Введение к работе
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).
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 резуль-
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.
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 различной объемной доле 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 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); 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 125 наименований. Работа изложена на 257 страницах, содержит 118 рисунков и 5 таблиц.
