Многомасштабные закономерности локализации пластической деформации и разрушения металлов при динамическом нагружении тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ
|
Ляпунова, Елена Аркадьевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Пермь
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук
ЛЯПУНОВА ЕЛЕНА АРКАДЬЕВНА
МНОГОМАСШТАБНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
01.02.04 — Механика деформируемого твердого тела
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
1 4 И ЮН 2012
Пермь-2012
005045802
005045802
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте механики сплошных сред Уральского отделения Российской Академии Наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук, профессор Наймарк Олег Борисович
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Панфилов Петр Евгеньевич
доктор физико-математических наук, профессор Вильдеман Валерий Эрвинович
Ведущая организация:
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Защита состоится 28 июня 2012 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 004.012.01 при ИМСС УрО РАН по адресу: 614013 г. Пермь, ул. Академика Королева, 1, тел. (342)237-83-88, сайт института www.icmm.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМСС УрО РАН.
Автореферат разослан 25 мая 2012 г.
Ученый секретарь Березин И.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Согласно современным представлениям, деформируемое твердое тело является иерархически организованной системой, в которой пластическое течение согласованно развивается на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях. Исследования A.B. Степанова, Э.В. Козлова, В.А. Лихачева, Л.А. Тепляковой, H.A. Коневой, В.Е. Панина, Л.Б. Зуева, Л.Р. Ботвиной, D. Kuhlmann-Wilsdorf, N. Hansen, Е.С. Aifantis, S. Nemat-Nasser, A. Pineau и др. позволили установить основные закономерности локализации деформации и формирования дефектных структур в моно- и поликристаллических металлах и сплавах. Существенная неоднородность пластической деформации, а также универсальный характер образующихся дислокационных субструктур подтверждают тот факт, что отклик материала на внешнее воздействие на макроуровне определяется эволюцией его внутренней структуры на всем спектре масштабов. Эта особенность поведения материала обуславливает необходимость рассмотрения деформационных процессов на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях.
Наряду с общими закономерностями разрушения поведение материалов при динамическом нагружении обладает рядом специфических особенностей. К ним относятся, в частности, стадийность и механизмы зарождения и развития трещин, критерии разрушения. При этом микрорельеф вновь образованных поверхностей отражает процессы локализации деформации на всех масштабных уровнях и является ценным источником информации о механизмах зарождения и распространения магистральной трещины. В связи с этим на протяжении последних двадцати лет предпринимались попытки учета нерегулярной морфологии поверхностей излома в соотношениях механики разрушения, в частности, при построении энергетических критериев разрушения. Представление поверхностей разрушения как фрактальных объектов позволило добиться определенных успехов в этом направлении. Так, в работах Р.В. Гольдштейна и А.Б. Мосолова предложена зависимость критической энергии разрушения квазихрупких материалов от фрактальной размерности вновь образованных поверхностей [1]. Эти идеи развиты в работах Ф.М. Бородича, показавшего наличие двух характерных режимов распространения трещины в зависимости от её размера, и соответствующих им масштабно-инвариантных параметров [2].
Экспериментальным и теоретическим исследованиям нерегулярного рельефа поверхностей разрушения, изучению его масштабно-инвариантных свойств, определению безразмерных параметров подобия (фрактальная размерность, параметр Херста) посвящены работы В.В. Mandelbrot, J. Feder, M. Zaiser, G. Ananthakrishna, M. Wnuk, M. Needleman, A. Carpinteri, E. Bouchaud, J. Weiss, J. Schmittbuhl, N. Fardin, J.J. Gilman, B.C. Ивановой, Л.Р. Ботвиной, A.A. Шанявского и др. В работах исследовательской группы Е. Bouchaud развиваются представления об универсальности масштабно-инвариантных параметров, однако в настоящее время становится очевидным, что реализуется более сложный сценарий: сами значения масштабно-инвариантных параметров могут изменяться по мере развития разрушения и смене деформационных механизмов [3].
Настоящая работа посвящена изучению масштабно-инвариантных закономерностей разрушения, развивающегося в условиях неустойчивости
пластического сдвига и локализации деформации при динамическом нагружении, на основе анализа данных микроскопии высокого пространственного разрешения.
Новизна работы определяется тем, что для случая динамического разрушения, сопровождаюшегося неустойчивостью пластического сдвига и локализацией деформации, количественный анализ микрорельефа поверхностей разрушения в терминах масштабно-инвариантных параметров и сопоставление последних со стадийностью разрушения проведены впервые.
Целью работы является установление взаимосвязи между механизмами интенсивной деформации и масштабно-инвариантными закономерностями развития разрушения в металлических мишенях при динамическом пробивании по схеме формирования и выноса пробки.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. выявление механизмов и общих закономерностей локализации деформации и разрушения металлических мишеней, а также особенностей формирования микрорельефа поверхностей разрушения методами микроструктурного анализа;
2. выбор наиболее достоверных методов количественного анализа данных о микрорельефе и верификация этих методов на синтезированных самоафинных сигналах различной шероховатости;
3. определение структурной чувствительности выбранных методов на примере количественного анализа данных о микрорельефе, выявляемом при электрохимической полировке металлических поверхностей;
4. количественный анализ данных о микрорельефе поверхностей разрушения в терминах масштабно-инвариантных параметров;
5. сопоставление результатов микроструктурных исследований с данными количественного анализа морфологии поверхностей разрушения.
Положения, выносимые на защиту:
1. результаты микроструктурных исследований деформированных образцов, позволивших установить многомасштабный характер локализации пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1;
2. результаты количественного анализа микрорельефа поверхностей разрушения, выявившего взаимосвязь между стадийностью разрушения и особенностями микрорельефа поверхностей разрушения;
3. результаты исследований эволюции микрорельефа металлических поверхностей в ходе электрохимической полировки, показавших структурную чувствительность применяемых методов количественного анализа данных;
4. связь масштабно-инвариантных параметров микрорельефа поверхностей разрушения с механизмами локализации пластической деформации и разрушения;
5. выявленные закономерности формирования поверхностей разрушения при динамическом нагружении в условиях перехода от механизма локализации пластической деформации к разрушению.
Достоверность результатов вычислений масштабно-инвариантных характеристик обусловлена применением взаимодополняющих методов количественного анализа данных, корректностью используемых методов, их апробацией на синтезированных профилях, соотнесением с результатами микроструктурных исследований, а также согласием полученных результатов с данными других авторов.
Личный вклад автора заключается в совместной с научным руководителем постановке задач и целей исследования, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, проведении микроструктурных исследований, обработке данных и анализе полученных результатов, написании научных статей. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов по пробиванию металлических образцов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVI, XVII Зимняя школа по механике сплошных сред «Механика сплошных сред как основа современных технологий», Пермь (2009, 2011), Всероссийская научно - инновационная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент», Тамбов (2009), всероссийская конференция молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах», Пермь (2009, 2010), XIX, XX Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург (2010, 2012), V Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (MPFP-2010) Тамбов (2010), 37th solid mechanics conference, Warsaw (2010), XXV International Conference on Equations of State of Matter, Elbrus (2010), International Workshop «Advanced Problems of Mechanics and Physics of Mesoscopic Systems», Perm (2011), Международная конференция XIII Харитоновские тематические научные чтения «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны», Саров (2011), 5th International Symposium on Defect and Material Mechanics ISDMM11, Seville, Spain (2011), 2nd International Conference on Material Modeling ICMM, Paris, France (2011), Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному моделированию и разработке новых материалов, Томск (2011), XXI всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь (2011).
В полном объеме материалы диссертационной работы обсуждались на заседании кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ, на семинаре кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, на семинаре в Институте механики сплошных сред УрО РАН.
Публикации: основные результаты по материалам диссертации представлены в 36 научных публикациях, из них 10 статей в российских журналах, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК и 1 статья в рецензируемом зарубежном журнале. 26 статей в периодических сборниках и трудах международных и российских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и выводов по результатам исследования. Работа изложена на 145 страницах и содержит 79 рисунков, 13 таблиц и список цитируемой литературы из 117 наименований.
Благодарности. Автор диссертационной работы выражает глубокую признательность сотрудникам лаборатории Физических основ прочности Института механики сплошных сред УрО РАН, научному руководителю д.ф.-м.н., профессору О.Б.Наймарку за обсуждение и плодотворное время совместной работы, родным и близким за поддержку.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены актуальность, цели и задачи исследования, приводится краткое содержание диссертационной работы, а также положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены основные закономерности локализации пластической деформации, происходящей на различных масштабных и структурных уровнях и приводящей к финальной стадии деформирования -разрушению. Кратко изложены основные положения концепции твердого тела как многомасштабной иерархически организованной системы. Особое внимание уделено обсуждению микроструктурных изменений, протекающих в металлах при динамическом нагружении. Указываются основные особенности процесса локализации деформации при данном виде нагружения, а именно:
• появление полос локализованного сдвига связано с достижением в ограниченной области пространства критической деформации, величина которой зависит от скорости деформации;
• реализация фазовых и структурных превращений внутри таких полос зависит от исходной структуры; внутри полос сдвига формируется ультрамикрокристаллическая структура;
• развитие деформационных процессов в полосах сдвига протекает неоднородно как во времени, так и в пространстве и зависит не только от напряженного состояния, но и от исходной структуры материала;
• полосы сдвига являются наиболее вероятными очагами разрушения, поскольку в них происходит зарождение, рост и слияние микротрещин и микропор.
Третий раздел первой главы посвящен обсуждению масштабно-инвариантного характера формирования микрорельефа поверхностей разрушения. Приведен обзор ключевых работ по фрактографии, классификация элементов поверхностей разрушения в соответствии с образующими их микромеханизмами разрушения, а также существующие подходы количественного описания микрорельефа поверхностей разрушения. Указывается, что одной из наиболее успешных попыток в этом направлении стало описание сложного и нерегулярного рельефа поверхностей разрушения на основе представлений о фракталах. Данный подход был предложен Б. Мандельбротом, развившим концепцию фракталов как самоподобных объектов с дробной размерностью и обладающих свойством масштабной инвариантности (скейлинга). Это свойство выражается в инвариантности относительно аффинного преобразования вида (х,у,г)—>(Ьх,Ьу,Ь"¿), где Н - показатель скейлинга, связанный с размерностью объекта. Самые разнообразные материалы (природный камень, дерево, бетон, керамики, металлы и сплавы) проявляют свойство масштабной инвариантности на широком спектре масштабов, протяженность которых зависит от внутренней структуры материала [4]. Величина фрактальной размерности (параметра шероховатости), являясь геометрической характеристикой рельефа, показывает степень отклонения поверхности разрушения от гладкой формы и становится новой, независимой переменной в соотношениях механики разрушения [3].
Вторая глава диссертации посвящена методическим вопросам исследования масштабно-инвариантных свойств металлических поверхностей и определения их количественных параметров. В первом разделе обсуждаются существующие
методы анализа данных и критерии их применимости. Указывается, что корректность определения масштабно-инвариантных параметров существенным образом зависит от таких характеристик анализируемого сигнала, как его длина, плотность данных, наличие глобального наклона. Приводятся имеющиеся в литературе соотношения между масштабно-инвариантными параметрами, полученными различными методами анализа. В настоящей работе для исследования масштабно-инвариантных свойств поверхностей разрушения были выбраны следующие методы: метод среднего размаха Ктлх, как один из классических и проверенных методов анализа масштабно-инвариантных свойств сигналов различной природы; метод анализа флуктуаций сигнала с удаленным трендом detrended fluctuation analysis (DFA), как наиболее чувствительный к длинномасштабным корреляциям сигнала и не подверженный влиянию мелкомасштабных флуктуаций и глобального наклона; метод анализа спектра мощности на основе Фурье-преобразования (FFT) как наиболее часто используемый разными исследователями.
Верификация выбранных методов на синтезированных самоафинных сигналах различной шероховатости и установление соотношений между различными масштабно-инвариантными параметрами изложены во втором оригинальном разделе второй главы. Определены интервалы корректного вычисления масштабно-инвариантных параметров используемыми методами. Так, для вычисляемого методом Ктт масштабно-инвариантного параметра Н (аналог показателя Херста) этот интервал составляет Не [0.4...0.7]. Для значений параметра Н, меньших 0.4, оценка данным методом оказывается завышенной, а для значений, больших 0.7 — заниженной (рис. 1, а). Завышение результатов вычисления масштабно-инвариантного параметра Н при анализе сильношероховатых профилей (для которых Я <0.4), означает слабую чувствительность метода среднего размаха к мелкомасштабной составляющей сигнала. Малая чувствительность метода к крупномасштабным особенностям рельефа проявляется в занижении результатов вычислений для профилей с крупномасштабным рельефом (Я > 0.7).
Так как в большинстве практически важных ситуаций значение параметра Н оказывается в интервале достоверного определения для метода среднего размаха , неточность при оценке малых и больших величин данного параметра не играет существенной роли, но оказывает влияние на соотношения между параметрами масштабной инвариантности, найденными другими методами,
а)
3.0 2,6 |"2,2 -E«
1.4
у = 2х + 1
«У* *
б)
л-
I FFT3Kcn(HbKcn) k FFTjKcncp(H тсор)
0,2 0,4 0,6 0,8
Н ЭКСП, тсор
Рис. 1. Определение интервала достоверного вычисления масштабно-инвариантных параметров методом АТтах (а) и по спектру мощности (б)
например, по анализу спектра мощности (рис. 1, б). В результате проведенных исследований показано, что применяемые методы корректно описывают масштабно-инвариантные свойства анализируемых профилей. Выявленные соотношения между масштабно-инвариантными параметрами, найденными различными методами, согласуются с опубликованными исследованиями в данной области.
Апробация выбранных методов на примере исследования микрорельефа, формирующегося в процессе электрохимической полировки металлических образцов (алюминиевый сплав А6061 (аналог АДЗЗ) и медь марки М1), представлена в третьем оригинальном разделе второй главы. Показано, что с ростом продолжительности электрохимической полировки наблюдается увеличение масштабно-инвариантных параметров поверхности вплоть до значений, отвечающих наиболее гладкому рельефу, а графики корреляционных функций Ктах(К) и стремятся к единому виду (рис. 2, а), что позволяет
использовать величины масштабно-инвариантных параметров в качестве независимых характеристик микрорельефа.
-8.5
а)
Н0=О.34
1^=0.99^
1*2=0.98
• V ■• н3=о.ез
Я2=0.9Э
2, 3.35 10 ткш 287 ткт
-4.5
-3.5
11,5 мин. ¡полировки
Рис. 2. Метод для трех этапов обработки поверхности образца из сплава А6061 (аналог АДЗЗ): а) изменения графиков функции 8(Я), где цифрами обозначены: 1 - механически отполированная поверхность, 2 — после 1.5 мин. полировки, 3 - после 2.5 мин. полировки; б) гистограммы значений параметра Н для трех этапов обработки поверхности
Третья глава содержит результаты исследования масштабно-инвариантных закономерностей локализации деформации и разрушения в сильно-деформированных слоях мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1. На основе микроструктурного анализа восстановлена картина деформационных процессов, обуславливающих стадийность проникания ударника в материал мишени и приводящих к образованию областей с характерным микрорельефом на поверхностях разрушения.
Показано, что в случае пробивания мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) плотность линий течения материала, формирующихся уже на ранней стадии деформирования (рис. 3, а), максимальна в области разрушения сдвигом. Формирование линий течения материала предшествует развитию магистральной трещины, распространяющейся за счет слияния микропор (рис. 3, б). Многомасштабный характер деформационных процессов, протекающих при
динамическом нагружении, выявлен с помощью селективного травления микрошлифов продольных сечений деформированных образцов (рис. 4). Так, макротравлением в 10% водном растворе ОТ были выявлены макролинии течения материала (рис. 4, а). Микротравление в 1 % растворе ЫаОН показало, что между макролиниями течения
материала находятся 15-20 более тонких линий (рис. 4, б).
Восстановленные по смещению линий течения величины сдвиговых
деформаций, а также результаты измерения
микротвердости выявили расширение области
деформированного материала по мере продвижения ударника в материал мишени. Высокая концентрация линий течения в слое, прилегающем к поверхности разрушения, не позволяет методами
оптической микроскопии разрешить отдельные
элементы структуры. Для идентификации механизмов деформации на уровне отдельных структурных
фрагментов были проведены
исследования тонких фольг, изготовленных из сильнодеформированного слоя материала, с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Было показано формирование из исходной структуры с размером субзерен ~2 мкм (рис. 5, а) субмикрокристаллической структуры с размером элементов -300 нм (рис. 5, б). Наряду с малоугловыми границами, возникающими при выстраивании решеточных дислокаций внутри исходных субзерен, происходит возникновение высокоугловых
Рис. 3. Микроструктура мишеней, деформированных при двух близких скоростях ударника (направление соударения указано стрелками). Оптическая микроскопия, х500
Рис. 4. Микроструктура вблизи поверхности разрушения, выявленная на различных уровнях: а) макрополосы деформации, б) микрополосы. Оптическая микроскопия
границ за счет ротационных мод деформации. Повышенная твердость, характер расположения линий течения материала, их повышенная концентрация вблизи поверхности разрушения, а также результаты просвечивающей электронной микроскопии позволяют сделать вывод об интенсивности деформационных процессов.
Рис. 5. Субзеренная структура: а) недеформированного материала (сплав А6061) с малоугловыми границами, б) деформированного слоя вблизи поверхности соударения. Просвечивающая электронная микроскопия
Количественный анализ микрорельефа поверхностей разрушения состоял из двух этапов. На первом этапе было установлен характер изменения масштабно-инвариантных параметров микрорельефа в локальных областях по мере развития разрушения. Детальное сканирование микрорельефа (20-25 областей для каждой исследованной поверхности) позволило выявить стадийность развития разрушения в случае малой скорости ударника: на поверхности разрушения были обнаружены зоны с практически постоянными значениями масштабно-инвариантных параметров (рис. 6, а). При этом скачок значений масштабно-инвариантных параметров связывается с переходом от относительно медленного распространения разрушения вследствие интенсивной пластической деформации, приводящей к возникновению мелкомасштабного микрорельефа, к высокоскоростному распространению разрушения на финальном этапе, которому соответствует формирование крупномасштабных структур.
Ктах О РА
начало | шерох-й
»ЩЦ:
. тыльнаяпов-ть\
а)
Ктах ОРА
б)
Рис. 6. Изменение масштабно-инвариантных параметров, найденных методом АГтах и на поверхностях разрушения мишеней из алюминиевого сплава
А6061 (аналог АДЗЗ), соответствующих скорости ударника: а) 120 м/с, б) 260 м/с
В случае высокоскоростного соударения такой стадийности развития микрорельефа не наблюдается (рис. 6, б), однако больший пространственный разброс масштабно-инвариантных параметров свидетельствует о существенном влиянии микроструктурных неоднородностей на фронт распространяющегося разрушения.
На втором этапе исследований было проведено расширенное сканирование зон с постоянными значениями параметров скейлинга, позволившее оценить масштабно-инвариантные свойства этих областей на расширенном спектре масштабов (0,44 мкм...0,И мм). Показано, что между масштабно-инвариантными параметрами, найденными в локальных областях каждой характерной зоны на поверхности разрушения на малом спектре масштабов и параметрами, полученными на расширенном интервале масштабов, имеется соответствие. Установлено, что микрорельеф области начального разрушения изотропен: характерные пространственные масштабы, а также сами значения масштабно-инвариантных параметров образующегося микрорельефа практически не отличаются в направлении вдоль распространения разрушения и вдоль фронта разрушения. При этом область финального разрушения характеризуется огрублением микрорельефа в направлении распространения разрушения и вовлечением все больших пространственных масштабов в единый режим образования микрорельефа (рис. 7, в, г).
Полученные величины масштабно-инвариантных параметров для поверхностей разрушения мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) соотносятся со значениями, опубликованными в [4] для поверхностей разрушения, сформировавшихся при динамическом разрушении образцов из алюминиевого
50 40
5
2 30 ^20 10 о
а)
— начальный профиль профиль с удаленным наклоном
400 600 X, мкм
800
область б)
начального Н =0.59 /"
разрушения В 'й.ы/ .
Н=0.54 Н2-0.99 "ТНз=0.32 И2=0.99
0.44 ткт 7 ткт 0.11 тт
бласть финального разрушения
100 200 300 400 500 600 х. мкм
Рис. 7. Определение масштабно-инвариантного параметра Н методом Ктт для продольных профилей, взятых: а, б) - в области начального разрушения, в, г) - в области финального разрушения
сплава А7075 с предварительно выращенной усталостной трещиной.
В случае деформирования медных мишеней ввиду значительного размера зерен (-200-250 мкм) микромеханизмы локализации деформации и разрушения были установлены с помощью оптической микроскопии. Микроструктурный анализ деформированных медных мишеней выявил неоднородный характер локализации пластической деформации вблизи поверхности разрушения: наряду с
Рис. 8. Область начального внедрения ударника в медный образец (а) и ее увеличенный фрагмент (б), демонстрирующий образование широких полос скольжения в деформированном двойнике отжига вблизи поверхности разрушения
зернами, подвергнутыми интенсивному пластическому течению, здесь встречаются зерна, лишенные признаков пластической деформации (рис. 8, а). При этом деформационными процессами затронут слой из нескольких близлежащих зерен (2-3 зерна), что подтверждается также измерениями микротвердости. Показано, что деформация присутствующих в исходном материале двойников отжига происходит за счет образования линий скольжения, объединяющихся в полосы, тем более широкие, чем более интенсивны деформационные процессы (рис. 8, б). Также как в случае алюминиевого сплава, разрушение мишеней обусловлено образованием, ростом и слиянием микропор и происходит преимущественно по границам зерен.
Исследования локальных масштабно-инвариантных свойств медных мишеней, пробитых при различных скоростях, обнаружили более однородный характер формирования микрорельефа поверхностей разрушения по сравнению с алюминиевым сплавом А6061 (рис. 9). Так же как для дюралюминиевых образцов, анализ микрорельефа поверхностей разрушения на расширенном спектре масштабов выявил увеличение характерных масштабов по мере развития
1.2 ; 1
начало. шероховатой ЗОНЫ '
край ТЫЛЬНОЙ: поверхности I /
1 * 1
1 н ! 1 * 1
1 1 и | 1 ;
! Ii 1 |
0.5 1 х. mm
1.6 1.4 1.2
<
£ 1 I 0.8 0.6 0.4
начало шероховатой край тыльной поверхности , б)
Зоны 1
.........1.....]......... _________________1.
'[ ( .....Ii . iL......... 1 1 , 1 ......._________1.1.
If т ...............iL...)___________________ J ![
]} ............. t '
...... J 1 ' .........J j i
1 .1
0.5
х mm
1 1.5
и DFA, для
Рис. 9. Масштабно-инвариантные параметры, найденные методом К поверхностей разрушения медных мишеней, соответствующих скорости ударника: а) 130 м/с, б) 260 м/с
разрушения, особенно заметное в направлении вдоль фронта распространяющегося разрушения, а также рост самих значений масштабно-инвариантных параметров (рис. 10).
-4
-4.5 -5 I -5.5
начальный профиль профиль с удаленным наклоном
область Н2=0.72 ^-б)
начального
разрушения
Н =0.71 Р!2=0.8в>- ' X у- Н,=0.61 (?2=0.99
X 0.4 ткет 21 ткт 0.17 тт
200
п
км
600
800
50 40 2 30 2 20 10 о -10,
-5
1а(Ю
В)
- начальный профиль
профиль с удаленным наклоном
область
финального
разрушения
Г)
X
0.4ткт
100
300
400
х, КРкм
Рис. 10. Определение масштабно-инвариантного параметра Н методом Ктт для поперечных профилей а, б) - в области начального разрушения, в, г) - в области финального разрушения
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
• Методами оптической, сканирующей электронной, просвечивающей электронной микроскопии проведен микроструктурный анализ деформированных образцов-мишеней. Измерения микротвердости продольных сечений сохраненных образцов позволили определить ширину слоя, вовлеченного в процесс локализации деформации.
• Показан многомасштабный характер локализации пластической деформации и разрушения в сильнодеформированных слоях мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1. Установлены механизмы локализации деформации и разрушения, а также стадийность процессов проникания в исследуемом диапазоне скоростей соударения.
• На примере генерированных самоафинных сигналов различной шероховатости найдены границы достоверного определения масштабно-инвариантных параметров используемыми методами. Показана чувствительность применяемых методов к изменениям микрорельефа, выявляемого в процессе
электрохимической полировки металлических поверхностей, и возможность использования масштабно-инвариантных параметров в качестве независимых характеристик микрорельефа поверхностей.
• На основе верифицированных методов вычисления масштабно-инвариантных параметров проведен количественный анализ поверхностей разрушения образцов из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки Ml. Показано, что в случае низких скоростей соударения (незначительно превышающих баллистический предел v6aiiucm ) На поверхностях разрушения формируются две зоны с характерным рельефом, соответствующим различным режимам развития разрушения. Первая зона интенсивной пластической деформации, имеющая признаки вязкого разрушения, характеризуется сильно шероховатым рельефом и низкими значениями масштабно-инвариантных параметров (0,4...0,6 для метода среднего размаха). Переход ко второй зоне, обладающей признаками квазихрупкого разрушения, соответствует скачку величин масштабно-инвариантных параметров (0,5...0,9 для метода среднего размаха) и формированию крупномасштабных структур.
• Показано, что для скоростей соударения, существенно превышающих баллистический предел ( ~ 2...2.5v&1I„cm ), микрорельеф поверхностей разрушения не обнаруживает признаков стадийности для обоих исследованных материалов, при этом больший разброс значений масштабно-инвариантных параметров свидетельствует о существенном влиянии микроструктурных неоднородностей на распространение разрушения.
Список цитируемой литературы
1. Гольдштейн, Р.В., Мосолов, А.Б. Мультифрактальная геометрия разрушения и масштабный эффект // Доклады АН. - 1993. - Т. 329. - № 4. - с. 429-431
2. Borodich, F.M. Fractals and fractal scaling in fracture mechanics // Int. J. Fracture. -1999.-V. 95.-p. 239-259
3. Wnuk, M., Yavari, A. Discrete fractal fracture mechanics // Engineering Fracture Mechanics. - 2008. - Vol. 75. - № 5. - p. 1127-1142
4. Ponson, L., Bonamy, D„ Auradou, H„ Mourn, G., Morel, S., Bouchaud, E., Guillot, C., Hulin, J.P. Anisotropic self-affine properties of experimental fracture surfaces // International journal of fracture. - 2006. - Vol. 140. - p. 27-37
Основные публикации по теме диссертационной работы в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК:
1. Ляпунова, Е.А., Петрова, А.Н., Бродова, И.Г., Наймарк, О.Б., Соковиков, М.А., Чудинов, В.В., Уваров, C.B. Исследование морфологии многомасштабных дефектных структур и локализации пластической деформации при пробивании мишеней из сплава А6061 // Письма в ЖТФ. - 2012. - Т. 38. - вып. 1. - С.13-20
2. Ляпунова, Е.А., Петрова, А.Н., Бродова, И.Г., Наймарк, О.Б., Соковиков, М.А., Чудинов, В.В., Уваров, C.B. Исследование закономерностей локализации пластической деформации и формирования многомасштабных дефектных структур
в процессе динамического нагружения сплава А6061 // Физическая мезомеханика.
- 2012. - Т. 15. -№ 2. - с. 61-67
3. Ляпунова, Е.А., Банников, М.В., Уваров, C.B., Наймарк, О.Б Структурный анализ ванадия, подвергнутого ударно-волновому нагружению // Вестник Тамбовского Университета. - 2010. - Т. 15. - вып. 3. - С. 1064-1065
Другие публикации:
1. Lyapunova, Е.А., Petrova, A.N., Brodova, I.G., Chudinov, V.V., Sokovikov, M.A., Uvarov, S.V., Naimark, O.B. Scaling analysis of defect induced structure of A6061 alloy at dynamic strain localization // TECHNISCHE MECHANIK. - 2012 (в печати)
2. Ляпунова, Е.А., Соковиков, М.А., Чудинов, В.В., Уваров, C.B., Наймарк, О.Б. Исследование закономерностей локализации пластической деформации при высокоскоростном пробивании образцов из сплава А6061 // Вестник ПГТУ. - 2010.
- №2. - С. 79-86
3. Баяндин, Ю.В., Ляпунова, Е.А., Оборин, В.А., Пантелеев, И. А., Наймарк, О.Б. Изучение эволюции пластически деформируемого монокристалла алюминия на основе структурного анализа поверхности // Механика сплошных сред как основа современных технологий: тезисы докл. XVI Зимней школы по механике сплошных сред (24-27 февраля 2009, Екатеринбург). - 2009. - С. 53
4. Ляпунова, Е.А., Оборин, В.А., Уваров, C.B., Баяндин, Ю.В., Наймарк, О.Б. Исследование эволюции структуры армко-железа при ударно-волновом нагружении на основе фрактального и корреляционного анализа // Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах: тезисы докладов 7-й Российский симпозиум (23 июля-1 августа 2009, Новый Афон) - 2009. - С. 5
5. Ляпунова, Е.А., Оборин, В.А., Наймарк, О.Б. Анализ структуры образцов ванадия, подвергнутых динамическому сжатию // Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент: статья в материалах всеросс. научно - инновационной конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (27-29 октября 2009, Тамбов) - 2009. - С. 83-85
6. Банников, М.В., Баяндин, Ю.В., Ляпунова, Е.А., Уваров, C.B., Наймарк, О.Б., Количественный анализ деформационных структур в алюминии, полученных в широком интервале скоростей деформации II XIX Петербургские чтения по проблемам прочности: сб. мат. (13-15 апреля 2010г., Санкт-Петербург) - 2010. - С. 307-308
7. Bayandin, Y., Lyapunova, Е., Naimark, О. Multiscale analysis of mesodefect induced mechanisms of plastic flow // 37th solid mechanics conference: book of abstracts (September 6-10 2010, Warsaw, Poland) - 2010. - p. 24-25
8. Ляпунова, E.A., Наймарк, О.Б., Плехов, O.A., Соковиков, M.A., Уваров, C.B., Чудинов, B.B. Экспериментальные исследования поведения материалов при динамическом деформировании и высокоскоростном пробивании // Неравновесные процессы в сплошных средах: тез. докл. всеросс. конф. мол. уч. (26-27 ноября 2010, Пермь)-2010.-С. 97
9. Ляпунова, Е.А., Соковиков, М.А., Чудинов, В.В., Уваров, C.B., Наймарк, О.Б. Исследование морфологии многомасштабных дефектных структур и локализации пластической деформации при пробивании мишеней из сплава А6061 // тезисы докладов XVII зимней школы по механике сплошных сред (28 февраля-3 марта 2011, Пермь). - 2011. - С. 211
10. Lyapunova, E.A., Petrova, A.N., Chudinov, V.V., Brodova, I.G., Naimark, O.B. Scaling analysis of defect induced structure of A6061 alloy under dynamic strain localization // Book of abstracts 2nd international conference on material modeling (August, 31 -September 2, 2011, Paris). - 2011. - p. 274
Подписано в печать 22.05.2012. Формат 60*90/16. _Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1447/ 2012
Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского
политехнического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел.: (342)219-80-33
Введение.
Глава 1. Многомасштабная природа пластической деформации. Современные представления о процессах пластичности и разрушения.
1.1. Структурные уровни деформации и разрушения.
1.2. Структурные изменения в металлах при динамическом нагружении.
1.3. Закономерности формирования микрорельефа поверхностей разрушения.
Актуальность темы. Согласно современным представлениям, деформируемое твердое тело является иерархически организованной системой, в которой пластическое течение согласованно развивается на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях. Исследования A.B. Степанова, Э.В. Козлова, В.А. Лихачева, JI.A. Тепляковой, H.A. Коневой, В.Е. Панина, Л.Б. Зуева, Л.Р. Ботвиной, D. Kuhlmann-Wilsdorf, N. Hansen, Е. С. Aifantis, S. Nemat-Nasser, A. Pineau и др. позволили установить основные закономерности локализации деформации и формирования дефектных структур в моно- и поликристаллах.
Существенная неоднородность пластической деформации, а также универсальный характер образующихся дислокационных структур, подтверждают тот факт, что отклик материала на внешнее воздействие на макроуровне определяется эволюцией его внутренней структуры на всем спектре масштабов. Эта особенность поведения материала обуславливает необходимость рассмотрения деформационных процессов с единых позиций на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях.
Наряду с общими для квазистатических задач закономерностями, процессы динамического деформирования материалов обладают рядом специфических особенностей, требующих детального исследования. К таким вопросам относятся стадийность и механизмы зарождения и развития трещин, критерии разрушения и т.д. Ценным источником информации о деформационных процессах является микрорельеф вновь образованных поверхностей, поскольку он отражает характерные стадии прохождения магистральной трещины и закономерности локализации пластической деформации и разрушения на всех масштабных уровнях.
Было установлено, что сложный и нерегулярный рельеф поверхностей разрушения обладает свойством масштабной инвариантности (самоафинности), и его можно описать с помощью безразмерных параметров подобия (фрактальная размерность, параметр Херста и др.), проявляющих универсальный характер для широкого круга материалов. Значительный вклад в развитие этих представлений внесли В.В. Mandelbrot, J. Feder, М. Zaiser, G. Ananthakrishna, M. Wnuk, М. Needleman, A. Carpinteri, Е. Bouchaund, J. Weiss, J. Schmittbuhl, N. Fardin, JJ. Gilman, B.C. Иванова, Jl.P. Ботвина, A.A. Шанявский, P.B. Гольдштейн, Г.В. Встовский и др. Необходимо отметить, что в большинстве этих работ изучается формирование поверхностей излома при распространении трещины в условиях растягивающих напряжений (М. Wnuk, М. Needleman, Е. Bouchaund, J. Schmittbuhl и др.).
В настоящей работе исследуется многомасштабные свойства процесса разрушения, развивающегося в условиях неустойчивости пластического сдвига и локализации деформации в узкой зоне материала. При этом формирование поверхностей разрушения зависит от многих факторов: эволюции микроструктуры и напряженного состояния по мере продвижения ударника в материал мишени, а также скоростной чувствительности деформационных процессов. Задача количественного анализа микрорельефа поверхностей разрушения, образованных в процессе формирования и выноса пробки, представляется актуальной, поскольку может дать ценную информацию о механизмах неустойчивости пластического сдвига и разрушения при динамическом нагружении.
Новизна работы определяется тем, что для динамического разрушения, сопровождающегося неустойчивостью пластического сдвига и локализацией деформации, количественный анализ микрорельефа поверхностей разрушения в терминах масштабно-инвариантных характеристик и сопоставление последних со стадийностью разрушения проведены впервые.
Целью работы является установление взаимосвязи между механизмами интенсивной деформации и масштабно-инвариантными закономерностями развития разрушения в металлических мишенях при динамическом пробивании по схеме формирования и выноса пробки.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. выявление механизмов и общих закономерностей локализации деформации и разрушения металлических мишеней, а также особенностей формирования микрорельефа поверхностей разрушения методами микроструктурного анализа;
2. выбор наиболее достоверных методов количественного анализа данных о микрорельефе поверхностей разрушения и верификация этих методов на синтезированных самоафинных сигналах различной шероховатости;
3. определение структурной чувствительности выбранных методов на примере количественного анализа данных о микрорельефе, выявляемом при электрохимической полировке металлических поверхностей;
4. количественный анализ данных о микрорельефе поверхностей разрушения в терминах масштабно-инвариантных параметров;
5. сопоставление результатов микроструктурных исследований и данных количественного анализа морфологии поверхностей разрушения.
Положения, выносимые на защиту:
1. результаты микроструктурных исследований деформированных образцов, позволивших установить многомасштабный характер локализации пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1;
2. результаты количественного анализа микрорельефа поверхностей разрушения, выявившего взаимосвязь между стадийностью разрушения и особенностями микрорельефа поверхностей разрушения;
3. результаты исследований эволюции микрорельефа металлических поверхностей в ходе электрохимической полировки, показавших структурную чувствительность применяемых методов количественного анализа данных;
4. связь масштабно-инвариантных параметров микрорельефа поверхностей разрушения с механизмами локализации пластической деформации и разрушения;
5. выявленные закономерности формирования поверхностей разрушения при динамическом нагружении в условиях перехода от механизма локализации пластической деформации к разрушению.
Достоверность результатов вычислений масштабно-инвариантных характеристик обусловлена применением взаимодополняющих методов количественного анализа данных, корректностью используемых методов, их апробацией на синтезированных профилях, соотнесением с результатами микроструктурных исследований, а также согласием полученных результатов с данными других авторов.
Личный вклад автора заключается в совместной с научным руководителем постановке задач и целей исследования, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, проведении микроструктурных исследований, обработке данных и анализе полученных результатов, написании научных статей. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов по пробиванию металлических образцов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVI, XVII Зимняя школа по механике сплошных сред «Механика сплошных сред как основа современных технологий», Пермь (2009, 2011), Всероссийская научно - инновационная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент», Тамбов (2009), всероссийская конференция молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах», Пермь (2009, 2010), XIX, XX Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург (2010, 2012), V Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (MPFP-2010) Тамбов (2010), 37th solid mechanics conference,
Warsaw (2010), XXV International Conference on Equations of State of Matter, Elbrus (2010), International Workshop «Advanced Problems of Mechanics and Physics of Mesoscopic Systems», Perm (2011), Международная конференция XIII Харитоновские тематические научные чтения «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны», Саров (2011), 5th International Symposium on Defect and Material Mechanics ISDMM11, Seville, Spain (2011), 2nd International Conference on Material Modeling ICMM, Paris, France (2011), Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному моделированию и разработке новых материалов, Томск (2011), XXI всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь (2011).
Целиком материалы диссертационной работы обсуждались на заседании кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ, на семинаре кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, на семинаре в Институте механики сплошных сред УрО РАН.
Публикации: основные результаты по материалам диссертации представлены в 36 научных публикациях, из них 10 статей в российских журналах, в том числе 3 в журналах, рекомендуемых ВАК, 1 статья в рецензируемом зарубежном журнале и 26 статей в периодических сборниках и трудах международных и российских конференции
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и выводов по результатам исследования. Работа изложена на 145 страницах и содержит 79 рисунков, 13 таблиц, список цитируемой литературы из 117 наименований.
Выводы по диссертационной работе
Методами оптической, сканирующей электронной, просвечивающей электронной микроскопии проведен микроструктурный анализ деформированных образцов-мишеней. Измерения микротвердости продольных сечений сохраненных образцов позволили определить ширину слоя, вовлеченного в процесс локализации деформации.
Показан многомасштабный характер локализации пластической деформации и разрушения в сильнодеформированных слоях мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1. Установлены механизмы локализации деформации и разрушения, а также стадийность процессов проникания в исследуемом диапазоне скоростей соударения.
На примере генерированных самоафинных сигналов различной шероховатости найдены границы достоверного определения масштабно-инвариантных параметров используемыми методами. Показана чувствительность применяемых методов к изменениям микрорельефа, выявляемого в процессе электрохимической полировки металлических поверхностей, и возможность использования масштабно-инвариантных параметров в качестве независимых характеристик микрорельефа поверхностей.
На основе верифицированных методов вычисления масштабно-инвариантных параметров проведен количественный анализ поверхностей разрушения образцов из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1. Показано, что в случае низких скоростей соударения незначительно превышающих баллистический предел V 6аллист) на поверхностях разрушения формируются две зоны с характерным рельефом, соответствующим различным режимам развития разрушения. Первая зона интенсивной пластической деформации, имеющая признаки вязкого разрушения, характеризуется сильно шероховатым рельефом и низкими значениями масштабно-инвариантных параметров (0,4.0,6 для метода среднего размаха). Переход ко второй зоне, обладающей признаками квазихрупкого разрушения, соответствует скачку величин масштабно-инвариантных параметров (0,5.0,9 для метода среднего размаха) и формированию крупномасштабных структур.
Показано, что для скоростей соударения, существенно превышающих баллистический предел (~2.2.5 У6аллист), микрорельеф поверхностей разрушения не обнаруживает признаков стадийности для обоих исследованных материалов, при этом больший разброс значений масштабно-инвариантных параметров свидетельствует о существенном влиянии микроструктурных неоднородностей на распространение разрушения.
135
Заключение
Проведенный микроструктурный анализ позволил выявить многомасштабный характер локализации пластической деформации и разрушения, протекающих в сильнодеформированных слоях мишеней из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1 в области реализации значительных сдвиговых деформаций в условиях динамического нагружения. Установлены механизмы локализации деформации и разрушения, а также стадийность деформационных процессов.
На основе верифицированных методов определения масштабно-инвариантных параметров проведен количественный анализ поверхностей разрушения образцов из алюминиевого сплава А6061 (аналог АДЗЗ) и меди марки М1. Установлено, что при относительно невысоких скоростях ударника наблюдается выраженная стадийность развития разрушения: происходит формирование областей с характерным микрорельефом, каждой из которых соответствуют свои значения масштабно-инвариантных параметров и пространственных масштабов. Скачок величин масштабно-инвариантных параметров связывается с переходом от относительно медленного распространения разрушения вследствие интенсивной пластической деформации, вызывающей формирование сильношероховатого рельефа, к высокоскоростному распространению разрушения на финальном этапе, которому соответствует формирование крупномасштабных структур.
Все используемые методы определения параметров скейлинга показали непротиворечащие друг другу результаты; при этом методы ИРА и Ктах оказались наиболее чувствительными к изменениям характера рельефа.
