Влияние локализованной неоднородности напряженно-деформированного состояния на деформирование и разрушение материалов

Карпов, Евгений Викторович

Влияние локализованной неоднородности напряженно-деформированного состояния на деформирование и разрушение материалов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Карпов, Евгений Викторович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Влияние локализованной неоднородности напряженно-деформированного состояния на деформирование и разрушение материалов»

Автореферат диссертации на тему "Влияние локализованной неоднородности напряженно-деформированного состояния на деформирование и разрушение материалов"

На правах рукописи

005548710

КАРПОВ ЕВГЕНИИ ВИКТОРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ЛОКАЛИЗОВАННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НА ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

г. т ¿он

Новосибирск - 2014

3 I

005548710

На правах рукописи

КАРПОВ ЕВГЕНИЙ ВИКТОРОВИЧ

Специальность 01.02.04 — Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск - 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант:

Аннин Борис Дмитриевич, академик РАН, доктор физ.-мат. наук

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО "Нижегородский государственный

университет им. Н.И. Лобачевского" (НИИ механики)

Защита состоится 26 мая 2014 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 003.054.02 в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, пр-т Лаврентьева, 15. Факс: (383)333-16-12, e-mail: kurguzov@hydro.nsc.ru. ^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН.

Автореферат разослан "2 Г" 2014 года.

Зуев Лев Борисович, доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией физики прочности Института физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск. Полилов Александр Николаевич, доктор техн. наук, профессор, заведующий лабораторией безопасности и прочности композитных конструкций Института машиноведения им. A.A. Благонравова РАН, г. Москва Ревуженко Александр Филиппович, доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией механики деформируемого твердого тела и сыпучих сред Института горного дела СО РАН, г. Новосибирск

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Состояние эксплуатируемых конструкций во многом определяется поведением материала в областях локализованной неоднородности напряженно-деформированного состояния, появление которых может быть связано с наличием дефектов, геометрическими особенностями нагружаемого объекта или неоднородностью механических свойств материала.

При многократном нагружении материал в области локализации необратимых деформаций деградирует, исчерпывая свою способность к пластическому деформированию, что в итоге приводит к возникновению и катастрофическому распространению трещин. В определенных условиях конструкция может некоторое время функционировать с имеющимися трещинами, не перешедшими в катастрофическую стадию развития. В этом случае, если трещина распространяется от макро-дефекта, область локализованных необратимых деформаций вблизи него оказывает на развитие трещины существенное влияние, результатом которого может стать резкое изменение характера распространения трещины после ее выхода из области локализации необратимых деформаций в область, где материал в процессе периодического нагружения не претерпел существенных изменений.

Современное экспериментальное оборудование позволяет на протяжении всего испытания прослеживать динамику изменения макроскопических параметров, вызванного процессами, происходящими в структуре материала. Получаемые таким образом данные могут использоваться для выявления общих закономерностей деградации свойств материала, отражающихся в поведении нагружаемой конструкции. Эти закономерности могут быть полезны для построения теоретических моделей, основанных на методах механики деформируемого твердого тела.

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований малоциклового деформирования металлов и сплавов в случае, когда периодическое деформирование происходит при нагрузках, близких к критическим. Такой режим нагружения может реализоваться либо при продолжении работы конструкции после аварии, не вызвавшей катастрофического разрушения, либо в конструкциях, функционирующих на пределе возможностей материала (агрегаты с высокой центробежной нагрузкой, либо вышедшие за штатные режимы работы).

таты экспериментального исследования двух видов дисперсно-наполненных композитов. Первый - новый металлический композит с нанокристаллически-ми включениями, для которого исследована зависимость механических свойств от содержания упрочняющей фазы, рассмотрены механизмы упрочнения и разрушения, определены условия, позволяющие получить композит с наилучшим сочетанием прочности и пластичности. Второй - высоконапол-ненный полимерный композит сферопластик, для которого проведены исследования зависимости механизмов разрушения от температуры, скорости и вида нагружения, включая сложное (сжатие с кручением) и малоцикловое на-гружение.

Еще одна разновидность локализованной неоднородности напряженно-деформированного состояния, рассмотренная в работе, связана с локализацией деформационных процессов в первоначально геометрически и физически однородных элементах конструкций. В работе приведены результаты экспериментальных исследований локализации «замороженных» высокоэластических деформаций при сложном периодическом нагружении стержней из оргстекла (ПММА). Рассмотрено влияние амплитуды угла закручивания, осевой силы и периодической релаксации в процессе нагружения на локализацию необратимых деформаций.

Целью работы является получение новых экспериментальных результатов, касающихся влияния локализованных неоднородностей напряженно-деформированного состояния на деформирование, циклическую деградацию и разрушение материалов и конструкций. Такие результаты могут быть полезны при разработке новых композиционных материалов, при построении теоретических моделей композитов с различными видами включений с учетом деградации свойств при многократном нагружении, а также для оценки и моделирования поведения элементов конструкций с дефектами при режимах работы, близких к аварийным.

Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач:

- экспериментальное исследование развития малоцикловых трещин от вершины узкого выреза путем их прямого наблюдения и фиксации параметров в зависимости от количества циклов нагружения;

- экспериментальное исследование малоцикловой деградации металлов и сплавов при критических условиях нагружения, выраженной в изменении замеряемых макромеханических параметров;

- комплексное экспериментальное исследование механических свойств композитов, построенное на сравнительном анализе поведения материалов при разных условиях нагружения и различных значениях объемной доли упрочняющей фазы, изучении поверхностей разрушения и анализе эволюции микроструктуры при деформировании;

- экспериментальное исследование локализации «замороженных» высокоэластических деформаций в оргстекле при различных схемах сложного периодического нагружения;

Общая методика исследований. В работе используются современные методы исследования структуры и свойств конструкционных материалов.

Научная новизна работы. На основе экспериментального исследования макромеханических свойств и эволюции структуры при статическом и малоцикловом нагружении определены механизмы формирования и разрушения нового композиционного материала с ячеистой структурой на металлической основе с нанокристаллическими включениями, обладающего высокой электропроводностью, жаропрочностью и пластичностью, сочетающимися с прочностью, на порядок превосходящей прочность основы.

Выявлены зависимости механизмов разрушения и малоцикловой деградации сферопластика от условий нагружения, состояния матрицы и границы между матрицей и включениями.

Установлен ряд закономерностей деградации металлических материалов в области локализации необратимых деформаций при периодическом нагружении в условиях, близких к критическим.

Определены закономерности деградации и разрушения оргстекла при возникновении области локализации «замороженных» высокоэластических деформаций, вызванном периодическим стесненным кручением.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты могут быть применены в разработке новых композиционных материалов, при построении теоретических моделей композитов с различными видами включений с учетом деградации свойств при многократном нагружении, а также для оценки и моделирования поведения элементов конструкций с дефектами при режимах работы, близких к аварийным.

Достоверность результатов обеспечивается применением современных методов исследования структуры и свойств конструкционных материалов, использованием современного экспериментального оборудования и качественным соответствием полученных в работе результатов с результатами, представленными в публикациях других авторов в ряде случаев.

Апробация работы. Результаты, вошедшие в данную диссертационную работу, докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: V, VI Всероссийские конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2008, 2010); Международная конференция «Assesment of Reliability of Materials and Structures: Problems and Solutions» (Санкт-Петербург, 2008); Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке но-

вых материалов (Томск, 2009); Третья международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009); IV, V Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009, 2011); 10-th International Fatigue Congress FATIGUE 2010 (Прага, 2010); V Международная научная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 2010); Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов» (Санкт-Петербург, 2010); Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2011); X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (2011); XVII Зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, 2013); Международная конференция «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (Томск, 2013); В целом работа докладывалась на семинаре отдела механики деформируемого твердого тела Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 30 работах, в том числе 13 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук и 1 монографии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и списка литературы из 159 наименований. Работа изложена на 267 страницах, содержит 118 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована цель работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приводится краткий обзор работ, связанных с моделями распространения усталостных трещин при малоцикловом нагружении, учитывающими изменения, происходящие в области материала перед вершиной трещины (зоне предразрушения).

Далее приводятся результаты экспериментов по прямому наблюдению развития трещин при малоцикловом нагружении и по определению закономерностей изменения макромеханических параметров, которые отражают изменение свойств материала в области локализации необратимых деформаций и могут быть использованы при построении и развитии теоретических моделей, разрабатываемых на базе механики деформируемого твердого тела.

Приводятся результаты прямого наблюдения зарождения и развития трещин в области локализации неупругих деформаций перед узким вырезом при квазистатическом и малоцикловом растяжении полосы из сплава Д16-АТ,

предварительно отожженного при 500°С для достижения большей пластичности (ширина полосы 20 мм, ширина выреза 0,2 мм, глубина выреза 1-3 мм). Наблюдение проводится при помощи цифрового микроскопа с разрешением около 22500 пикселей на мм2. Области локализации наибольших необратимых деформаций, определяющие дальнейшее развитие трещины, идентифицируются по формирующемуся на поверхности полосы деформационному рельефу.

Полученные фотографии позволяют проследить различные этапы формирования трещины и получить некоторые количественные характеристики ее развития: зависимость длины берега трещины от количества циклов нагруже-ния, удаления вершины трещины от исходного концентратора, раскрытия устья трещины. Описаны этапы развития трещин: ¡) зарождение трещины в окрестности концентратора напряжений; и) распространение трещины в пределах области локализации необратимых деформаций, образованной концентратором; ш) переход к формированию узкой зоны предразрушения, образованной самой трещиной; ¡у) ускоренное распространение за пределами области локализации, образованной концентратором.

1иии ¿иии очии -тич/и ..

Рис. 1. Зависимость геометрических параметров трещины от числа циклов /V для глубины выреза 3 мм: 1 - длина берега, 2 -расстояние от вершины выреза до вершины трещины, 3 - разница между ними, 4 - текущая ширина вершины выреза. Справа - положение минимальной и максимальной силы цикла на кривой квазистатического нагружения полосы до разрушения

Обнаружено явление, предшествующее резкому увеличению скорости роста трещины и переходу от линейного циклического приращения длины трещины к нелинейному: временная остановка трещины с последующим отклонением траектории распространения, вызывающим образование «зуба» на одном из берегов. Образование «зуба» наблюдается во всех проведенных экспериментах и связано с двумя постоянными величинами - отношением продолжительности нагружения до появления «зуба» к продолжительности нагружения до начала катастрофического распространения трещины и отношением длины берега трещины до «зуба» к длине берега трещины до момента начала катастрофического распространения. Поскольку критическая длина трещины и предельное число циклов зависят от глубины выреза, постоянство этих отношений позволяет предположить, что образование «зуба» связано с переходом трещины из области влияния выреза, в которой материал дегради-

ровал в ходе циклического нагружения, в область, где материал находится в исходном состоянии.

Наблюдается отсутствие существенного влияния формы вершины узкого выреза на зарождение и развитие трещины в пластичном сплаве как для однократного, так и для малоциклового нагружения.

Поцикловое развитие трещины и зоны предразрушения

Рис. 2. Развитие трещины от вершины выреза при малоцикловом растяжении; числа сверху - номера циклов, зоны I, II, III, IV — области наибольших необратимых деформаций, соответствующие четырем этапам развития трещины; числа справа - глубина выреза в мм для конкретной трещины.

Для поперечного изгиба балки с вырезом из материалов СтЗ, Ст45, 70Г, ВТ5-1, Д16-Т, имеющих характерные различия типов разрушения и вида диаграммы одноосного растяжения исследованы закономерности изменения остаточной деформации, связанного с деградацией материала в области концентрации напряжений вблизи вершины выреза при различных режимах циклического нагружения, близкого к аварийному (стационарное малоцикловое на-гружение, нестационарное малоцикловое нагружение с ростом нагрузки и с убыванием нагрузки после начальной аварийной перегрузки).

Для стационарного нагружения получено описание наблюдаемых закономерностей с помощью простых аналитических функций вида

f*(x) = f{x)-f{n) + m, f(x) = (a + bx)-c-d, f(n) = (a + bnY-d, где а определяет положение асимптоты кривой, b = 1 для ниспадающих ветвей кривых, b = — 1 - для восходящих, d - масштабный коэффициент, определяемый соотношением величин, откладываемых по осям, п,т - величины, задающие положение кривой на координатной плоскости, определяемые минимальным значением величины, зависимость которой от jV аппроксимируется данной функцией. Показатель степени с для диаграмм поциклового прироста остаточного прогиба <5w(tV) не зависит от амплитуды приложенной силы и глубины выреза, но различен для разных материалов и для разных этапов де-

Рис. 3. а) аппроксимация основных определяемых макроскопических параметров малоцикловой деградации для балок из стали 70Г функциями вида /(я) = (а + Ьп)' ■ й, б) диаграмма малоциклового поперечного изгиба балки из Ст45 с вырезом.

градации (этап «циклического упрочнения», соответствующий ниспадающей ветви, и этап развития сформировавшихся дефектов, соответствующий восходящей ветви). Следовательно, он может служить параметром, характеризующим деградацию материала в области локализации максимальных необратимых деформаций перед вершиной выреза. Другим параметром, характеризующим деградацию материала при малоцикловом нагружении, может служить величина 5 = N(¿>и-'1гш)//Утх , также не зависящая от амплитуды приложенной силы.

Независимость величин с и 5 от амплитуды нагрузки позволяет использовать их для сравнительного анализа материалов с существенно различными пределами текучести и прочности.

остаточного прогиба для Д16-Т при разных значениях амплитуды приложенной силы функциями вида /[п) = (а + Ьп)~'-с1; 1 - Ртт = 900 Н, 2 - 950 Н, 3 — 1000 Н.4- 1050 Н, 5-1100 Н.

Наблюдается постоянство соотношения предельного прогиба при однократном и малоцикловом нагружении при различных видах малоциклового нагружения. Данное соотношение зависит от свойств материала и может рассматриваться как параметр, характеризующий поведение материала в области локализации неупругих деформаций при малоцикловом нагружении. Определено влияние предварительного неупругого деформирования материала на накопление повреждений при малоцикловом нагружении рассмотренных материалов, в том числе на соотношение предельных прогибов.

О 50 100 N

Рис. 5. Изменение диаграммы поциклового прироста остаточного прогиба в зависимости от величины предварительного пластического растяжения материала (Д16-Т): 1 - исходный материал, 2 - предварительное растяжение 5%, 3 - предварительное растяжение 10%

При нестационарном малоцикловом нагружении процесс нагружения разбивался на ступени (группы циклов с одинаковой амплитудой нагрузки). Рассматривалось нагружение с увеличением и уменьшением амплитуды нагрузки от ступени к ступени. В первом случае переход на новую ступень сопровождается увеличением области, на которую оказывает воздействие вырез. После этого возобновляется процесс «циклического упрочнения», то есть зависимость ды^Ы) имеет нелинейно убывающий вид. Во втором случае область воздействия концентратора при переходе на следующую ступень уменьшается и на каждой ступени наблюдается нелинейный рост ¿¡^(Л'). При

понижении амплитуды нагрузки абсолютная величина Зы^) уменьшается,

однако при этом происходит значительное разупрочнение, проявляющееся при обратном повышении амплитуды. Между наблюдаемыми эффектами и результатами прямого наблюдения развития трещин вблизи концентратора при малоцикловом нагружении имеется соответствие, позволяющее сопоставить ниспадающий участок с этапом развития трещины до образования

«зуба», то есть до выхода из области влияния концентратора, а восходящий участок - с этапом развития трещины после выхода из области влия-

ния, на котором нелинейный рост длины трещины проявляется в нелинейном росте <5Чу(./У) .

Проведенные эксперименты позволили получить качественное подтверждение моделей В.М. Корнева описывающих мапоцикловое разрушение тел с внутренней трещиной (Деформация и разрушение материалов, 2008; Procedía Engineering. 2010).

Во второй главе приводятся результаты комплексных экспериментальных исследований нового мезоструктурного металлического композита (МК) сочетающего жаропрочность, высокую электропроводность и пластичность с высокой прочностью. Матрица композита имеет субмикрокристаллическую структуру, в качестве упрочняющей фазы используются агломераты наноком-позита Cu-TiB2, полученные при помощи самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Цель испытаний состояла в исследовании влияния распределения частиц упрочняющей фазы и их взаимодействия с матрицей на прочность и пластичность композита.

В начале главы кратко рассмотрены общие проблемы создания металлических композитов с нанокристаллическими включениями, а также метод создания и обусловленный им механизм формирования структуры МК.

"У §fa

«Я

«¡a

fr-

eí б в

Рис. 6. Фотографии структур на СЭМ LEO-420: а) МК с основой А1, б) МК с основой Си, в) МК с основой из внутренне окисленной меди (ВОМ).

Далее приведены результаты исследования зависимостей механических свойств МК от объемной доли упрочняющей фазы. Для сравнения прочности, пластичности и сопротивляемости усталостному разрушению разновидностей МК с различными значениями объемного содержания диборида титана (TiB2) проведена серия экспериментов на статическое и малоцикловое сжатие цилиндрических образцов. Испытания на сжатие проводились по двум причинам: преобладание сжимающих нагрузок при предполагаемом использовании материала и технические трудности, связанные с изготовлением образцов на растяжение из получаемых прутков данного композита. В силу сложности напряженного состояния, возникающего при испытаниях на сжатие, получаемые значения параметров материала, таких как предел текучести и предельная деформация, условны и зависят от формы и размеров образцов, как и от силы трения между образцом и наковальнями. Однако, при условии использования одинаковых образцов, эти параметры могут быть использованы для сравни-

тельного анализа свойств материалов. Помимо записи условных диаграмм на-гружения проводилось исследование средней микротвердости материалов в исходном и деформированном состояниях, распределение микротвердости от центра образца к периферии при различных состояниях материала и анализ микроструктуры до и после нагружения.

Рис. 7. а) Распространение повреждения вдоль прослоек, содержащих частицы упрочняющей фазы, б) структурный зародыш макро-трещины в периферийной области образца.

а б

Рис.8. Результаты механических испытаний: а) зависимость напряжения от деформации при жестком одноосном сжатии внутреннеокисленной меди (ВОМ) и разных видов МК с упрочняющей фазой Cu-TiB2, 1 - BOM, 2 - Си-МК-6%TiB2, 3 - Си-МК-10%TiB2, 4 - Си-МК-14%TiB2, 5 - Cu-MK-18%TiB2, б -BOM-MK-6%TiB2, 7 - BOM-MK-10%TiB2; б) зависимости прироста остаточной деформации 5s на каждом цикле от числа циклов N, 1 - ВОМ, 2 - Си-МК-6%TiB2, 3 - Си-МК-10%TiB2, 4 - Си-МК-14%TiB2, 5 - Си-МК-18%TiB2, б -BOM-MK-6%TiB2, 7 - ВОМ-МК-Ю%т2.

Установлен диапазон, в котом должно находится значение объемной доли упрочняющей фазы (6< % TiB2 <14) в МК, позволяющий получить мате-

риал, сочетающий высокую прочность с пластичностью, обеспечивающей рабочий ресурс материала и возможность его обработки. В МК с содержанием ТШ2 вне предела указанного интервала наблюдается неоднородность в распределении свойств, выявляемая при помощи измерения микротвердости.

При низком содержании материал выдерживает значительные пластические деформации без трещинообразования в объеме образца, с незначительным порообразованием в периферийной области. Деформирование приводит к заметному упрочнению, указывающему на то, что ресурс возможного упрочнения материала введением сверхпрочных частиц, не исчерпан.

а б в

Рис. 9. Схема структуры МК с разными значениями объемной доли упрочняющей фазы: а) низкая объемная доля, недостаточная для формирования выраженной ячеистой структуры; б) оптимальная объемная доля, обеспечивающая формирование ячеистой структуры без скоплений сверхпрочных частиц; в) избыточная объемная доля, обеспечивающая образование скоплений сверхпрочных частиц, служащих очагами разрушения при деформировании.

При содержании упрочняющей фазы, близком к оптимальному, достигается наибольшая однородность свойств, высокая прочность и пластичность (образование трещин в периферийной области происходит только при осадке образца больше 70%). При этом не наблюдается увеличения микротвердости после деформирования или ее уменьшения после мапоциклового сжатия. Разрушение происходит только в периферийной области за счет порообразования вдоль прослоек ячеистой структуры, содержащих сверхпрочные частицы. За пределами периферийной области структура материала сохраняет свой вид после деформирования.

При избыточном содержании упрочняющей фазы прочность повышается, но пластичность заметно снижается. Из-за многочисленных скоплений сверхпрочных частиц образуются трещины по всему объему материала, наблюдаются также многочисленные отслоения на межфазных границах.

asMPa -600

400

200

5 10 15 % TiB,

а б в

Рис. 10. Зависимости характеристик Си-МК: а) предела текучести crs, б) предельной осадки sue) микротвердости Hv от объемного содержания упрочняющей фазы.

Установлено, что зависимости предела текучести, предельной осадки и средней микротвердости от объемной доли упрочняющей фазы могут быть удовлетворительно описаны функциями вида / ~ у[х , где л: - доля упрочняющей фазы, что позволяет провести параллель между механизмами упрочнения МК и дисперсно-упрочненных сплавов (Эшби М.Ф., 1972).

Рис. 11. Разрушение периферийной области образца при одноосном сжатии: а) Си-МК-6% TiB2, б) Си-МК-10% TiB2, в) Си-МК-14% ПВ2. г) Си-МК-18% TiB2

Исследована возможность улучшения свойств композита дополнительным легированием матрицы. С этой целью был рассмотрен МК, в котором в качестве матрицы использовался дисперсно-упрочненный сплав меди - внутренне окисленная медь, представляющая собой сплав состава Си+3,5% А1203. Результаты исследования показали, что замена медной основы на внутренне окисленную медь (ВОМ) при одинаковом количестве упрочняющей фазы приводит к некоторому повышению прочности, но сопровождается значительным снижением пластичности и активизацией процессов циклической деградации материала. Таким образом, использование ВОМ в качестве основы МК не только не дает преимущества, но даже не позволяет получить столь же хоро-

шего сочетания прочности и пластичности, как использование чистой меди, делая ВОМ-МК малопригодными с технологической точки зрения.

Рис. 12. Распределение микротвердости Hv вдоль радиуса образца г для разных материалов. I - Cu-MK-6%TiB2, II - Cu-MK-10%TiB2, III - Си-МК-14%TiB2, IV- Си-МК-18%TiB2, V- BOM; 1 - исходное состояние материала, 2 - после однократного сжатия, 3 - после 5000 циклов пульсирующебго сжатия. Слева указаны диапазоны значений микротвердости, соответствующие каждому материалу.

а б в г

Рис. 13. а) микроструктура ВОМ-МК, б) схема микроструктуры ВОМ-МК, в) схема микроструктуры Си-МК, г) микроструктура Си-МК с тем же значением объемного содержания упрочняющей фазы. На схемах - темные точки -частицы упрочняющей фазы, светлые области на (в) - чистая медь, на (б) -медь с низким содержанием А1203, темные области на (б) - медь с повышенным содержанием А1203.

Неудовлетворительные качества композита с дополнительно упрочненной матрицей вызваны следующими причинами. Частицы порошка ВОМ в силу особенностей кинетики внутреннего окисления имеют повышенную концентрацию кристаллов оксида алюминия в периферийной области, что снижает деформируемость этих частиц в процессе формирования композита и приводит к образованию значительно более крупноячеистой структуры, чем в МК с медной основой. Из-за этого прослойки между ячейками превращаются в объемные скопления сверхпрочных частиц наподобие тех, что образуются в

МК с медной матрицей при избыточном содержании упрочняющей фазы. Эти прослойки и примыкающие к ним периферийные области ячеек с повышенным содержанием оксида алюминия содержат микротрещины, образующиеся еще на стадии формирования композита и развивающиеся при деформировании. Из-за большого размера ячеек и скоплений сверхпрочных частиц в прослойках материал отличается от Си-МК существенной неоднородностью распределения свойств, что показывает измерение микротвердости на разных расстояниях от центра образца.

Сравнительная оценка деградации материалов при малоцикловом на-гружении проводилась тремя методами.

Первый метод состоял в сравнении диаграмм зависимости поциклового прироста остаточной осадки образца от числа циклов. Эти диаграммы аналогичны диаграммам ¿н-^/У) из первой главы. Разница состоит в том, что при

сжатии различия в типе структуры могут оказывать большое влияние на то, как деградация материала отражается на остаточной осадке. Из-за этого можно проводить прямое сравнение диаграмм только для материалов с одним типом структуры. Для сравнения материалов с разной структурой необходимо привлекать дополнительные соображения, что позволяет сделать, например, анализ микроструктур до и после циклических испытаний. Для всех видов МК малоцикловое нагружение (пульсирующее сжатие) проводилось при максимальном напряжении цикла, обеспечивающем остаточную осадку е = 1% после первого нагружения. Все диаграммы аппроксимируются функциями вида 5е - N~c ■ с1, где масштабирующий коэффициент с/ одинаков для всех испытанных материалов. Предполагалось, что чем меньше величина с, тем больше деградация материала, поскольку больше площадь фигуры под графиком при совмещении минимумов экспериментальных кривых.

Рис. 14. Повреждения периферийной области образцов после 5000 циклов нагружения: а) Си-МК-10% ПВ2, в) Си-МК-18% ПВ2, г) ВОМ-МК-Ю% Т1В2

Второй и третий методы состояли соответственно в сравнении структур материалов и сравнении распределения микротвердости по образцу вдоль радиуса после циклического деформирования. Оба метода показывают, что при

увеличении доли упрочняющей фазы выше некоторого предела появляются признаки заметного увеличения поврежденности материала. При сравнении структур это проявляется в увеличении порообразования в периферийной области, при исследовании распределения микротвердости - в заметном разупрочнении периферийной области. Эти изменения проявляются при объемной доле упрочняющей фазы больше 10%. Те же результаты дает сравнение диаграмм <$e(lV), что подтверждает корректность первого метода.

Прямое сравнение диаграмм <fe(jV) для Cu-МК и BQM-MK по параметру с невозможно ввиду значительных различий типа структуры. Однако сравнение ВОМ и двух видов ВОМ-МК показывает, что влияние доли упрочняющей фазы на малоцикловую деградацию материала у ВОМ-МК больше, чем у Cu-МК, поскольку заметные отличия появляются уже между ВОМ-МК с содержанием упрочняющей фазы 5% и 10%, тогда как Cu-МК с таким содержанием диборида титана ведут себя практически одинаково. Отсюда можно сделать вывод, что ВОМ-МК хуже сопротивляется усталостному разрушению, чем Cu-МК. Этот вывод подтверждается сравнением микроструктур. Если у МК на медной основе в результате малоциклового деформирования образуется пояс пористости в периферийной области, то у ВОМ-МК образуются множественные трещины во всем объеме материала. Сравнение распределения микротвердости вдоль радиуса образца для разных состояний материала показывает снижение микротвердости по мере приближения к периферии после малоциклового нагружения.

Методы изготовления композитов рассматриваемого типа не позволяют получать большие объемы материала, что ограничивает возможную область их применения. Одним из способов расширить эту область является нанесение слоев композита на наиболее ответственные участки деталей, выполненных из другого материала. Бондарь М.П. и Лукьяновым Я.Л. (Известия ВГТУ, сер. Сварка взрывом и свойства сварных соединений, 2012) было показано, что возможна сварка взрывом Cu-МК и меди при условии, что направление движения точки контакта пластин совпадает с направлением текстуры, образующейся в процессе формирования МК.

В данной работе приведены результаты экспериментов по разрушению при поперечном изгибе двухслойной балки, полученной сваркой взрывом пластин из меди и МК. Слои имеют равную толщину. При изгибе нагрузка прикладывалась к композитному слою. Из-за существенной разницы механических свойств сваренных материалов при таком виде нагружения нижняя часть композитного слоя и весь медный слой в вертикальной плоскости симметрии испытывают растяжение вдоль балки, а на границах между слоями балки и между ячейками и прослойками в композите возникают касательные напряжения. Таким образом, причиной разрушения могут стать поперечный разрыв, либо образование сдвиговых трещин.

В проведенных экспериментах не наблюдалось возникновения расслоения между сваренными материалами. Разрушение всегда начинается с образования поперечной трещины в композитном слое от вершины волны сварного шва. Волны служат как геометрическими концентраторами напряжений (над ними меньше площадь поперечного сечения композитного слоя), так и физическими (композит напротив волны сварного шва при сварке испытывает наибольшее сжатие, в результате чего в этих областях уменьшен ресурс пластического деформирования и увеличена концентрация частиц упрочняющей фазы). Таким образом, прочность сварной конструкции уменьшается с увеличением волны шва.

Развитие трещины зависит от вида нагружения. При статическом на-гружении основным механизмом разрушения является образование сдвиговых трещин в прослойках, содержащих высокопрочные частицы. Эти трещины растут за счет объединения пор, содержащих частицы упрочняющей фазы. При малоцикловом нагружении из заранее созданной первичной трещины развивается поперечная трещина отрыва, влияние распределения высокопрочных частиц в композите на ее развитие практически отсутствует.

Рис.15. Первичная трещина, образующаяся в композитном слое от вершины волны сварного шва.

Рис. 16. Развитые трещины в МК при поперечном изгибе двухслойной балки: а) статическое нагружение; б) малоцикловое нагружение.

Проведенные исследования МК позволили как оптимизировать состав данного композита, так и получить новые данные о закономерностях форми-

рования композиционных материалов, необходимые для определения оптимального состава композита на основе соотношения механических свойств матричного материала и упрочняющей фазы.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования механизмов разрушения и циклической деградации сферопластика. Целью исследования является получение информации, важной для развития структурного моделирования композиционных материалов данного типа.

Рис. 16. Фотографии структуры сферопластика на СЭМ ЬЕО-420: а) типичная поверхность разрушения (трещина прошла по матрице в обход микросфер, не разрушая последних), б) участок поверхности с разрушенными микросферами, в) типичный дефект, образующийся при заливке материала (воздушный пузырек).

В начале главы приводится краткий обзор существующих работ, посвященных исследованию сферопластиков. Эти исследования в основном направлены на определение разрушающих нагрузок при различных условиях нагру-жения, экспериментальное и теоретическое определение эффективных упругих характеристик. Существует также ряд работ, посвященных структурному моделированию разрушения сферопластика на уровне взаимодействия нескольких соседних пустотелых включений либо при помощи представления сферопластика в виде периодической среды, ячейка периодичности которой воспроизводит статистические характеристики композита. Отмечается отсутствие рассмотрения при структурном моделировании возможных коллективных деформационных эффектов и такого важного для композитов параметра, как состояние границы между матрицей и включениями.

Далее приводятся результаты экспериментального исследования, цель которого состоит в определении основных механизмов разрушения и циклической деградации сферопластика. В качестве модельного материала использован сферопластик на эпоксидной основе ЭДС-7А со стеклянными микросферами. Исследования проводились посредством сравнительного анализа поверхностей разрушения, типов разрушения и диаграмм деформирования при разных способах нагружения и разных температурных режимах.

Для исследования влияния температуры на механизмы разрушения сфе-ропластика проводились испытания на одноосное растяжение и сжатие сплошных образцов и сжатие образцов с концентратором напряжений в виде сквозного отверстия. Испытания проводились в диапазоне температур от 20 до 100 °С. Нагрев в этом диапазоне не вызывает необратимых изменений свойств компонентов и композита в целом.

Рис. 17. Диаграммы погружения для разных температур и скоростей деформирования.

Рис. 18. Зависимости предельной нагрузки и предельной деформации от температуры для разных видов нагружения. Справа приведены общие для всех видов нагружения схемы этих зависимостей, указывающие на существование температуры, при которой происходит переход от одного основного механизма разрушения к другому.

Обнаружено, что материал, в зависимости от температуры, может иметь три различных состояния. В первом состоянии (20°С) композит деформируется упруго и имеет хрупкий тип разрушения. Трещины распространяются в матрице, образуя относительно ровные поверхности отрыва с неповрежден-

ными микросферами. Нелинейные участки диаграмм при сжатии возникают из-за локальных разрушений, накапливающихся до тех пор, пока разрушенная область не разделит образец на отдельные фрагменты.

Во втором состоянии (60, 70°С) происходит упругопластическое деформирование композита. При сжатии материал выдерживает большие деформации, наблюдается образование полос скольжения. Разрывы в матрице, возникающие в местах концентрации растягивающих или касательных напряжений, не распространяются. При растяжении поверхность отрыва отличается от первого состояния увеличенным характерным размером рельефа.

В третьем состоянии (80, 100°С), не смотря на пластичность матрицы, композит теряет способность к пластическому деформированию и разрушается с образованием трещиноподобных дефектов, как хрупкий материал. На поверхностях разрушения наблюдается заметное увеличение характерного размера рельефа.

а б в

Рис. 18. Поверхности отрыва при растяжении цилиндрических стержней в разных температурных состояниях: а) хрупкое, б) пластичное, в) псевдохрупкое.

а б в

Рис. 19. Боковые поверхности образ1(ов после сжатия в разных температурных состояниях: а) хрупкое, б) пластичное, в) псевдохрупкое.

а б в

Рис. 20. Разрушение вблизи концентратора после сжатия в разных температурных состояниях: а) хрупкое, б) пластичное, в) псевдохрупкое.

Сравнение максимальных значений условного напряжения и деформации для разных температур показывает, что при некоторой температуре (около 80°С) происходит смена основного механизма разрушения композита, определяющего его прочность.

Поскольку это происходит не только при сжатии, но и при растяжении, причиной такого перехода не может быть разрушение микросфер из-за понижения несущей способности матрицы и перенесения основной нагрузки на микросферы. Возникновение трещиноподобных дефектов не может быть следствием распространения разрывов матрицы, поскольку такое распространение не наблюдается уже во втором состоянии, когда матрица менее пластична. На основании этого делается вывод о том, что разрушение в третьем состоянии происходит за счет объединения возникающих отслоений между матрицей и включениями. Этим может объясняться также увеличение рельефа на поверхностях отрыва. Переход к такому механизму разрушения, по-видимому, обусловлен ослаблением связи на границах между матрицей и включениями.

"оЩй?

Рис. 21. Схема возникновения рельефа на поверхностях отрыва: а) распространение трещины в матрице; б) объединение отслоений между матрицей и включениями в трещиноподобный дефект.

Таким образом, основными механизмами разрушения при растяжении и одноосном сжатии сферопластика, в зависимости от пластичности матрицы и состояния межфазной границы, могут быть распространение в матрице трещин, обходящих включения по границе (этот механизм характеризуется сравнительно ровными поверхностями отрыва), и отслоения на границах между матрицей и микросферами, объединяющиеся в трещину (этот механизм характеризуется выраженным рельефом на поверхностях разрушения). Массовое разрушение микросфер на берегах трещин наблюдалось только в тех случаях, когда при разрушении образцов происходило относительное смещение прижатых друг к другу фрагментов материала.

Уменьшение скорости деформирования, приводящее к уменьшению размеров коллективных эффектов и, как следствие, к увеличению равномерности деформирования, влияет на поведение материала так же, как увеличение температуры, но не вызывает перехода из одного температурного состояния в другое.

Проводилось также малоцикловое нагружение сферопластика: периодическое сжатие при разных температурах и периодическое стесненное кручение тонкостенных трубок при 65°С (температура была выбрана с целью увеличения возможного угла закрутки за счет пластичности матрицы).

...... ...1-1-1-!-!-1-

О 200 400 600 N 0 40 80 120 N

а б

Рис. 21. Зависимости касательного напряжения т от количества циклов при малоцикловом стесненном кручении (ЭДС-7А, Т-65°С); от числа циклов N. кривые п. 1 - (Ы), п.2 - Гпйп (Л0, п. 3 - Ау(Ю = г<т (АО - у„„ (АО;

а) ггао =0, гтах =3,3 МПа, кривые 1.п соответствуют начальному напряжению сг0 = 5,28 МПа, 2.п - а0 = 8 МПа, З.п - а0 = 10,5 МПа;

б) а0 = 0, кривые 1.п соответствуют максимальному касательному напряжению цикла г = 3,6 МПа, 2.п- г = 3,8 МПа, З.п - г =4,4 МПа.

Рис. 23. Разрушение сферопластика; а) типичная поверхность берегов трещин, возникающих при сдвиге или потере устойчивости при Т-65° С (микросферы не разрушены), б) для сравнения - поверхность с разрушенными микросферами, в) поверхность берега трещины, возникающей при дополнительном холодном разрушении образца, разрушенного циклическим кручением, г) поверхность берега винтовой трещины, возникающей в результате циклического кручения, д) трещины, возникающие при потере устойчивости от сжатия, е) винтовая трещина, возникающая в результате циклического кручения.

При пульсирующем сжатии диаграммы малоцикловой деградации материала имеют как участок циклического упрочнения, так и участок, отвечаю-

щий развитию сформированных дефектов. В первом температурном состоянии это могут быть трещины в матрице. Во втором - растущие области локализации пластических сдвигов матицы (в этом случае потеря несущей способности происходит при разделении образца такой областью на не сообщающиеся фрагменты). В третьем температурном состоянии деградация происходит за счет накопления отслоений на межфазных границах. Стадия циклического упрочнения при этом почти отсутствует, а прирост остаточной осадки образца сопровождается существенным нелинейным уменьшением секущего модуля.

При циклическом сдвиговом нагружении не наблюдается постепенного роста усталостной трещины. Деградация материала имеет только один этап -«циклическое упрочнение», который заканчивается образованием винтовой трещины, берега которой имеют выраженный рельеф, говорящий о том, что трещина возникает за счет отслоения матрицы от включений. При достаточном начальном осевом сжатии могут одновременно возникать продольные трещины отрыва с рельефными берегами. До возникновения трещин накопление отслоений в материале не происходит, о чем говорит отсутствие рельефа на берегах трещин, получаемых впоследствии при температуре около 20°С при разрушении образцов, подвергшихся циклическому кручению. Следовательно, наблюдаемая деградация свойств осуществляется не за счет накопления микротрещин, а за счет исчерпания возможности относительного смещения микросфер в матрице. По-видимому, в результате такого смещения достигается уровень напряжений на границах между матрицей и включениями, достаточный для возникновения отслоений, что и приводит в итоге к разрушению.

0,9- ( 0,9 - ........................................... .........

V^ 3 3

0,7 1 0,7 ■ 1У

V 2 ______________________

^ -—-----------------------------------------------_ V.............................................................................—

0,5- I 1 1 1 1 0,5 --1-1-1-1--,-,--

200 400 600 Л' 40 80 120 /V

а б

Рис. 22 Зависимости нормированной средней продолжительности цикла

от числа циклов Ы;

а) гт = 0, гтх =3,3 МПа, 1 - ег0 = 5,28 МПа, 2-е70 = 8 МПа, 3 - сг0 = 1

МПа; б) сг0 = 0, 1 - = 3,6 МПа, 2-тт = 3,8 МПа, 3 - ттх =4,4 МПа.

Малоцикловое кручение при наличии предварительного осевого сжатия приводит к увеличению сопротивления материала сдвигу. Без предварительного сжатия происходит уменьшение сопротивления сдвигу.

При наличии начального сжимающего напряжения, превышающего некоторое значение, кручение активизирует релаксацию осевого напряжения. При отсутствии начального сжатия кручение приводит к росту осевого сжимающего напряжения.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования деградации оргстекла при периодическом сложном нагружении сплошных цилиндрических стержней при критических и околокритических условиях нагружения. Известно, что при сложном нагружении первоначально изотропные материалы могут приобретать анизотропию свойств. При этом в то время, как одна компонента нагрузки может являться основной причиной разрушения, остальные оказывают дополнительное влияние на вызываемые ею процессы необратимого изменения материала, влияя тем самым на прочность и усталостную долговечность конструкции. Известно, что оргстекло при растяжении подвержено хрупкому разрушению, тогда как при сжатии выдерживает значительные высокоэластические деформации, необратимые при нормальной температуре, но восстанавливающиеся при температурах, близких к температуре формования.

Проведенные экспериментальные исследования были направлены на выявление закономерностей изменения свойств материала при периодическом нагружении крутящим моментом и дополнительном осевом нагружении. Осевое нагружение создается либо начальным осевым сжатием, либо распирающей силой, возникающей при стесненном кручении, либо периодической догрузкой образца, восстанавливающей начальное значение осевого сжимающего напряжения перед каждым циклом. Периодическое кручение проводилось в жестком режиме с заданной амплитудой угла закрутки, обеспечивающей высокоэластическое деформирование. При проведении испытаний отслеживалось изменение параметров колебаний крутящего момента и осевого сжимающего напряжения, после испытаний проводилось сравнение типа разрушения от условий нагружения.

Установлено существование диапазона значений сжимающего осевого напряжения, в котором происходит разрушение стержня кручением. Кручение способствует релаксации осевого сжимающего напряжения, начальное значение которого выше этого диапазона, и приводит к увеличению осевого напряжения, значение которого ниже этого диапазона. При периодическом осевом догружении образца, восстанавливающем начальное значение осевого сжимающего напряжения перед каждым циклом, превышение этого диапазона приводит к потере устойчивости стержня при значительно меньшем сжимающем напряжении, чем для квазистатического нагружения.

Обнаружено, что при жестком пульсирующем стесненном кручении в стержне происходит образование области локализованной высокоэластической деформации, в которой затем накапливаются поверхностные микроповреждения, развивающиеся в пояс трещин, распространяющийся от поверхности к оси образца. Локализация возникает при достижении в ходе циклического кручения критического значения остаточного крутящего момента (момента, возникающего при возвращении к нулевому углу закрутки). Размеры области локализации зависят от начального значения осевого сжимающего напряжения. Введение в программу нагружения 30-секундной выдержки на каждом цикле для релаксации остаточного момента приводит к отсутствию локализации.

а и

Рис. 23. Зависимости параметров колебания крутящего момента М и осевого сжимающего напряжения а от числа циклов при разных значениях максимального угла закрутки в цикле (начальное значение осевого сжатия а =1,25

МПа), 1 - Мтах, 2 - Мтт, 3 - атах, 4 - ат,„: а) наличие локализации деформаций, б) отсутствие локализации деформаций.

Рис. 22. Зависимость типа разрушения от вида нагружения: а) стесненное кручение до разрушения, б) циклическое стесненное кручение без начального осевого сжатия, в) циклическое стесненное кручение с начальным осевым сжатием, г) циклическое осевое кручение с циклическим осевым сжатием

о, МПа

10 5 0 -5

„=60°

Рис. 24. Зависимости параметров колебания крутящего момента М и осевого сжимающего напряжения а от числа циклов при разных значениях времени / выдержки после цикла погружения (начальное значение осевого сжатия а' = 1,25 МП а, восстанавливается догрузкой в начале каждого цикла), 1 -Мтах, 2 - Мт,„, 3 : а) наличие локализации деформаций, б) от-

сутствие локализации деформаций.

Рис. 25. Релаксация осевого сжимающего напряжения (а) и крутящего момента (б) во время выдержки между циклами погружения ', числа справа (а) -номера циклов нагружения; кривая релаксации момента не зависит от числа циклов.

Сценарий разрушения (равномерное развитие пояса повреждений или возникновение винтовой трещины), зависит от наличия возможности релаксации осевых напряжений при циклическом кручении и не зависит от начального значения осевого напряжения.

Деградация оргстекла при циклическом кручении значительно влияет на релаксацию сжимающих напряжений во время выдержки между циклами. В исходном состоянии после разгрузки происходит рост осевого сжимающего напряжения, вызванный запаздыванием реакции материала на деформирование. По мере малоцикловой деградации рост сжимающего напряжения сменяется уменьшением, что говорит о накоплении повреждений, при развитии которых происходит релаксация внутренних напряжений, перераспределение которых в исходном состоянии материала приводило к росту распирающей

силы во время выдержки. Происходящие изменения не оказывают влияния релаксацию остаточного крутящего момента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Установлена связь между размерами области локализации неупругих деформаций вблизи макродефекта и этапами развития трещины, зарождающейся в этой области при малоцикловом деформировании. Определен ряд макромеханических параметров, которые могут использоваться для сравнительного анализа малоцикловой деградации материалов в области локализации необратимых деформаций для малоциклового деформирования при нагрузках, близких к критическим (показатели степени функций, аппроксимирующих диаграммы зависимости прироста остаточных деформаций от числа циклов, коэффициент асимметрии этих диаграмм, отношение предельной деформации при статическом и малоцикловом нагружении).

2. Определено влияние распределения частиц упрочняющейся фазы на прочность, пластичность и характер разрушения металлического композита, упрочняющая фаза которого представляет собой сверхпрочные частицы-агломераты нанокомпозита Си-Т1В2. Произведен рациональный выбор состава композита данного типа.

3. Установлено, что прочность сферопластика при одноосном сжатии, растяжении и сдвиге определяется двумя основными механизмами разрушения - либо распространением трещин в матрице, либо объединением отслоений на границах между матрицей и включениями. Преобладание того или иного механизма зависит от температуры, при которой происходит нагружение. Установлена зависимость механизма деградации сферопластика при периодическом деформировании от температуры и вида нагружения. Установлена зависимость ряда параметров макроскопического деформирования сферопластика от числа циклов и вида нагружения при периодическом стесненном кручении.

4. Обнаружено явление локализации «замороженных» высокоэластических деформаций при жестком периодическом стесненном кручении оргстекла. Установлено, что причиной возникновения локализации является достижение критического значения крутящего момента, соответствующего нулевому углу закрутки. Определено влияние осевого сжатия на разрушение оргстекла при периодическом кручении.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях в журналах, входящих в список ВАК*, и сборниках статей:

1. *Карпов Е.В. Разрушение сферопластовых образцов с различными типами концентраторов напряжений // Прикл. механика и техн. физика. Новосибирск, 2002. Т. 43, № 4. С. 170-179.

2. *Карпов Е.В. Деформирование и разрушение сферопласта в условиях малоциклового нагружения при различных температурах II Прикл. механика и техн. физика. 2009. Т. 50, № 1. С. 197-204.

3. *Демешкин А.Г., Карпов Е.В., Корнев В.М., Малоцикловая усталость образцов с краевой трещиной из сталей с разными степенями предварительного деформирования // Физ. Мезомеханика. 2009. Т. 12, № 3. С. 9199.

4. *Аннин Б.Д., Карпов Е.В., Демешкин А.Г., Различные механизмы разрушения сферопласта // Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. 2010. №52. С. 13-20.

5. *Kornev V., Karpov Е., Demeshkin A. Damage accumulation in the préfracture zone under low-cyclic loading of specimens with the edge crack // Procedía Engineering. 2010. V. 2. № 1. P. 465-474.

6. *Бондарь М.П., Карпов E.B. Мезокомпозиционный матерал Cu-TiB2: механические свойства, микроструктура, оптимизация состава // Вестник Нижегород. Ун-та им. Н.И. Лобачевского. 2011, № 4(4). С. 451-453.

7. *Бондарь М.П., Карпов Е.В., Панин C.B., Гордовская И.В. Мезоком-позитный материал Cu - TÎB2: механические свойства // Перспективные материалы. 2011. №4. С. 54-61.

8. *Демешкин А.Г., Карпов Е.В., Корнев В.М. Накопление повреждений в образцах с краевой трещиной в зоне предразрушения при нестационарном малоцикловом нагружении // Известия РАН. Механика твердого тела.

2011. №4. С. 141-154.

9. *Бондарь М.П., Карпов Е.В. Влияние структуры основы на характеристики мезокомпозита, содержащего TiB2 // Физическая мезомеханика.

2012. Т. 15, №3. С. 91-100.

10. *Бондарь М.П., Карпов Е.В. Мезокомпозитный материал Cu-TiB2: механизмы накопления повреждений при малоцикловом деформировании //Перспективные материалы. 2012. №3. С. 56-65.

11. *Карпов Е.В., Бондарь М.П. Влияние состояния матрицы и межфазного взаимодействия на макромеханические свойства композита // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. Т. 79. № 1. С. 58-64.

12. *Карпов Е.В., Ларичкин А.Ю. Влияние осевого сжатия и крутящего момента на локализацию деформаций и разрушение при сложном цикличе-

ском нагружении стержней из оргстекла // Прикл. механика и техн. физика. 2014. Т. 55, № 1.С. 115-126.

13. *Бондарь М.П., Карпов Е.В. Получение композитов на металлической основе, упрочненных наночастицами диборида титана // Прикл. механика и техн. физика. 2014. Т. 55, № 1. С 40-56.

14. Bondar М.Р., Karpov E.V., Korchagin М.А., Obodovsky E.S., Lukyanov Y.L. Creation of Mesostructural Material with Nanocrystalline Inclusions of Titanium Diboride by Quasidynamic Method// Journal of Materials Science and Engineering, USA. 2010. v.4, № 3, P. 52-56.

15. Kornev V.M., Karpov E.V., Demeshkin A.G. Interrelation between failure and damage accumulation in the pre-fracture zone under low-cycling loading // in book Recent Trends in Casting,Welding and Degradation of Aluminium Alloys. ISBN 978-953-307-734-5. Book edited by: Prof. Dr. Zaki Ahmad. C. Eng (UK), F.I.M.M.M (UK), King Fahad University Of Petroleum and Minerals, Dhahran, Saudi Arabia. 2011. P. 407-422.

16. Карпов Е.В. Изменение механических свойств сферопласта при периодическом стесненном кручении // Механика и процессы управления. Т. II. Сб. Материалов XXXXI1I Всероссийского симпозиума по механике и процессам управления. М.: РАН. С. 24-30.

17. Корнев В.М., Карпов Е.В., Демешкин А.Г. Накопление повреждений в образцах с трещиной в зоне пластического деформирования при нестационарном малоцикловом нагружении // CD: V Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение». Екатеринбург, 2008. Сборник статей.

18. Карпов Е.В. Концентрация напряжений и особенности разрушения в сплошном сферопластовом цилиндре, ослабленном поперечным цилиндрическим вырезом // Новосибирск: Ин-т. гидродинамики. Динамика сплошной среды. 2001. Вып. 118.

19. Корнев В.М., Карпов Е.В., Демешкин А.Г. Взаимосвязь разрушения с накоплением повреждений в зоне предразрушения при малоцикловом нагружении // V Росс. науч.-техн. конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», 25-29 апреля 2011 г. Сб. трудов. Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2011. (CD).

20. Бондарь М.П., Карпов Е.В. Мезокомпозитный материал Cu-TiB2: механизмы накопления повреждений при малоцикловом деформировании // V Росс, науч.-техн. конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», 25-29 апреля 201Г г. Сб. трудов. Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2011. (CD).

21. Annin B.D., Karpov E.V., Demeshkin A.G., Kornev V.M. Damage accumulation in non-stationary low-cyclic loading of specimens with stress concentrators // Assesment of Reliability of Materials and Structures: Problems and Solutions: Proceedings of the Intern. Conference. SPb.: Polytechnic University Publishing, 2008. p. 158-161.

22. Карпов Е.В., Корнев В.М., Демешкин А.Г. Накопление повреждений в образцах с трещиной в зоне пластического деформирования при нестационарном малоцикловом нагружении // СБ: V Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение». Екатеринбург, 2008. Сборник статей.

Подписано к печати 08.04.2014. Заказ № 149 Формат 60x84/32. Объем 2 уч. изд. л. Тираж 75 экз. Отпечатано в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН 630090 Новосибирск, пр-т Лаврентьева, 15.

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, доктора физико-математических наук, Карпов, Евгений Викторович, Новосибирск

Российская академия наук Сибирское отделение Федеральное государственное бюджетное учреждения науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской

академии наук

05201450978 На правах рукописи

УДК 539.3

Карпов Евгений Викторович

ВЛИЯНИЕ ЛОКАЛИЗОВАННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НА ДЕФОРМИРОВАНИЕ И

РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: академик РАН, д.ф.-м.н., Б.Д. Аннин

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ДЕГРАДАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ В ОБЛАСТИ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИМЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИ 13

1.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИН ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ 13

1.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 20

1.3. ИССЛЕДОВАНИЕ IN SITU РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН В ОБЛАСТИ ЛОКАЛИЗАЦИИ НЕУПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПЕРЕД ВЕРШИНОЙ ВЫРЕЗА ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ 25

1.4. СТАЦИОНАРНОЕ МАЛОЦИКЛОВОЕ НАГРУЖЕНИЕ 40

1.5. НЕСТАЦИОНАРНОЕ МАЛОЦИКЛОВОЕ НАГРУЖЕНИЕ 58

1.6. ХАРАКТЕРНОЕ ОТНОШЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПРОГИБОВ 65

1.7. ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ 67

1.8. ВЛИЯНИЕ ГЛУБИНЫ ВЫРЕЗА 74

1.9. СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ С МОДЕЛЮ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ 75

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 1 81

2. ВЛИЯНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАТОРОВ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА С НАНОКРИСТАЛ-ЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ 83

2.1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ С НАНОКРИСТАЛ-ЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ 83

2.2. РАЗЛИЧНЫЕ МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ МЕДИ 86

2.3. ФОРМИРОВАНИЕ КОМПОЗИТА 88

2.4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА ПРИ КВАЗИСТАТИЧЕСКОМ СЖАТИИ 96

2.5. ДЕГРАДАЦИЯ МАТЕРИАЛА ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ ОДНООСНОМ СЖАТИИ 103

2.6. АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИИ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ 113

2.7. ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ МАТРИЦЫ НА СВОЙСТВА МК. 125

2.8. РАЗРУШЕНИЕ ДВУСЛОЙНОЙ БАЛКИ МЕТАЛЛ-КОМПОЗИТ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ИЗГИБЕ 143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 2 157

3. ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ СФЕРОПЛАСТИКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ 159

3.1. ВВЕДЕНИЕ 159

3.2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СКОРОСТИ НАГРУЖЕНИЯ НА ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ СФЕРОПЛАСТИКА 163

3.3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА НАКОПЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ СФЕРОПЛАСТИКА 188

3.4. ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СФЕРОПЛАСТИКА ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ СЛОЖНОМ НАГРУЖЕНИИ 193

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 3 210

4. ВЛИЯНИЕ ОСЕВОГО СЖАТИЯ И КРУЧЕНИЯ НА ЛОКАЛИЗАЦИЮ ДЕФОРМАЦИЙ И РАЗРУШЕНИЕ ПРИ СЛОЖНОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ СТЕРЖНЕЙ ИЗ ОРГСТЕКЛА 213

4.1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ 216

4.2. ЛОКАЛИЗАЦИЯ УСЛОВНО НЕОБРАТИМЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ЖЕСТКОМ КРУЧЕНИИ БЕЗ ОСЕВОГО СЖАТИЯ 225

4.3. ЗАВИСИМОСТЬ ОСЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ЕГО НАЧАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ПРИ СТЕСНЕННОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ КРУЧЕНИИ 230

4.4. ЗАВИСИМОСТЬ ЛОКАЛИЗАЦИИ УСЛОВНО НЕОБРАТИМЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ОТ НАЧАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ОСЕВОГО СЖИМАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СТЕСНЕННОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ КРУЧЕНИИ 235

4.5. ЗАВИСИМОСТЬ ЛОКАЛИЗАЦИИ УСЛОВНО НЕОБРАТИМЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ОТ ВОЗМОЖНОСТИ РЕЛАКСАЦИИ ОСЕВОГО СЖИМАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СТЕСНЕННОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ КРУЧЕНИИ 238

4.6. ЗАВИСИМОСТЬ ЛОКАЛИЗАЦИИ УСЛОВНО НЕОБРАТИМЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ОТ ВОЗМОЖНОСТИ РЕЛАКСАЦИИ ОСТАТОЧНОГО МОМЕНТА ПРИ СТЕСНЕННОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ КРУЧЕНИИ 241

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 4 247

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ.

При многократном нагружении материал в области локализации необратимых деформаций деградирует, исчерпывая свою способность к пластическому деформированию; что в итоге приводит к возникновению и катастрофическому распространению трещин. В определенных условиях конструкция может некоторое время функционировать с имеющимися трещинами, не перешедшими в катастрофическую стадию. В этом случае, если трещина распространяется от макродефекта, область локализованных необратимых деформаций вблизи него оказывает на развитие трещины существенное влияние, результатом которого может стать резкое изменение характера распространения трещины после ее выхода из области локализации необратимых деформаций в область, где материал в процессе периодического нагружения не претерпел существенных изменений.

Современное экспериментальное оборудование позволяет на протяжении всего испытания прослеживать динамику изменения макроскопических параметров, вызванного процессами, происходящими в структуре материала. Получаемые таким образом данные, могут использоваться для выявления общих закономерностей деградации свойств материала, отражающихся в поведении нагружаемой конструкции. Эти закономерности могут быть полезны для построения теоретических моделей, основанных на методах механики деформируемого твердого тела.

В данной работе приведены результаты исследований экспериментальных исследований малоциклового деформирования металлов и сплавов в случае, когда периодическое деформирование происходит при

нагрузках, близких к критическим, что может реализоваться либо при продолжении работы конструкции после аварии, не вызвавшей фатального разрушения, либо в конструкциях, функционирующих на пределе возможностей материала (агрегаты с высокой центробежной нагрузкой, выход за штатные режимы работы).

Большое значение локализованные неоднородности напряженно-деформированного состояния имеют в механике композиционных материалов. Концентрация напряжений вблизи включений в композитах, особенно на границе раздела фаз, обуславливает прочностные и деформационные свойства композита и во многом определяет механизмы его разрушения. Между тем в настоящее время использование композитов нередко является единственным способом удовлетворить растущие требования к необходимым комплексам механических и физических свойств материалов. В работе приводятся результаты исследования двух видов дисперсно-наполненных композитов. Первый - новый металлический композит с нанокристаллическими включениями, для которого исследована зависимость механических свойств от содержания упрочняющей фазы, рассмотрены механизмы упрочнения и разрушения, определен оптимальный состав, а также рассмотрено влияние распределения частиц упрочняющей фазы на разрушение. Второй - высоконаполненный полимерный композит сферопластик, для которого проведены исследования зависимости механизмов разрушения от температуры, скорости и вида нагружения, включая сложное (сжатие с кручением) и малоцикловое нагружение.

Еще одна разновидность локалозованной неоднородности напряженно-деформированного состояния, рассмотренная в работе, связана с локализацией деформационных процессов в первоначально геометрически и физически однородных элементах конструкций. В работе приведены результаты экспериментальных исследований локализации замороженных высокоэластических деформаций при сложном периодическом нагружении стержней из оргстекла (ГТММА). Рассмотрено влияние амплитуды угла

закручивания, осевой силы и периодической релаксации в процессе нагружения.

Целью работы является получение новых экспериментальных результатов, касающихся влияния локализованных неоднородностей напряженно-деформированного состояния на циклическую деградацию и разрушение материалов и конструкций. Такие результаты могут быть полезны при разработке новых композиционных материалов, при построении теоретических моделей композитов с различными видами включений с учетом деградации свойств при многократном нагружении, а также для оценки и моделирования поведения элементов конструкций с дефектами при режимах работы, близких к аварийным.

Поставленная цель достигается посредством решения следующих

задач:

- экспериментальное исследование развития малоцикловых трещин от вершины узкого выреза путем их прямого наблюдения и фиксации ее параметров в зависимости от количества циклов нагружения;

- комплексное экспериментальное исследование механических свойств композитов, построенное на сравнительном анализе поведения материалов при разных условиях нагружения и различной объемной доле упрочняющей фазы, изучении поверхностей разрушения и анализе эволюции микроструктуры при деформировании;

Научная новизна работы состоит в следующем:

На основе экспериментального исследования макромеханических свойств и эволюции структуры при статическом и малоцикловом нагружении определены механизмы формирования и разрушения нового композиционного материала с ячеистой структурой на металлической основе с нанокристаллическими включениями, обладающего высокой электропроводностью, жаропрочностью и пластичностью, сочетающимися с прочностью, на порядок превышающей прочность основы.

Выявлена зависимость механизмов разрушения и малоцикловой деградации сферопластика от условий нагружения, состояния матрицы и границы между матрицей и включениями.

Практическая значимость работы. Результаты диссертации имеют теоретическое и практическое значение. Полученные в диссертации результаты могут быть применены в разработке новых композиционных материалов, при построении теоретических моделей композитов с различными видами включений с учетом деградации свойств при многократном нагружении, а также для оценки и моделирования поведения элементов конструкций с дефектами при режимах работы, близких к аварийным.

Диссертационная работа выполнена в соотвествии с планами НИР Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН и программами фундаментальных исследований СО РАН по темам:

ГР № 0120.0 406864 Механика деформирования и разрушения неоднородных сред (2004-2006).

ГР № 01.2.007 06895 Многоуровневое моделирование деформирования и разрушения однородных и неоднородных сред и композитных конструкций. (2007-2009).

ГР № 01201054086 Теоретическое, экспериментальное и численное моделирование деформирования, разрушения и живучести однородных и структурированных материалов и элементов конструкций (2010-2012)

ГР № 01201365412 Математическое и физическое моделирование деформирования и разрушения неоднородных и композиционных материалов и элементов конструкций (2013)

Исследования проводились при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 05-01-00728, № 06-02-17335, № 08-01-00749, № 11-08-00191, № 12-01-00726, № 12-08-00960, № 13-01-00481), при поддержке грантов государственной поддержки ведущих научных школ НШ-319.2003.1, НШ-6481.2006.1, НШ-3 066.2008.1,_ НШ-246.2012.1, интеграционных проектов ОЭММПУ РАН № 4.11.2, 4.12.2., интеграционного проекта СО РАН, УрО РАН, ДВО РАН № 119, интеграционного проекта Президиума РАН № 25.8.

Апробация работы. Результаты, вошедшие в данную диссретационную работу, докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

V Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2008);

Международная конференция «Assesment of Reliability of Materials and Structures: Problems and Solutions» (Санкт-Петербург, 2008);

Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2009);

Третья международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009);

IV, V Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009, 2011);

10-th International Fatigue Congress FATIGUE 2010 (Прага, 2010);

V Международная научная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 2010);

VI Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2010);

Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов» (Санкт-Петербург, 2010);

Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2011);

X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (2011);

XVII Зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, 2013);

Международная конференция «Иерархически организованные системы живой и неживой природы» (Томск, 2013);

В целом работа докладывалась на семинаре отдела механики деформируемого твердого тела Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 30 работах, в том числе 13 статьях в рецензируемых журналах,

рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук и 1 монографии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 159 наименований. Работа изложена на 267 страницах, содержит 118 рисунков и 5 таблиц

ГЛАВА 1

ДЕГРАДАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ В ОБЛАСТИ ЛОКАЛИЗАЦИИ ПЛАСТИМЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

1.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИН ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

Усталостное повреждением материала является одной из основных причин разрушения металлических конструкций, в частности -О малоцикловая усталость, которая оказывает влияние на прочность конструкций при повторном статическом нагружении при больших амплитудах напряжения [81, 94, 105, 113]. Также малоцикловая усталость играет существенную роль в случае, когда конструкция в целом деформируется упруго, но имеет концентраторы напряжений, возле которых образуются локализованные области необратимых деформаций. Причиной концентрации напряжений может быть геометрия конструкции или наличие разнообразных особенностей в материале (выбоины, отверстия, трещины, включения с механическими характеристиками, отличающимися от характеристик основного материала). При повторных нагружениях конструкции в области локализации неупругих деформаций происходит деградация материала - снижение способности к пластическому деформированию и накопление микроповреждений на структурном уровне. В

итоге это приводит к зарождению и распространению макротрещин и утрате несущей способности конструкции. Изучение закономерностей деградации материалов в области локализации неупругих деформаций необходимо для определения ресурса конструкции в аварийных ситуациях, а также в случаях, когда конструкция, испытавшая аварийную перегрузку, продолжает работать в штатном режиме.

Как отмечено в [115], после того, как в элементе конструкции возникает усталостная трещина, в районе вершины трещины при любом виде циклического нагружения реализуются два вида диссипации энергии -пластическая деформация материала, локализованная в небольшой области перед вершиной трещины и разрушение, то есть продвижение вершины трещины благодаря образованию новых свободных поверхностей. Пластическая деформация при этом является первичной, разрушение происходит только после того, как исчерпывается возможность рассеивания энергии за счет необратимой деформации без нарушения сплошности. Область перед вершиной трещины, где происходит изменение материала, предшествующее увеличению длины трещины, называют зоной предразрушения. Ее размер растет в направлении распространения трещины в соответствии с �