Автореферат (Разрушение и пластическое деформирование конструкционных материалов при ударно-волновых нагрузках)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиСЕЛЮТИНА НИНА СЕРГЕЕВНАРАЗРУШЕНИЕ И ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕКОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УДАРНО-ВОЛНОВЫХНАГРУЗКАХ01.02.04 – Механика деформируемого твердого телаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физ.-мат. наукчлен-корреспондент РАНпрофессор Ю.В. ПетровСанкт-Петербург2016Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:доктор физико-математических наукчлен-корреспондент РАНпрофессор Петров Юрий ВикторовичОфициальные оппоненты:Доктор технических наук, профессорРутман Юрий ЛазаревичПрофессор-консультант кафедры механикиСанкт-Петербургского государственного архитектурностроительного университетаДоктор физико-математических наук, доцентПомыткин Сергей ПавловичПрофессор кафедры высшей математики и механикиСанкт-Петербургского государственного университетааэрокосмического приборостроенияВедущая организация: ФГБОУ ВО «Петербургскийгосударственный университет путейсообщения Императора Александра I»Защита состоится “___”_________2016 г.

в __ часов на заседаниидиссертационного совета Д212.232.30 на базе Санкт-Петербургского государственногоуниверситета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетскийпр. 28, математико-механический факультет, ауд. 405.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. ГорькогоСанкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, СанктПетербург, Университетская наб., 7/9 и на сайтеhttps://disser.spbu.ru/files/disser2/disser/mNrRLhjCcq.pdfАвтореферат разослан “____” ___________ 2016 г.Ученый секретарь диссертационного советадоктор физ.-мат.

наукКустова Е.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫВ современном мире для уменьшения отказов конструкции необходимо иметьнаиболее полное представление о возможных условиях эксплуатации. Особенноострым вопросом остается поведение конструкций при динамических нагрузках.

Наоснове дорогостоящих натурных испытаний или экспериментов в лабораторныхусловиях, устанавливаются критические напряжения (предел текучести, пределпрочности), используемые для теоретических расчетов, с большим коэффициентомзапасапогосударственномустандарту.Полученныерезультатыневсегдаудовлетворяют реальному поведению конструкции под действием ударной нагрузки.Введение наиболее фундаментального подхода, описывающего поведениекритических характеристик материала при динамических нагрузках, в инженернойпрактикедосихпорявляетсянезавершеннойзадачей.Приэтомновыйфундаментальный подход для инженерной практики должен не только описыватьнаблюдаемые эффекты, но и иметь измеряемые физически обоснованные параметры.В данной работе применяется критерий инкубационного времени (в видекритериев разрушения и текучести), описывающий динамические эффекты поведенияпрочности при хрупком разрушении и предела текучести при пластическомдеформировании.

Преимуществом подхода является единственный макроскопическийвременнойпараметр,независимыйотгеометрии,способанагрузкиифеноменологически связанный со структурными изменениями в материале на микроуровне. Предлагаемый подход не только объясняет, в рамках общего механизмаконцепции инкубационного времени, наблюдаемые в экспериментах динамическиеэффекты прочности и предела текучести, но и дает простые схемы измерениявнедренной временной характеристики. В работе предлагается интерпретироватьвлияние наполнителя, металлических волокон на прочностные свойства материала вшироком спектре внешних воздействий (при динамических нагрузках изменениенаиболее ярко выражено) на основе концепции инкубационного времени.Важная часть работы посвящена введению феноменологической моделидеформационной кривой упругопластических материалов для различных скоростейдеформации на основе концепции инкубационного времени.

В данной работепредлагается применять используемую расчетную модель деформационной кривой к3  мелкозернистым и крупнозернистым металлам и их сплавам. Исследование поведенияпредела текучести металлов при текущей пластической деформации на основеконцепции инкубационного времени расширяет возможности расчетных схем винженерной практике.Актуальность темы заключается в необходимости развития методов расчетапредельных нагрузок при квазихрупком разрушении и процессов текучести припластическом деформировании под действием ударно-волновых нагрузок на базефизически обоснованных и измеримых параметров материала, учитывающих переходмежду статическими и динамическими воздействиями, а также в потребностиисследованийпринципиальныхдинамическихэффектовприразрушенииипластическом деформировании.Предметом исследования является поведение предела прочности материала взависимости от скорости деформации при влиянии наполнителя, армирующихструктур, масштабного уровня разрушения, а также деформационной кривойупругопластических материалов под действием ударно-волновых нагрузок посленаступления макроскопической текучести.Целью работы является установка расчетных схем динамического пределапрочностиматериалаприхрупкомразрушенииидеформационнойкривойупругопластических тел на основе общего механизма концепции инкубационноговремени под действием широкого интервала скоростей деформации.В работе решаются следующие задачи:1.

Дать развитие единого подхода, предназначенного для дальнейшего внедрения винженерной практике, для расчетов критических напряжений (предел текучести,предел хрупкого разрушения) на одной кривой при медленных и быстрыхвоздействиях по данным эксперимента с помощью простых схем, основанных навведении физически обоснованных и измеримых параметров.2.

Обосновать эффекты неустойчивого поведения динамической прочностиматериала при введении заполнителя, металлических волокон и изучитьповедение прочности бетона в рамках различных определений масштабногоуровня разрушения.3. Исследовать физический смысл параметров феноменологической моделипластического деформирования на примере динамического эффекта предела4  текучести («зуб текучести») и проанализировать деформационную кривую вшироком диапазоне скоростей деформации.4. Обосновать эмпирический закон Джонсона-Кука в рамках структурновременного подхода, привести расчет предела текучести ряда материалов привысокоскоростных воздействиях.Положения, выносимые на защиту:1.

Определение динамического предела прочности ряда материалов при хрупкомразрушении в зависимости от скорости деформации;2. Объяснение неустойчивого поведения динамической прочности бетона привведении заполнителя, металлических волокон при действии высокоскоростныхнагрузок;3. Результаты исследований размерного и масштабного эффектов прочностибетонов при ударно-волновых нагрузках;4. Анализ деформационного поведения чистых металлов с динамическимэффектом предела текучести («зуб текучести») с точки зрения дислокационноймодели пластичности;5. Результаты исследований деформационной кривой в широком диапазонескоростей деформации для крупнозернистых и мелкозернистых металлов;6. Обоснование эмпирического закона Джонсона-Кука в рамках структурновременного подхода.7.

Прогнозированиединамическогопределатекучестипокритериюинкубационного времени для микро- и нанокристаллического никеля.Методы исследования основываются на апробированных физических моделях.Вычислениякритическихнапряжений(пределтекучестиприпластическомдеформировании и предел прочности при хрупком разрушении) и феноменологическойдеформационной кривой осуществляются на основе концепции инкубационноговремени.Достоверность результатов обеспечивается хорошим соответствием теоретическихкривых(скоростныхзависимостейпределовпрочностиитекучести,феноменологических деформационных кривых), рассчитанных на основе концепцииинкубационного времени, с экспериментальными данными, широко обсуждаемыми влитературе; а также согласованием с наблюдаемыми динамическими эффектами.5  Предлагаемая концепция инкубационного времени для процессов квазихрупкогоразрушения,устанавливающаясвязьмеждустатическимиидинамическимивоздействиями, проверялась с помощью сравнения полученных оценок предельныххарактеристик разрушения конкретных материалов с данными, приведенными влитературе.Результаты разработанной феноменологической модели и схемы расчетадинамического предела текучести были сопоставлены с известными кинетическимимоделями роста дислокаций, объясняющими неустойчивую природу пластическойдеформации.Научная новизнаНа основе концепции инкубационного времени предложен подход качественнойоценки поведения прочности ряда конструкционных и природных материалов приударно-волновых нагрузках.

Предлагаемая интерпретация процесса разрушения вшироком интервале внешних нагрузок, отличается от классических представлений,опирающихся на статическую прочность, тем, что реакция материала на внешнеевоздействие описывается новым измеряемым свойством материала (инкубационноевремя), не зависящим от геометрии образца и истории воздействия. Структурнаячувствительность нового параметра позволяет анализировать влияние структурныхизменений на прочностные свойства материала и дает возможность выбораоптимальноймодификацииматериалав зависимости от требуемых условийэксплуатации, как при статических, так и при динамических воздействиях.Впервые получена расчетная схема деформационной кривой при пластическомдеформировании материала на основе общего критерия инкубационного времени идополнительного условия пластичности, включающего процесс релаксации упругихнапряжений в отличие от классических критериев пластичности.

Предлагаемая модельпозволяет построить деформационную кривую в широком диапазоне внешнихвоздействий не только в случае проявления динамического эффекта предела прочности(явление «зуба текучести»), наблюдаемого в чистых металлах и наноматериалах, но идля классических зависимостей металлов и сплавов, где время процесса релаксациинапряжений меньше, чем время нагрузки материала. Стоит отметить, что для расчетовдеформационной кривой по интегральной модели пластичности необходимо знатьтолько инкубационное время, оцениваемое по скоростным зависимостям предела6  текучести. Обнаружена связь инкубационного времени и времени релаксации,рассчитанного по дислокационной модели.Практическая ценностьКритерий инкубационного времени дает простую и удобную схему расчетадинамической прочности материала в широком интервале нагрузок.