Новый подход к оценке механических свойств

Синергетика – научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень ее упорядоченности, то есть уменьшается энтропия (так называемая самоорганизация). Основа синергетики – термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн.

Это направление базируется на междисциплинарном подходе к изучению появления и развития упорядоченных во времени и пространстве процессов или структур.

Термин “синергетика” произошел от греческого слова “синергиа”, означающий содействие или сотрудничество. Синергетика изучает процессы самоорганизации, развития, устойчивости и распада различных структур, которые являются общими для живой и неживой природы. Общность заключается в том, что биологическим, химическим, физическим и другим процессам свойственны неравновесные фазовые переходы, отвечающие особой точке (точке бифуркации), при достижении которой скачкообразно изменяются свойства среды. Неравновесные фазовые переходы обладают рядом особенностей по сравнению с обычными фазовыми переходами. Например, они чувствительны к конечным размерам образцов, в форме границ и т. п. В открытых системах, обменивающихся энергией и веществом с окружающей средой, однородное состояние равновесия может терять устойчивость и необратимо переходить в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений. Такие стационарные неоднородные состояния получили общее название диссипативных структур. Движущей силой процесса их формирования является стремление открытых систем при нестационарных процессах, вдали от равновесия, к минимуму производства энтропии. Традиционно под структурой объекта понимают обычно наличие в нем тождественных упорядоченных построений, сохраняющихся при внешнем воздействии; структура противопоставляется хаосу. Синергетика же оперирует со структурой, которая формируется в открытой системе и в обычном понимании может быть отнесена к беспорядку, и суть вопроса заключается в отыскании порядка в этом кажущемся беспорядке, то есть в установлении “упорядоченного хаоса”. Синергетика оперирует как с самоорганизующимися структурами, так и с процессами. К самоорганизующимся процессам относят автоколебательные процессы или устойчивые незатухающие колебания, которые независимо от начальных возмущений сохраняются в определенном режиме. Таким образом, развитие синергетики стимулировало и анализ автоволновых процессов, вызываемых потерей устойчивости однородного равновесного состояния.

Автоволны представляют собой самоподдерживающиеся сигналы, которые индуцируют процессы локального высвобождения запасенной в среде энергии, затрачивающейся на инициирование аналогичных процессов в соседних областях. Автоволны такого типа выделены в особый класс по той причине, что они резко отличаются от волн других типов (электромагнитных, механических и др.), которые сходны только по одному лишь свойству – свойству огибать препятствия (дифрагировать). Синергетика дает ключ к обобщению полученных к настоящему времени экспериментальных данных о поведении металлов и сплавов под нагрузкой с целью установления общих закономерностей разрушения. Изучение связи между структурой и свойствами деформируемого твердого тела необходимо для выяснения физики процесса разрушения и разработки новых материалов.

С позиции нелинейной динамики структура материала рассматривается как динамическая система. В процессе нагружения структура в динамической неравновесной системе может находиться в различных состояниях: от вихревого движения элементов на разных уровнях до самоорганизации – ламинарного течения структурных элементов. Исследования механизмов структурных изменений выполняли на полированных образцах из сплава Д16, которые подвергались одноосному растяжению вплоть до разрушения на установке ИМАШ. В процессе деформации с помощью цифровой видеокамеры регистрировали увеличенное под оптическим микроскопом изображение участка поверхности образца. Одновременно регистрировали параметры акустической эмиссии (АЭ). Для количественной оценки эволюции структуры поверхности деформируемых образцов использовали методику мультифрактальной параметризации.

На рисунке 28 представлены изменения параметров энергии АЭ ΣЕ и фрактальных характеристик (фрактальная размерность D₀ и однородность F₄₀), полученные в процессе деформации.

Как видно, D₀ растет по мере роста деформации образца, на всем диапазоне наблюдается дискретный характер изменения D₀. Есть основания предполагать, что структурные изменения в процессе деформации сопровождаются выделением ΣЕ энергии, причем начальная стадия этих изменений сопровождается ярко выраженным скачком, а последующие стадии – небольшими скачками одинаковой величины. Анализируя зависимость D₀=f(ε) и F₄₀=f(ε), можно отметить, что наибольший рост параметров D₀ и F₄₀наблюдается в области первого максимального скачка энергии. Последующие изменения параметра D₀ значительно меньше первоначального скачка. На зависимости F₄₀=f(ε) наблюдается особенность в области ε=17,5 %, которая соответствует области наибольшего скачка на кривой накопления числа импульсов. Кроме этого, на зависимости ΣN=f(ε) имеется скачок в области наибольших изменений ΣЕ, D₀ и F₄₀.

Рисунок 28 – Временные зависимости фрактальных и акустических параметров при деформации Д16

Универсальное свойство нелинейных систем – рост энтропии и образование диссипативных структур в точках бифуркации. В этой связи накопленная энтропия может рассматриваться как критерий предельного состояния твердого тела и его устойчивости. Одна из разновидностей энтропии – информационная энтропия S_и=-Σр_i·lgp_i, где р_i – вероятность. В процессе испытаний углеродистых сталей фиксировали S_и по сигналам АЭ, а также определяли D₀, при этом сигналы АЭ были представлены как временные ряды. В результате испытаний определено, что растяжение образца сопровождается периодическим изменением (колебанием) S_и сигнала АЭ. Разрушение образца происходит при росте энтропии.

Теория фракталов широко используется для оценки характера движения системы: периодического или хаотического. В этой связи, информационные критерии оценки устойчивости сложных систем S_и, D₀ следует использовать для оценки механизма потери структурной устойчивости твердых тел при деформировании. Существует ряд механизмов (сценариев) развития динамического хаоса в системах. Универсальным сценарием развития хаоса является удвоение периода. Экспериментально показано, что при растяжении образца на стадии предразрушения изменение сигнала АЭ происходит по удвоенному периоду. В результате движение структурных элементов (блоков, зерен) будет хаотическим (вихревым). Более корректно определять степень хаотичности структурных изменений непосредственно в процессе деформации (растяжения) образца на основе реконструкции по временному ряду (сигналам АЭ), то есть по предельному циклу, соответствующему ламинарному (устойчивому) движению структурных элементов, либо по фрактальному (хаотичному) аттрактору.

Известно, что причиной пространственного временного хаоса является чувствительность параметров системы к начальным данным. По-видимому, фрактальный характер диссипативных структур деформированного твердого тела обусловлен теми свойствами траектории, которые превращают их из регулярных и периодических в хаотические. Локальная сдвиговая неустойчивость зерен усложняет их траекторию движения, делая ее непредсказуемой. В результате реализуются поворотные (вихревые) моды деформации на различных структурных уровнях. При растяжении образца фрактальная размерность растет, при усталостном нагружении она также растет, но в три этапа. Совместный анализ зависимостей фрактальной размерности, истинной деформации, истинного напряжения показал, что началу каждого этапа роста фрактальной размерности соответствует удвоение удельной энергии, подведенной к образцу в процессе деформации.

Таким образом, экспериментальные данные свидетельствуют об универсальном характере потери структурной устойчивости состояния деформированного тела. Переход от упругой деформации к пластической можно назвать мягким сценарием потери устойчивости деформированной системы. Дальнейшая хаотизация и потеря структурной устойчивости деформируемой системы может развиваться через цикл удвоенного периода из-за потери устойчивости первого цикла. Затем может происходить потеря устойчивости второго цикла, что сопровождается ростом энтропии, и разрушением образца. Это соответствует катастрофе. Анализ изменения (колебаний) информационной S_и энтропии указывает на то, что процесс разрушения образца есть последовательные акты самоорганизации при dS→max, которые в зависимости от σ-τ (рисунок 28) проявляются как плато с последующим саморазрушением дефектных структур.

Мягкая потеря устойчивости структурного состояния (рисунок 28) – площадка текучести – есть результата снижения локальной сдвиговой неустойчивости в кристалле, а образование шейки перед разрушением – это потеря глобальной сдвиговой устойчивости, когда формирование хаотической (вихревой) структуры происходит по всей площади образца на высоком структурном уровне. Последнее согласуется с результатами исследований регистрации энтропии S_и, которое достигает максимума при разрушении образца. Поэтому последний этап разрушения классифицируется как катастрофа.

Как известно, для предотвращения усталостного разрушения нужно максимально уменьшить локализацию деформации, исключить формирование полосовой структуры, не допускать зернограничного проскальзывания, усиливать локальную сдвиговую устойчивость решетки. При разработке интеллектуальных технологий синтеза материалов ключевым моментом является информационный (интеллектуальный) блок, органически входящий в технологическую цепочку синтеза материалов. В этой связи, концепция синтеза новых материалов должна основываться на использовании алгоритмов подходов искусственного интеллекта, в частности, нейронных сетей.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Иванова В.С., Шанявский А.А. Количественная фрактография. – Челябинск: Металлургия, 1988. – 400 с.

4. Иванова В.С., Оксогоев А.А., Закиричная М.М., Пруцков М.Е. Оптимизация структуры машиностроительных материалов // Металлургия машиностроения, № 6, 2002. – С. 18-29.

5. Кабалдин Ю.Г., Семашко Н.А., Евстигнеев А.И. Интеллектуальный подход к процессам разрушения и синтеза материалов // Металлургия машиностроения. – 2002. - № 5. С. 13-16.

Люди также интересуются этой лекцией: 1.2. Возникновение административного управления.

6. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [9], [10], [12]

1. Фрактально-синергетическая концепция

2. Фрактальные карты механизмов адаптации структуры к внешнему воздействию.

3. Фрактальный анализ.

4. Синергетический анализ.

Поделитесь ссылкой:

Популярные услуги

Новый подход к оценке механических свойств

Рекомендуемые материалы

Рекомендуемые лекции