Al2O3 малы, а неупругая деформация диоксида циркония может быть существенно больше. Неупругая деформация t-ZrO2 обусловлена мартенситными превращениями тетрагональной фазы в моноклинную (t m) или моноклинной фазы в орторомбическую фазу высокого давления (mOrtho I) при давлениях, превышающих ~6,5 ГПа. Предполагалось, что мартенситные фазовые превращения могут протекать в частицах ZrO2, размеры которых превышают 400 нм. Приращения объемной неупругой деформации (эффект дилатансии) определяются скоростью изменения концентрации моноклинной фазы f

       ,                                        (32)

где –  теоретически возможная величина объемной неупругой деформации при полном мартенситном фазовом превращении, –  скорость изменения концентрации моноклинной фазы.

       ,

где Сm – объемная плотность центров зарождения мартенситной фазы, Vp – объем элементарной частицы фазы ZrO2 , – скорость изменения  концентрации центров зарождения мартенситных ламелей.

Приращение концентрации центров зарождения мартенситных ламелей зависит от термодинамического состояния материальной частицы и может быть определено по формуле

       ,        (35)

где A, B - феноменологические коэффициенты,  Q – энергия активации мартенситных превращений, – работа напряжений на неупругих деформациях, p – давление, Сm (0) – начальная концентрация моноклинной фазы в материальной частице ZrO2.

Результаты исследований микроструктуры, приведенные в разделе 1 , свидетельствуют о том, что матрица рассмотренного класса оксидных керамических композиционных материалов является нанокристаллической или субмикрокристаллической. В матрице присутствуют наноразмерные и субмикронные поры. В рамках развиваемой модели, дефекты структуры матриц (нанопоры, кластеры нанопор, субмикронные трещины) учитываются не явно. Наличие подобных дефектов учитывается через значение параметра поврежденности среды D(0). С точки зрения механики иерархических структурированных систем параметр поврежденности отражает присутствие на более низком масштабном уровне дефектов среды.

Рост параметра поврежденности в процессе деформации материальных частиц на более низком масштабном уровне за время от t0 до t0+ m t определяется соотношением

,                                

где - приращение параметра поврежденности за период времени деформации t,         - интенсивности неупругой деформации, - предельной деформации в момент макроскопического разрушения.

Для описания предельной деформации в момент разрушения материальной точки конденсированной среды, использовано соотношение

,                        

где - постоянные материала, - давление, соответствующее пределу упругости Гюгонио, величина пределу упругости Гюгонио.

Разрушение упрочняющих частиц субмикронного размера в керамических композиционных материалах происходит за время, существенно меньшее по сравнению с характерным временем развития повреждений  в наноструктурной матрице. В модели различие характерного времени разрушения учитывается с помощью использования двухпараметрического критерия локального разрушения 

                                       ,

  D=1,

где - главная компонента тензора напряжения, - предел прочности при растяжении фазы упрочняющих частиц, в квазистатических или динамических условиях деформирования.

Нормированная сдвиговая прочность неповрежденной среды s и прочность поврежденной среды при растяжении f  в модели определены соотношениями

,                                ,                        

где С1, C2, С3, С4 m1, m2 – постоянные материала, - давление, соответствующее пределу упругости Гюгонио, величина предела упругости Гюгонио соответственно, - нормирующий параметр скорости деформации.

       

Численное моделирование процессов деформации и разрушения выполняется с использованием конечно-разностного метода Уилкинса либо метода гидродинамики/прикладной механики сглаженных частиц (SPH). Использовались решатели лицензионного программного комплекса Autodyn –ANSYS WB-13. Проведено тестирование методов решения и подбор параметров пространственно-временной дискретизации, обеспечивающих сходимость численных результатов.

Результаты моделирования подтверждают предположение о том, что вязкость разрушения композита в условиях высокоскоростной деформации определяется изменением удельной энергии при интеркристаллитном разрушении матрицы, удельной энергии при распространении трещины вокруг упрочняющих частиц, изменения удельной энергии вследствие соединения краев трещины упрочняющими частицами (bridging). На рис. 5а показаны, реализующиеся  механизмы сопротивления формированию трещин на мезоскопическом уровне в модельном 3D объеме керамического композита Al2O3-10 vol. % t- ZrO2 с размерами 7,5 х 7,5 х 2 мкм3. Моделировались условия нагружения модельного объема в зоне откольного разрушения при взаимодействии волн разгрузки. Моделирование выполнено с использованием метода SPH.

                               а                                        б

Рис. 5 Фрагментация в зоне откольного разрушения керамического композиционного материала

На рис.5б показано распределение интенсивности сдвиговых напряжений в наноструктурной матрице композита. Обнаружено, что в объеме наноструктурной матрицы перед вершиной мезоскопической трещины формируется квазиплоская область с повышенной удельной внутренней энергией. Продвижение трещины отрыва осуществляется не монотонно через участки квазиплоской области.

В третьем разделе приведены результаты трехмерного моделирования процессов деформации и разрушения керамических композиционных материалов при интенсивных динамических воздействиях. Приведены результаты моделирования процессов развития повреждений на мезоскопическом уровне при динамическом нагружении модельных объемов композиционных материалов с объемным содержанием упрочняющих частиц с субмикронными размерами - 5, 10 и 15 %.

Обнаружено, что потеря сдвиговой прочности и разрушение композитов Al2O3ZrO2Y2O3 может происходить во фронте слабых ударных волн (с амплитудами в несколько ГПа) в результате формирования мезоскопических блочных структур, разделенных полосами (поверхностями) локализованных повреждений. Наличие субмикронных упрочняющих частиц приводит к увеличению относительной суммарной площади поверхностей разрушения, На рис. 6 показано формирование блочных структур повреждения за фронтом ударной волны. Показано распределение в объеме локальных повреждений на мезоскопическом уровне в последовательные моменты времени. Размер блока может существенно превышать размер включений и зависит от амплитуды ударной волны. Релаксация сдвиговых напряжений в матрице сопровождается разделением фронта волны нагружения на упругий предвестник и волну объемного сжатия.

Рис.6 -  Распределение повреждений структуры в модельном объеме композиционного материала Al2O3 15 % Vol. t-ZrO2 за фронтом ударной волны в последовательные моменты времени 0,0385 нс и 0,0553 нс

Полученные при моделировании наноструктурных композитов значения скоростей упругих предвестников и скорости волны объемного сжатия позволяют оценить эффективные значения моделей упругости и величину предела упругости наноструктурных композитов с заданными параметрами распределения  пор и конденсированных фаз матрицы и упрочняющих частиц. Полученные в расчетах значения скорости упругих предвестников согласуются с имеющимися экспериментальными данными для композитов ZrO2Y2O3 Al2O3 в пределах 10 %.

Амплитуда упругого предвестника в наноструктурных композитах ZrO2Y2O3 Al2O3 зависит от концентрации фаз матрицы и включений.

При концентрации Al2O3 менее 10% в композитах ZrO2Y2O3 Al2O3 величина предела Гюгонио нанокомпозита оказывается сопоставима с соответствующим значением для ZrO2.

В рассмотренных модельных керамических композиционных материалах t-ZrO2 -  Al2O3  локальное зарождение микроповреждений при высокоскоростной деформации происходит вблизи микрополостей (микропор).

Зарождения повреждений при ударном сжатии вблизи фазовых границ наноструктурной Al2O3 матрицы и  упрочняющих частиц не отмечено.

При амплитудах импульсов сжатия, не превышающих предел упругости высокоплотной фазы матрицы, повреждения за фронтом ударной волны остаются стационарными и локализованными на микроскопическом уровне. Зарождение микротрещин за фронтом ударной волны происходит в области кластеров пор. Зоны локального повреждения приобретают вытянутую форму, ориентация осей которой определяется направлением действия максимального сдвигового напряжения.

Анализ результатов моделирования свидетельствует о том, что в нанокомпозитах ZrO2 –10 vol.% Al2O3 процессы взаимодействия волн, отраженных от фазовых границ, существенной роли не играют.

Под действием растягивающих напряжений в зоне откольного разрушения происходит преимущественно рост размеров уже существовавших в композитах дефектов (микротрещин на границах частиц, пор в зоне тройных стыков частиц).

Работа откольного разрушения композитов ZrO2Y2O3 Al2O3 зависит от геометрических параметров формирующегося кластера повреждений. Кластер может интерпретироваться как формирование мезоскопической трещины.

Показано, что в результате дилатансии при деформации частиц t-ZrO2, претерпевающих мартенситный фазовый переход, может происходить  блокирование дальнейшего роста кластера повреждений или его ветвление.

Основные результаты и выводы:

  1. Развита математическая модель механического поведения гетерогенных конденсированных сред при динамическом нагружении для описания процессов деформации, эволюции поврежденности и разрушения оксидных керамических композиционных материалов. Модель позволяет учесть влияние на механическое поведение керамических материалов концентрации упрочняющих частиц микронного и субмикронного размера, параметры поровой структуры.
  2. Разработана методика моделирования на мезоскопическом уровне механического поведения гетерогенных конденсированных сред, использующая для генерации вычислительной модели объема композиционных материалов экспериментальные данные о распределении мезо-, микро и нано упрочняющих частиц и пор по размерам, форме. Методика позволяет прогнозировать влияние структуры оксидных керамических материалов на микро- и мезоскопическом уровнях на механические характеристики наноструктурных и поликристаллических оксидных керамических композитов включая величины модулей упругости, вязкость разрушения, кинетику повреждения, при интенсивных динамических воздействиях с амплитудами до 10 ГПа.
  3. Получены комплексные данные о фазовом составе композитов, пористости,  распределении пор по размерам и форме, распределении размеров упрочняющих частиц, распределении размеров зерна матрицы. Обнаружено, что в оксидных керамических композитах, упрочняющие частицы и поры имеют бимодальное распределение по размерам и могут содержать агломераты наноразмерных упрочняющих частиц и кластеры нанопор. Полученные данные о параметрах микроструктуры ряда композиционных материалов Al2O3ZrO2Y2O3, полученных из наноструктурных порошков отечественного производства использованы для построения модельных объемов наноструктурных керамических материалов.
  4. Результаты экспериментальных исследований деформации, накоплении  повреждений и разрушения в опытных образцах отечественных керамических композиционных материалов Al2O3ZrO2Y2O3, полученные при испытании на одноосное сжатие с постоянной скоростью деформации, трехточечный изгиб, трещиностойкость. Полученные данные свидетельствуют о том, что скорость деформации в диапазоне от 10-3 до 10 с-1 слабо влияет на прочностные свойства наноструктурных керамических композитов. Повышение трещиностойкости керамических композиционных материалов с субмикрокристаллической оксидной матрицей сопровождается снижением характеристик прочности (изгибной прочности и прочности на сжатие).
  5. Впервые проведены детальные численные исследования в 2D и 3D постановках распространения ударных импульсов на мезоскопическом уровне в керамических композиционных материалах Al2O3ZrO2Y2O3 cо стохастическим распределением в объеме упрочняющих частиц субмикронного размера. Показано, что в условиях динамического нагружения зарождение повреждений происходит, локализовано и приводит к релаксации сдвиговых напряжений в области концентраторов напряжения мезоскопического уровня вблизи микропор, острых граней упрочняющих частиц, тройных стыков зерен наибольших размеров.
  6. Показано, что с ростом скорости деформации в диапазоне от 1000 до 105 с-1 вязкость разрушения оксидных композитов резко уменьшается. Размеры структурных элементов керамического композита (размеры зерна матрицы, размеры упрочняющих частиц, концентрация упрочняющих частиц, параметры поровой структуры) влияют на кинетику развития повреждений и механизмы сопротивления разрушению. При одинаковом объемном содержании упрочняющих частиц, граница изменения скоростной чувствительности вязкости разрушения композитов, упрочненных ультрадисперсными частицами, сдвигается в область более высоких скоростей деформации.

Основные публикации по теме диссертации

В журналах из перечня рецензируемых научных журналов и изданий

  1. Скрипняк В.А., Козулин А.А., Скрипняк Е.Г., Коробенков М.В., Скрипняк В.В. Влияние эволюции структуры оксидной керамики на ее поведение при динамическом нагружении // Известия ВУЗов. Физика. -  Томск: - 2009. - Т.52 - № 12. - С.46-53.
  2. Скрипняк В.А., Скрипняк Е.Г., Кульков С.С., Коробенков М.В., Скрипняк В.В. Моделирование механического поведения керамических композитов с трансформационно-упрочненной матрицей при динамических воздействиях // Вестник ТГУ. Математика и механика. Томск: – 2009. – № 2. – С. 94–101.
  3. Скрипняк В.А., Скрипняк Е.Г., Козулин А.А., Коробенков М.В., Скрипняк В.В., Пасько Е.Г. Влияние поровой структуры хрупкой керамики на разрушение при динамическом нагружении // Известия ТПУ. Математика и механика. Физика. – 2009.– Т. 315, № 2. – С. 113–117.

В других научных изданиях

  1.   Скрипняк В.А., Коробенков М.В., Козулин А.А., Пасько Е.Г. Моделирование деформации и разрушения керамических материалов с нерегулярной структурой пористости // Сборник материалов Второй Международной школы-конференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» - Томск: ТМЛ-Пресс, 2009. - С. 217-220.
  2.   Коробенков М.В., Козулин А.А., Широбоков А.Е., Скрипняк Е.Г. Исследование процессов разрушения нанокерамики с нерегулярной структурой пористости // Материалы XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск. - 2010. - С. 291.
  3.   Коробенков М.В., Скрипняк В.А., Козулин А.А. Изучение влияния пористости оксидной керамики на механическое поведение при динамических нагрузках // XXXVI Гагаринские чтения. Научные труды Молодежной научной конференции в 8 томах. Москва, 6-10 апреля 2010 г. – М: МАТИ, 2010. – Т.1. – С. 212 – 213.
  4.   Скрипняк В.А., Козулин А.А., Коробенков М.В., Пасько Е.Г. Влияние структуры пористости оксидной керамики на механическое поведение при динамическом нагружении // Труды Томского государственного университета. Томск: Изд-во Том. ун-та, М 75 2010. – Т.273. – С. 251 – 254.
  5.   Коробенков М.В., Козулин А.А., Широбоков А.Е., Скрипняк В.В. Численное исследование влияния пористости оксидной керамики на механическое поведение при динамических нагрузках // Сборник материалов Пятой Всероссийской конференции молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем". - Томск: ТМЛ-Пресс, 2010. - С. 208-209.
  6.   Скрипняк В.А., Козулин А.А., Коробенков М.В., Скрипняк В.В. Численное моделирование разрушения пористой нанокерамики  при динамических ёнагружениях // Материалы Седьмой Всероссийской научно-технической конференции "Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях" (ИАМП-2010) г. Бийск, 6 – 7 октября 2010 г. – Бийск: Изд-во Алт. ГУ, 2010. – С. 59–60.
  7.   Скрипняк В.А., Коробенков М.В., Козулин А.А., Скрипняк В.В.. Исследование разрушения пористой нанокерамики при динамических нагружениях // Труды Томского государственного университета. – Т. 276. – Сер. физико-математическая: Молодежная научная конференция Томского государственного университета «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред» 2010 г. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. – С. 162-164.
  8.   Козулин А.А., Кульков С.С., Коробенков М.В. Особенности механического поведения керамических композитов при динамических воздействиях // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» в 4 – х частях. Новосибирск: Изд-во НТГУ, 2010. Часть 1. - С. 201-203.
  9.   Скрипняк В.А., Скрипняк Е.Г., Коробенков М.В., Скрипняк В.В.. Влияние поровой структуры на сдвиговую и откольную прочность ультрамелкозернистой оксидной керамики // Сборник материалов «19 Петербургские чтения по проблемам прочности» ч.2. Санкт-Петербург,13-15 апреля 2010г.: – СПб., 2010. С. 178-181.
  10. Skripnyak V.A., Skripnyak E.G., Kozulin A.A., Korobenkov M.V., Skripnyak V.V. Computer simulation of the relation between mechanical behavior and structural evolution of the oxide ceramics under dynamic loading// Russian Physics Journal. - Springer New York Consultants Bureau – 2009. - Vol.52. - № 12. - P. 1300-1308.
  11. Коробенков М.В., Козулин А.А., Скрипняк В.В. Моделирование механического поведения нанокомпозитов при высокоскоростной деформации // XXXVII Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах. Москва, 5-8 апреля 2011 г. – М.: МАТИ, 2011. –T.1. – С. 226-228.



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.