Деформация и динамическая прочность керамических элементов машиностроительных конструкций при интенсивном импульсном нагружении микросекундной длительности

2
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ.......................................................... 4
1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДЕФОРМАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИНТЕНСИВНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ МИКРОСЕКУНД-
НОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ 11
1.1. Керамические элементы конструкций, подвергающиеся импульсному нагружению........................................................ 11
1.2. Компьютерное моделирование высокоскоростной деформации и от-кольного разрушения элементов конструкций. Математическая постановка задач............................................................. 18
1.3. Модель механического поведения конструкционных керамических материалов при интенсивном импульсном нагружении.................... 37
1.4. Особенности численной реализации релаксационных моделей при расчетах деформации и откольного разрушения элементов конструкций
при интенсивном импульсном нагружении............................. 53
2. ЯВЛЕНИЯ ВОЛНОВОЙ ДИНАМИКИ ПРИ РАСЧЕТАХ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ А1203, ЭС, Т1В2, 1г02............................ 59
2.1. Закономерности распространения ударных импульсов в пластинах из конструкционной керамики на основе А1203, ЭЮ, Т1В2, 2г02 при амплитуде,
не превышающей предел упругости Гюгонио........................... 59
2.2. О формировании в плотных керамических материалах структуры ударного импульса с амплитудами, превышающими предел упругости Гюгонио 67
2.3. Затухание упругих предвестников в керамических материалах на осно-
3
вв А12Оз, ЭЮ....................................................... 75
3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ АДЕКВАТНЫЙ УЧЕТ ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ОТКОЛЬ-НОГО РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ............................ 87
3.1. Сдвиговая прочность конструкционных керамических материалов при высокоскоростной деформации........................................ 87
3.2. Откольная прочность конструкционных керамических материалов на основе А1203, ЭЮ, Т|'В2, 2Ю2при интенсивных импульсных воздействиях.. . 99
3.3. Откольная прочность рубина и сапфира при импульсном нагружении субмикросекундной длительности ................................... 107
4. СТОЙКОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ К ОТКОЛЬНОМУ РАЗРУШЕНИЮ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАГРУЖЕН ИИ И.................................. 121
4.1. Откольная прочность керамических пластин при нагружении ударными импульсами субмикросекундной длительности......................... 121
4.2. Откольное разрушение слоистых металлокерамических конструкций
при интенсивном импульсном воздействии............................ 129
4.3. Откольное разрушение оксид-алюминиевых покрытий на металлических элементах конструкций при интенсивном импульсном нагружении 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................... 141
ЛИТЕРАТУРА........................................................ 145
ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................ 156
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы обусловлена потребностью многих отраслей промышленности, включая машиностроительную, оборонную и космическую, в адекватных методиках расчета и теоретического прогнозирования прочностных и эксплуатационных характеристик керамических элементов конструкций при интенсивном динамическом нагружении.
Интерес к данной проблеме возрос в последнее десятилетие в связи с быстрым развитием технологий промышленного производства керамических элементов конструкций и нанесения керамических покрытий, а также в связи с интенсивным развитием методов компьютерного моделирования и численно-аналитических методов расчета [1-7].
Развитие численно-аналитического аппарата для прогнозирования поведения керамических материалов и элементов конструкций при высокоскоростной деформации открывает новые возможности при проведении фундаментальных и прикладных исследований в экспериментальной физике твердого тела, конструировании новых объектов авиационной, космической и военной техники, а также в теплоэнергетике и машиностроении, при разработке технологий получения новых конструкционных материалов с заданными физико-механическими свойствами.
При проектировании керамических деталей машин и конструкций, эксплуати-рующихся в условиях воздействии импульсных и ударных нагрузок, возникли серьезные трудности, обусловленные недостаточной для практических целей адекватностью методов расчета на прочность [8-11]. Сложность проектирования элементов конструкций, подвергающихся интенсивным импульсным нагрузкам, обусловлена слабой изученностью механического поведения конкретных керамических материалов при импульсных и динамических воздействиях, а также неадекватностью из-
5
вестных моделей поведения деформируемых сред, применительно к процессам высокоскоростной деформации в условиях интенсивных импульсных воздействий [11-17].
В отличие от металлов и сплавов, механические свойства керамических материалов различны при сжимающих и растягивающих нагрузках, существенно зависят от условий деформации (амплитуды, длительности действия напряжений, температуры, скорости деформации и т.п. ), а также от внутренней структуры.
Механическое поведение многих классов перспективных конструкционных материалов, в том числе керамических, металлокерамических в условиях высокоскоростной деформации изучено слабо. Для ряда материалов имеются лишь отдельные уникальные экспериментальные данные, полученные в работах Канеля Г.И., Разоренова С.В. [11,18-22], Пугачева Г.С. [9 ], Кожушко A.A. [ 2,6], Долгобородова А.Ю. [16,24], Barker L.M. [12], Grady D.E. [13,25-27], Gust W.H. [28], Brar N.S., Bless
S.J., Rozenberg Z. [ 29-35,66], Cagnox J., Longy F. [36-37], Munson D.E. [16], Dandekar D. [38], Winkler J. [39]. Это объясняется не только сложностью проведения и высокой стоимостью экспериментальных исследований поведения керамики при динамических воздействиях, но и тем, что в условиях динамического нагружения процесс деформации и накопления внутренних повреждений носит явный кинетический характер, который практически не изучен [2,9,13,15,40].
Имеющиеся экспериментальные данные [25-37, 55-59] свидетельствуют о том, что керамические материалы на основе оксида алюминия, карбида кремния, диоксида циркония и др. имеют характерные времена релаксации сдвиговых напряжений на 2-3 порядка больше, чем у сталей, алюминиевых, магниевых, титановых и др. сплавов. Поэтому, при скоростях деформации выше 10+2 с'1 механическое поведение указанных материалов отличается от поведения в условиях статического на-
6
гружения. Поэтому, при проектировании керамических элементов конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям, необходимо учитывать условия нагружения (амплитуду действующих напряжений и время их действия), размеры элементов конструкций или толщину покрытия относительно характерных размеров зерен по-ликристаллического материала, размеров микротрещин, механические свойства керамического материала в конструкции.
Модели, учитывающие указанные факторы, в настоящее время интенсивно развиваются [40-79]. При создании математических моделей и численно-аналитических методик для решения задач о динамической прочности керамических элементов конструкций используется несколько подходов [55-65].
В настоящей работе развивается подход, предложенный Л. Сименом и Д. Ку-раном для описания динамического разрушения материалов и положенный в основу моделей NAG ( Nucléations And Growth) [61, 64]. В диссертационной работе приведены результаты выполненных численно-аналитических исследований высокоскоростных деформационных процессов для поликристаллических металлических, керамических и металлокерамических материалов с адекватным учетом их структурных и физико-механических особенностей [40-54].
Диссертационная работа выполнялась в соответствии : с программой фундаментальных исследований РАН на 1989-2000 гг.( раздел V Новые материалы и технологии"), государственной программой «Новые материалы» на 1996-1998 г., проект № 07.08.00400.М ; с программой развития науки СО РАН "Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий" ( задание 9.1.1.); с программой "Сибирь" СО РАН (Проект 1.1.), Федеральной Целевой Программой "Интеграция" на 1997-1998 г., проект «Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов»; научно-исследовательской темой
7
«Математическое моделирование процессов переработки и создания материалов по экологически чистым технологиям», финансируемой из средств республиканского бюджета по единому заказ-наряду ТГУ в 1997-1998.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ являлась разработка методики компьютерного моделирования и прогнозирования механического поведения керамических элементов конструкций пластинчатого типа в экстремальных условиях нагружения.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Проведено численно-аналитическое исследование явлений волновой динамики и особенностей протекания релаксационных процессов в конструкционных керамических материалах на основе А120з, 8Ю,Т1В2, В4С, 2г02 при импульсном нагружении с амплитудами до 40 ГПа.
2. Сформулирована физико-математическая модель механического поведения плотных конструкционных керамических материалов при интенсивном динамическом нагружении.
3. Проведены численные исследования ранее не изученных закономерностей влияния интенсивности и длительности импульсного нагружения на откольную прочность и деформацию конструкционных керамических материалов.
4. Разработана численно-аналитическая методика, алгоритмы и программы для расчета деформации и прогнозирования динамической прочности пластинчатых конструкций из керамических материалов на основе А1203, вЮ.'ПВг, В4С, Zr02, при интенсивном импульсном нагружении микросекундной длительности.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в следующем:
8
1). Разработана физико-математическая модель механического поведения плотных конструкционных керамических материалов на основе А1203, ЭЮ, ИВ2, 2Ю2, В4С при скоростях деформации от 103 до 107 с'1 и при амплитудах ударных импульсов до 40 ГПа, позволяющая прогнозировать сопротивление сдвиговой деформации в волнах нагружения и разгрузки и откольное разрушение.
2). Разработана компьютерная методика расчета и прогнозирования механического поведения керамических элементов конструкций пластинчатой конфигурации с учетом диссипативных и прочностных свойств материалов на основе А1203, ЭЮ, Т\В2, 2г02, В4С.
3). Установлено, что элементы конструкций из а- А1203 и рубина сохраняют свою прочность при коротко-импульсном нагружении ( 20-40 не) вплоть до амплитуд в 20-30 ГПа. В этих условиях реальная откольная прочность сравнима с теоретической прочностью на отрыв.
4). Установлено, что применение керамических элементов конструкций, экранированных металлом со стороны воздействия, эффективно лишь в случае коротких импульсов, т.е. когда в металлическом экране происходит затухание амплитуды ударного импульса до значений, меньших 1-2 ГПа. Для повышения динамической прочности слоистых металлокерамических конструкций наиболее целесообразно располагать металлическую опорную пластину за керамическим элементом относительно направления импульсного воздействия.
Практическая значимость работы заключается в ряде разработанных и внедренных численно-аналитических методик расчета и прогнозирования прочностных характеристик керамических элементов при динамическом нагружении, в установленных критериальных зависимостях прочностных характеристик и рекомендациях
9
для проектирования керамических элементов, подвергающихся динамическим воздействиям.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
1. Модель механического поведения керамических конструкционных материалов на основе вЮ, В4С, Т\В2 АЬгОз при деформации под воздействием ударных волн интенсивностью до 40 ГПа, позволяющая прогнозировать сопротивление сдвиговой деформации в волнах нагружения и разгрузки, а также откольное разрушение.
2. Методика расчета и прогнозирования высокоскоростной деформации и определение стойкости к откольному разрушению керамических элементов конструкций пластинчатой конфигурации, с учетом диссипативных и прочностных свойств материалов.
3. Результаты исследования механического поведения конструкционных керамических материалов на основе БЮ, В4С, Т'|В2 А1_2Оз при ударном нагружении. В частности, показано, что у керамических материалов с увеличением амплитуды и длительности импульса снижается сопротивление сдвиговым деформациям, отколь-ная прочность линейно снижается до нуля с увеличением амплитуды ударных импульсов, превышающих предел упругости Гюгонио.
4. Установленные закономерности технологического повышения стойкости пластинчатых металло-керамических конструкций к откольному разрушению при заданных интенсивностях и длительностях импульсного нагружения с помощью лицевого и тыльного экранирования.
ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечивается использованием в качестве научной основы для разработанных релаксационных моделей как постулатов классической механики сплошных сред, так и последних достижений в области теоретических и экспериментальных исследований механики деформируемых
10
твердых тел, физики твердого тела, а также вычислительной математики; совпадением в предельных случаях результатов, полученных методом численного моделирования, с известными численными и экспериментальными данными других исследователей; внедрением основных новых научных результатов и разработанных методик, моделей и программ в учебный процесс в Томском госуниверситете.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Во всех работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора состоял в физико-математической постановке задач, в формулировке математических моделей, в разработке численно-аналитических методик исследований, в проведении численных расчетов и выявлении основных закономерностей и функциональных зависимостей при равноправном обсуждении результатов с соавторами.
АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на:
International Workshop «Materials Instability under Mechanical Loading», St. Petersburg, 1996; International Workshop «Shock Waves in Condensed Matter», St. Petersburg, 1998; международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды», Томск, 1995; У International Conference «Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies», Baikalsk, 1997; International Workshop «New Models and Numerical Codes for Shock Waves Processes in Condensed Matter», Oxford, UK, 1997; «Всесибирские чтения по математике и механике», Томск, 1997; Всероссийской конференции «Механика летательных аппаратов и новые материалы», Томск, 1998.
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18
печатных работах.
и
1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДЕФОРМАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИНТЕНСИВНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ МИКРОСЕКУНДНОЙ
ДЛИТЕЛЬНОСТИ
1.1. Керамические элементы конструкций, подвергающиеся импульсному
нагружению
Уникальный комплекс механических, триботехнических, теплофизических и других свойств керамических соединений делает материалы на их основе незаменимыми в технике. Вместе с тем, широкому использованию конструкционных керамических материалов для изготовления деталей и узлов машин и приборов препятствует несколько обстоятельств.
1. Высокая стоимость изделий из конструкционной керамики по сравнению с аналогичными изделиями из металлов и сплавов. Невозможность ремонта и восстановления изделий из конструкционной керамики.
2. Несовершенство теоретических методов проектирования узлов и деталей из конструкционной керамики. В особенности, несовершенство методов расчета на прочность керамических элементов конструкций при динамическом нагружении.
3. Необходимость одновременного изготовления детали и самого материала из-за сложности обработки высокопрочных, твердых, износостойких и химически стойких материалов, вследствие чего, требуется подбирать индивидуальные технологические режимы для изготовления каждого изделия. При изготовлении деталей используются преимущественно порошковые керамические технологии, этапами которых являются: получение порошкообразных керамических соединений, смешение порошкообразных компонентов, прессование и высокотемпературное спекание прессовок. Техноло-
12
гические этапы прессования и спекания при получении изделий из карбидов, оксидов и боридов металлов накладывает жесткие ограничения на размеры и форму изделий.
4. Технологические сложности создания керамических материалов с гарантированным наперед заданным комплексом механических свойств. Эти сложности обусловлены влиянием структурного и химического состава получаемого материала на механические характеристики материалов.
При проектировании элементов конструкций силового и защитного назначения, подвергающихся интенсивным импульсным нагрузкам, важное значение имеет прогнозирование развития во времени деформаций и напряжений. История нагружения, начиная с амплитуд импульсов, сравнимых с пределом упругости Гюгонио (от нескольких ГПа для металлов и сплавов, до 10-20 ГПа для конструкционных керамических материалов), во многом определяет возможность динамического разрушения, либо повреждения материалов конструкций [1-9].
Обычно компьютерное моделирование высокоскоростной деформации элементов конструкций при интенсивном импульсном нагружении проводится с целью анализа развития во времени деформаций и напряжений в элементе, а также с целью оценки возможности его разрушения.
Новизна методики, использованной в данной работе, состоит в учете тонких эффектов волновой динамики, связанных с диссипативными свойствами материалов при прогнозировании истории развития напряжений в элементах конструкций. Благодаря чему достигается более адекватное, по сравнению с результатами, полученными при использовании простейших моделей, описание пространственно-временного распределения деформаций, напряжений и внутренних повреждений в элементах конструкций.
13
В данной работе рассматриваются самые распространенные элементы конструкций пластинчатого типа ( антифрикционные прокладки, теплозащитные экраны, защитные элементы и т.п.), у которых один размер существенно меньше двух других. На рис. 1.1.а показаны элементы конструкций, которые в процессе эксплуатации могут подвергаться интенсивным динамическим нагрузкам.
Схемы нагружения керамических и металлокерамических элементов конструкций показаны на рис. 1.1.б. Схема нагружения А соответствует импульсному нагружению плоских керамических элементов, воздействие на которые производится параллельно нормали к поверхности. Структура ударного импульса показана на рис. 1.1.6 (Д).
Схема нагружения Б, В соответствует нагружению керамического элемента, укрепленного на тыльной стороне и экранированного с лицевой стороны металлическими пластинами. Схема Г соответствует нагружению металлического элемента конструкции с керамическим покрытием.
В настоящей работе проведен анализ закономерностей высокоскоростной деформации и стойкости к динамическому разрушению плоских элементов конструкций из керамических материалов на основе А12<Э3, БЮ, Т1В2, Тг02, В4С, при воздействии ударных импульсов с амплитудами в диапазоне от 4 ГПа до 40 ГПа и длительностью от 40 не до 2 мкс. Механические характеристики рассмотренных материалов приведены в табл. 1.1 и табл. 1.2.
14
Н^кж ... ... ••-;•• -;
' ■> Х .Г^;
•. - '. ^ - /л.', ^ ".
Иб&ж ' : %‘ '• -'V
• '-'У>
щтЩжШжяЩж.
М'/У'М<УУУ'\< '<''//’У. У', ’' *"»/••. '<•' яйй #2Е
... ......: •
'////МУ"'''^//; /.-/г //>/У'УУ''У'?'.'уу. - ................
«11
пн
. ✓>; В
■ В -шйй
•'У'/УуУ.
Рис.1.1. Элементы конструкций из керамических материалов на основе диоксида циркония и оксида алюминия производства ИФПМ СО РАН ( г. Томск).