Моделирование процессов деформации, повреждения и разрушения хрупких гетерогенных сред при динамических нагрузках

Содержание
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Механическое поведение и структура керамических композиционных материалов с оксидной матрицей в квазистатических и динамических условиях нагружения............................................................... 11
1.1 Перспективные керамические композиты с высокими удельными прочностными характеристиками при статических и динамических воздействиях
1.2 Фазовый состав и структура на разных масштабных уровнях образцов перспективных керамических композиционных материалов включениями.............. 16
1.3 Исследование деформации, накоплении повреждении и разрушения в опытных образцах композиционных керамических материалов при испытании на трехточечный точечный изгиб, ударную вязкость................................. 32
1.4 Исследование деформации, накоплении повреждений и разрушения в опытных образцах композиционных керамических материалов при испытании на одноосное сжатие.............................................................. 42
1.5 Проведение исследований трсщиностойкости образцов композитов е оксидной керамической матрицей, наполненных субмикронными включениями, методом контролируемого внедрения индеитора с использованием схемы Виккерса... 49
2 Численное моделирование деформации, повреждения и разрушения гетерогенных конденсированных сред при интенсивных динамических воздействиях 57
2.1 Модель механического поведения гетерогенных конденсированных сред в условиях динамического нагружения с учетом эволюции структуры................. 57
2.2 Моделирование напряженно-деформированное состояния, процессов повреждения и разрушения хрупких структурированных сред при интенсивных динамических воздействиях..................................................... 71
2.3 Сходимость численных результатов моделирования деформации структурированных повреждаемых сред........................................... 80
3 Моделирование процессов деформации и разрушения керамических композиционных материалов при интенсивных динамических
воздействиях.................................................................. 83
3.1 Исследование влияния параметров структуры наноструктурных композиционных керамических материалов на прочностные свойства при 83
интенсивных динамических воздействиях........................................
2
3.2 Влияние структурных факторов на протекание процессов повреждения 89
композиционных материалов при ударно-волновых воздействия................
3.3. Влияние эффекта трансформационного упрочнения на вязкость 108
разрушения керамических композитов при ударно-волновом нагружении........
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................... 117
С11ИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................. 119
3
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы: Диссертация посвящена исследованию процессов деформации, повреждения и разрушения хрупких гетерогенных сред при динамических нагрузках
Актуальность темы исследования.
В настоящее время существенно расширилась область применения в технике конструкционных керамических материалов, сочетающих высокую твердость, термостойкость, износостойкость, химическую стойкость. Это связано с успешным развитием технологий создания керамических композиционных материалов на основе субмикронных порошков с напокристаллической структурой, позволяющих массово производить материалы с повышенными прочностными характеристиками и трещиностой костью.
Применение в технике новых поколений керамических композиционных материалов, потребовало создания адекватных моделей и методов, позволяющих прогнозировать их механическое поведение в широких условиях внешних воздействии, включая интенсивные динамические нагрузки. В настоящее время большой интерес представляют конструкционные керамические материалы, создаваемые на основе порошков с напокристаллической структурой и обладающие повышенными прочностными характеристиками и трещиностойкостью.
Создание методов описания и прогнозирования механической) поведения хрупких гетерогенных сред, учитывающих их структуру и закономерности процессов повреждения и разрушения, является актуальной задачей механики деформируемого твёрдого тела. Одним из наиболее перспективных подходов к решению этой проблемы является вычислительная механика материалов.
Вместе с гем, механическое поведение керамических композиционных материалов в условиях динамического нагружения исследованы недостаточно полно.
Описание механического поведения керамических композитов при динамических нагрузках представляет существенную сложность. Это связано со слабой изученностью процессов зарождения и распространения микротрещин в керамических композитах, упрочненных субмикронными включениями в условиях динамического нагружения, отсутствием адекватных моделей механического поведения подобных материалов.
Актуальность развития исследований с использованием моделирования поведения хрупких гетерогенных сред сохраняется в связи с потребностью более полного понимания закономерностей процессов повреждения и разрушения, происходящих в керамических
4
композиционных материалах под действием нагрузок, и прогноза их деформации разрушения в условиях интенсивных импульсных воздействий.
Разрушение хрупких керамических материалов (в том числе локальное, связанное с возникновением отдельных повреждений), как правило, происходит в динамическом режиме и сопровождается быстрым изменением локального напряженного состояния.
Определение влияния структурных факторов на механическое поведение материалов структурированных на разных масштабных уровнях, является сложной задачей.
Одним из наиболее перспективных подходов к решению этой проблемы является численное моделирование. Задача построения и развития вычислительных моделей процессов деформирования и повреждения структурированных сред алгоритмов их численной реализации также является актуальной.
Модели и подходы для численного моделирования деформации разрушения хрупких структурированных сред в условиях динамических воздействий получили развитие в работах Псахье С.Г., Макарова П.В., Скрипняка В.А., Смолина А.Ю., Стефанова Ю.П., Белова H.H., Герасимова A.B., Лптукова В.Н. и др.
Необходимо отметить, что в последнее десятилетие интенсивно развиваются подходы физической мезомеханики и многоуровневого моделирования процессов и физико-механических явлений в структурированных средах, в рамках которых разрабатываются модели, позволяющие изучать влияние структуры па закономерности деформации и разрушения сред и материалов.
Целыо диссертации является разработка вычислительной моделей для описания и прогнозирования деформации, повреждения и разрушения хрупких гетерогенных сред при динамических нагрузках
.Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
1 Разработка физико-математической модели для описания деформации, эволюции поврежденности и разрушения двухфазных конденсированных структурированных сред при динамическом нагружении, с учетом параметров структуры (концентрации упрочняющих частиц, формы упрочняющих частиц, наличия пор).
2 Разработка методики моделирования механического поведения наполненных керамических композитов с концентрацией упрочняющих частиц до 20 %, с учетом распределения упрочняющих частиц в объеме материала.
3 Исследование структуры керамических композиционных материалов А120з - Zrü2 -У20з на мезоскопическом, микроскопическом и наноструктурных уровнях с применением методов оптической, зондовой сканирующей и электронной микроскопии Получение
экспериментальных данных о структуре ряда опытных образцов керамических композиционных материалов А^Оз - ТхОг -Уг03, наполненных субмикронными включениями на разных масштабных уровнях.
4 Проведение экспериментальных исследований с целью получения данных о закономерностях деформации, разрушения и механических характеристиках опытных образцов керамических композиционных материалов А120з - £Ю2 -У203 (пределах прочности при изгибе и сжатии, трещи постой кости, твердости).
5 Численное исследование 2И и 30 постановках закономерностей развития повреждений и разрушения в керамических композиционных материалах с учетом структуры на мезоскопическом и субмикрониом уровне при ударно волновых воздействиях с амплитудами до 10 ГПа.
Положении, выносимые на защиту:
1. Модель механического поведения гетерогенных конденсированных сред при динамическом нагружении для описания процессов деформации, эволюции повреждениости и разрушения оксидных керамических композиционных материалов, учитывающая влияние на механическое поведение концентрации упрочняющих частиц микронного и субмикронного размера, параметры поровой структуры.
2. Методика моделирования на мезоскопическом уровне механического поведения гетерогенных конденсированных сред, использующая для генерации вычислительной модели структурированного объема керамических композиционных материалов экспериментальные данные о структуре на разных масштабных уровнях и позволяющая прогнозировать влияние структуры на механические характеристики наноструктурных и поли кристаллических оксидных керамических композитов (величины модулей упругости, пределов упругости Гюгонио, параметры кинетики повреждения) при интенсивных динамических воздействиях с амплитудами до 10 ГПа.
3. Результаты исследования фазового состава и структуры керамических композиционных материалов А1203—7г02-У203, полученных метолом горячего прессования из наноструктурных порошков отечественного производства, свидетельствующие о наличии в объеме материалов бимодальных распределений упрочняющих частиц и пор по размерам, наличия агломератов наноразмерпых упрочняющих частиц и кластеров наноразмерпых пор.
4. Результаты экспериментальных исследований деформации, накопления повреждений и разрушения в опытных образцах композиционных керамических материалов Л1203 -7Ю2 -У203 при испытаниях на одноосное сжатие с постоянной скоростью деформации, трехточечный изгиб и трещиностойкость, свидетельствующие о
I
6
слабом влиянии скорости деформации в диапазоне от 10’3 до 10 с'1 на прочностные характеристики наноструктурных керамических композитов. Результаты, свидетельствующие о том, что повышение трещи ностой кости керамических композиционных материалов АЬОз-^гОг-УгОз с субмикрокристадлической матрицей сопровождается снижением характеристик прочности (изгибной прочности и прочности на сжатие) в условиях квазистатического нагружения.
5. Результаты численных исследований в 20 и 30 постановках распространения ударных импульсов на мезоскопическом уровне в керамических композиционных материалах А12Оз-^г02-У2Оз со стохастическим распределением в объеме упрочняющих частиц субмикронного размера, позволяющие определить особенности развития процессов неупругой деформации и разрушения керамических композиционных материалов при интенсивных динамических воздействиях. Результаты, свидетельствующие о том, что в условиях динамического нагружения релаксации сдвиговых напряжений в оксидных керамических композитах происходит в результате зарождения повреждений в области концентраторов напряжений мезоскопического уровня вблизи микропор, острых граней упрочняющих частиц, тройных стыков частиц и зерен наибольших размеров. С ростом скорости деформации в диапазоне от 1000 до 105 с'1 вязкость разрушения оксидных композитов резко уменьшается.
Научная новизна диссертации состоит в разработке вычислительных моделей и алгоритмов численного описания процессов деформации и разрушения гетерогенных конденсированных сред при динамическом нагружении в 21) и 31) постановках.
1. Предложена оригинальная математическая модель развития повреждений и разрушения гетерогенных конденсированных сред и разработаны соответствующие алгоритмы ее использования для исследования процессов деформации, и разрушения наноструктурных оксидных керамических материалов. Модель позволяет учесть распределение упрочняющих частиц и пор по размерам, наличие кластеров пор и агломератов упрочняющих частиц, возможный днлатансионный аффект иеупругой деформации 2г02при мартен ситном фазовом превращении.
2. Предложена методика для прогнозирования механического поведения керамических композиционных материалов при динамическом нагружении на основе численного моделирования процессов импульсного нагружения с амплитудами до 10 ГПа с учетом экспериментальных данных об начальной структуре материалов на разных масштабных уровнях.
■Ы.-.
■
3. Впервые проведено компьютерное моделирование процессов неупругой деформации и разрушения наноструктурных керамических композиционных материалов А1203 - 7Ю2-У203 в широком диапазоне изменения соотношений фаз при нагружении ударными волнами с амплитудами до 10 ГПа.
4. Впервые проведено компьютерное моделирование процессов развития повреждений в композитах А12Оз - 7Ю2-У203 с наноструктурной матрицей и размерах частиц ЪтОг от 100 нм до 5 мкм в условиях ударно-волновых воздействий с амплитудами до 10 ГПа, с учетом возможного днлатансионного эффекта неупругой деформации 2Ю2 при мартенситном фазовом превращении.
Практическая ценность новых научных результатов состоит в том, что
разработанные модели и вычислительные алгоритмы расширяют возможности исследования процессов деформации и разрушения керамических композиционных материалов, включая трансформационно-упрочненные композиты и оксидные нанокомпозиты. Они могут использоваться при решении как прикладных, так и научных поисковых задач и обеспечивают более полное понимание закономерностей процессов деформации и разрушения субмикрокристалличсских керамических композиционных материалов.
Полученные численные решения ряда задач вносят вклад в развитие представлений о возможных механизмах развития повреждений и разрушения субмикрокристаллических керамических композиционных материалов при ударио-волновых воздействиях.
Полученные данные о прочностных свойствах опытных образцов перспективных керамических композиционных материалов с оксидной керамической матрицей, наполненных субмикронными включениями ( 0,ЗА!20з »0,7 (7г02 +3 % У203), 0,8 А1203 -0,17 Ъг02 - 0,03 У203. 0,3 Л1203 - 0,7 [(7Ю2 - 3 % У203) -0,056 (Л1203 - 1,5 % МёО)]) и др. представляют интерес для применения композитов в инженерной практике.
Разработанные модели, методика расчета могут быть использованы для решения широкою круга научных и практических задач механики структурно-неоднородных сред.
Реализация и внедрение результатов исследований
Разработанные модели и алгоритмы использовались при выполнении фундаментальных исследований в рамках ряда проектов ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., (ГК П817 от 17.08. 2009 г.; ГК П604 от 06.08.2009 г.; ГК 111247 от 07.06.2010 г.; ГК П1228 от 27.08.2009 г.); проектов АВЦП “Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)” (проекты 2.1.2/6809, 2.1.1.5993 2.1.2/13526 , 2.1.1 /13521).
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается математической корректностью постановок задач, применением апробированных методов решения, решением тестовых и модельных задач, подтверждается хорошей корреляцией полученных экспериментальных результатов с известными данными других исследователей.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:
Вторая Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов», г. Томск, 12-16 октября 2009г.; XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» Москва, 2009 г., ХЬУШ Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика, Новосибирск- 2010, XXXVI Гагаринские чтения. Молодежной научной конференции. Москва, 6-10 апреля 2010 г., Пятая Всероссийская конференция молодых ученых "Физика и химия высокоэнергетических систем, Томск г. Томск, 2009 г., Седьмая Всероссийская научно-техническая конференция "Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях" (ИАМП-2010) г. Бийск, 6-7 октября 2010 г. - Бийск, Молодежная научная конференция Томского государственного университета «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред» Томск , 2010 г., Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» Новосибирск: 2010, Молодежная научная конференция Томского государственного университета «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред» 2010 г., Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» Новосибирск, 2010, Международной молодежной научной конференции Москва, 5-8 апреля 2011 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах: 3 в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК; 11 в статьях материалов и трудов научных конференций различного уровня.
Структу ра и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников из 95 наименований. Объем диссертации составляет 127 страниц, в том числе 117 рисунков и 2 таблицы.
9
ч
1 Механическое поведение и структура керамических композиционных материалов с оксидной матрицей в квазистатических и динамических условиях нагружения
1.1 Перспективные керамические композиты с высокими удельными прочностными характеристиками при статических и динамических воздействиях
Актуальным направлением механики деформируемого твердого тела является разработка вычислительных методов и их применение для решения проблемам, связанным прогнозом процессов деформирования и разрушения керамических композиционных материалов с учетом их структуры в широких условиях нагружения. Развитие подходов вычислительной механики материалов и дискретно-континуальных моделей механического поведения хрупких гетерогенных сред, нацелено на прогнозирование механических и функциональных свойств новых поколений керамических материалов [1-14].
Одним из приоритетных научно-технических направлений является создание новых высокопрочных термостойких керамических композиционных материалов с высокими удельными прочностными свойствами (пределами прочности и трещиностойкостью). Большой интерес проявляется к разработке нанокомпозитов и композиционных материалов с матрицей из субмикрокристаплического оксида алюминия или диоксида циркония [15-27].
Создание реалистичных моделей механического поведения перспективных керамических материалов сопряжено с необходимостью учета в модели структуры разрабатываемых материалов. На стадии создания моделей и вычислительных технологий многоуровневою моделирования воезребованы комплексные данные о связи микроструктуры на разных масштабных уровнях с физико-механическими характеристиками перспективных материалов.
В этой связи интерес представляют данные о физических механизмах, обеспечивающих повышение прочности и трещиностойкости керамических материалов и их возможное использование при создании оксидных керамических материалов.
Высокие удельные прочностные характеристики у керамических композиционных материалов с оксид-алюминиевой матрицей достигаются благодаря относительно малой массовой плотности оксида алюминия (-3,9 г/см3) и высоких значений прочностных характеристик (прочность при статическом сжатии -3,0 ГПа, прочность при растяжении -270 МПа, трещи постой кость -3,5 МПа ). Повышение трещиностойкости и прочностных характеристик керамических композитов достигается за счет различных физических механизмов упрочнения, приведенных в таблице 1 [18|.
Ю
I, * 1
I