Структурные модели процессов накопления повреждений и трещиностойкость конструкционных материалов

Важность разработки структурных моделей накопления повреждений и разрушения, а также оценки предельного состояния материалов и ресурса конструкций на их основе обусловлена известными ограничениями полуэмпирических моделей, не включающих в себя явного описания физических явлений, происходящих в материале [1]. Хотя разработка микро и макроскопических подходов позволила добиться определенных успехов, в частности, при моделировании замедленного разрушения и оценке ресурса подверженных водородному охрупчиванию элементов конструкций [2], однако пока трудноосуществим перенос результатов таких исследований на крупногабаритные изделия, в условия, далекие от лабораторных экспериментов как по условиям и базе испытаний, так и по материалу и виду разрушения. Также в рамках применения детерминированных моделей, к которым относится большинство эмпирических нелокальных подходов, становится невозможной оценка допустимого риска при ненулевой вероятности появления редких событий. Иными словами, для решения задач прогнозирования предельного состояния и ресурса реальных материалов и конструкций требуется применение статистических подходов [3,4].

Принципиальная необходимость учета локальных взаимодействий оставляет по-прежнему актуальной необходимость развития локальных подходов, ограниченных в настоящее время калибровочными теориями, линейной и нелинейной теорией дислокаций. Разработка подхода, основанного на структурном моделировании и теории накопления локальных повреждений, позволяет объединить преимущества локального и нелокального методов.

Структурные модели накопления повреждений и разрушения конструкционных материалов, а также основанные на них методы оценки ресурса металлоконструкций преодолевают известные недостатки полуэмпирических подходов, не включающих в себя явного описания физически явлений, происходящих в материале, и обладают достаточной гибкостью рассмотрения различных уровней структурно-неоднородного материала и конструкции.

При этом становится возможным обоснованно оценивать риск наступления предельного состояния, осуществлять перенос модельных результатов на крупногабаритные конструкции, а также объединять в рамках одной модели описание процессов накопления повреждений и разрушения материала. Объединенные структурные модели также позволяют найти способ переноса экспериментальных данных, полученных для одного из видов нагружения и поведения материала, на другие, а также позволяют объединять экспериментальные данные, относящиеся к различным видам напряженного состояния и внешнего воздействия. В целом разработка структурных моделей повреждения и разрушения — одно из наиболее актуальных направлений механики материалов в XXI веке.

Трудно недооценить важность структурных моделей для обоснованного подхода к объединенному описанию процессов повреждения и разрушения. Все эти процессы в твердом теле связаны с явлениями, происходящими в одних и тех же элементах структуры. Накопление усталостных или коррозионных повреждений происходит в отдельных зернах и на отдельных участках межзеренных границ, зарождение макроскопической трещины является результатом слияния дефектов в местах случайного скопления наиболее поврежденных, или наиболее напряженных, элементов структуры. Рост макроскопической усталостной трещины есть процесс продвижения фронта разрушения через совокупность зерен и их границ, попадающих на фронт трещины. Все эти явления описываются единой структурной моделью. Объединенные структурные модели позволяют найти способ переноса экспериментальных данных, полученных для одного из видов нагружения и поведения материала, на другие, а также объединять экспериментальные данные, относящиеся к различным видам напряженного состояния и внешнего воздействия. В целом разработка структурных моделей повреждения и разрушения — одно из наиболее актуальных направлений механики материалов в XXI веке.

До недавних пор развитие структурных моделей сдерживалось недостатком экспериментальных данных на микрои субмикроскопическом уровне, и их формальной математической сложностью. В связи с развитием удобных экспериментальных средств для исследования микроструктуры материалов высокого разрешения, таких как электронная сканирующая микроскопия, а также статистических математических методов и мощных вычислительных средств, структурный подход в новом тысячелетии претерпел новый этап развития, связанный как с новыми возможностями теоретических исследований процессов разрушения, так и с практической применимостью структурных моделей [5].

Исследования в области повышения хладостойкости конструкционных материалов более 30 лет проводятся в ИФТПС СО РАН. Выявлено, что спецификой хрупкого разрушения металлоконструкций в условиях Севера (в частности, сварных [6, 7]), является образование холодных трещин в наиболее напряженных элементах вследствие накопления усталостных, коррозионных, температурных повреждений, что и становится наиболее распространенной причиной разрушений при низких климатических температурах. Диагностика элементов металлоконструкций в этом случае также сводится к анализу их дефектности и выявлению механизма и закономерностей повреждаемости от различных внешних факторов.

Разнообразие конструктивных форм, размеров, технологий получения, режимов нагружения и температурных условий работы конструкций крайне затрудняет, а в ряде случаев и делает практически невозможной оценку их ресурса только по результатам испытаний лабораторных образцов. В связи с этим для учета характерных отличий элемента конструкции от лабораторного образца перспективным представляется развитие методов статистической механики материалов и деталей машин. Применительно к хрупкой статической прочности и многоцикловой усталости, статистические теории, использующие силовую трактовку процесса разрушения, получили развитие в научных школах А. П. Александрова и С. Н. Журкова, В. В. Болотина, С. Д. Волкова, Т. А. Конторовой и Я. И. Френкеля, Н. В. Олейника, Г. С. Писаренко и В. Т. Трощенко, Д. Н. Решетова, С. В. Серенсена и В. П. Когаева, а также в работах В. Вейбулла, И. Фишера, И. Холоммона, А. Фрейденталя, Е. Гумбеля и др.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

При интенсивном освоении минерально-сырьевых ресурсов эксплуатация возводимой инфраструктуры (сооружений, трубопроводного, автомобильного и железнодорожного транспорта) возникает ряд проблем, связанных с безопасностью, и, прежде всего, с техногенным риском. Исключительной особенностью Российской Федерации в последнее десятилетие на рубеже веков оказались не виданные ранее темпы потери технологической безопасности, одним из важнейших показателей которых явилось общее снижение ВВП примерно на 50%. При этом в наиболее важных областях снижение объемов производства достигло 70−90%. В связи с этим для обеспечения технологической безопасности в указанных областях темпы роста в начале XXI века должны составить не менее 10−15%.

Одним из путей вывода России из сложившегося системного кризиса, характеризующегося уменьшением уровня безопасности на технических объектах, технологических линиях и производствах, является разработка средств прогноза и предотвращения аварий и катастроф, в частности, техногенного характера, что напрямую связано с разработкой методов оценки и продления ресурса машин и конструкций, в том числе остаточного, для объектов, близких или уже выработавших свой расчетный ресурс. Состояние инфраструктуры, в частности в регионах, удаленных от центра, на Северо-востоке России, в Дальневосточном округе, Республике Саха (Якутия) — представляется крайне опасным.

Соответствующим сложившемуся положению решением является разработка новых методов оценки приближения их предельного состояния, учитывающих всю историю их силового, теплового и коррозионного нагруже-ния, наряду с разработкой и внедрением средств научного мониторинга за техническим состоянием потенциально опасных технических объектов.

Отличающийся характер процессов деформации и разрушения, протекающих на различных структурных уровнях, дефектность и неоднородное строение реального материала, затрудняли до сих пор и построение соответствующих теоретических и численных моделей эволюции поврежденности и достижения предельного состояния в материале. Однако развитие в последние годы современных вычислительных технологий, в том числе статистического моделирования, успехи в области эксперимента, в частности, разработка и широкое применение методов электронной зондовой микроскопии, позволили вплотную подойти к решению задачи численного моделирования процессов образования и роста дефектов в виде трещин в вязкохрупких и уп-ругопластических материалах с высокой степенью достоверности. Особенно перспективным для решения таких задач представляется применение структурного и эволюционного подходов.

Разработка экспериментальных и численных моделей и методов оценки вероятности достижения конструкцией своего предельного состояния также позволит количественно оценивать риск, в особенности техногенный, при проектировании и эксплуатации потенциально опасных технических объектов, и осуществлять научно обоснованный мониторинг их состояния. В условиях низких климатических температур основной характеристикой сопротивления конструкций разрушению является трещиностойкость.

НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ. Теоретические и экспериментальные исследования, направленные на развитие теории предельных состояний, вычислительной механики разрушения, статистической и теории замедленного разрушения, локального (микромакроскопического) и эволюционного подходов в механике твердого тела, носят фундаментальный характер.

Теоретические и экспериментальные исследования, касающиеся развития методов зондовой микроскопии и фрактального анализа поверхности деформирования и разрушения материалов, количественной оценки скейлинга и поврежденности поверхности, прогнозирования наступления предельного состояния и выработки остаточного ресурса, имеют прикладное значение при оценке безопасности и рисков эксплуатации потенциально опасных промышленных объектов, эксплуатирующихся в условиях Севера.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ. Работа выполнена с использованием комплексных теоретических, экспериментальных и расчетных (численных) методов исследования. Получили развитие экспериментальные и теоретические методы: методика количественной оценки скейлинга поверхности на основе мультифрактального анализа, теория замедленного разрушения металлоконструкций под действием водорода, численные методы решения задачи связной диффузии — упругопластичности и накопления повреждений, оценки предельного состояния и ресурса, методики рентгеновской дифрак-тометрии зон локальной пластической деформации, сканирующей зондовой микроскопии «in situ».

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Достоверность и обоснованность полученных в работе научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью построения и использования предлагаемых математических моделей, соответствием полученных предельных расчетов с экспериментальными данными, практическим использованием результатов диссертационной работы при оценке поврежден-ности и предельного состояния материалов и ресурса металлоконструкций.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ПОЛЕЗНОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Оборудование и методики, созданные в результате выполненных исследований, рекомендованы для использования журналами «Наука производству», «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», «Материаловедение». В итоге выполненных исследований разработанные методики оценки остаточного ресурса металлоконструкций и поверхностной поврежденности материалов переданы в институт «Безопасность» при ИМАШ РАН, НИИ «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА», в Министерство промышленности Республики Саха (Якутия).

Выполненные по тематике диссертации разработки соискателя используются аспирантами ЯНЦ, а также студентами физического факультета ФТИ ЯГУ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы доложены на научно-технических конференциях — Международных в Москве (1991, 2003), Виннице (1991), Томске (1994, 1996, 1998, 2000, 2001, 2004, 2005), Гамбурге (1996), Новосибирске (2000), Киеве (1998, 2000, 2002, 2003, 2004), Санкт.

Петербурге (1998, 2000), Париже (1999), Сиднее (2000), Вене (2000), Красноярске (2001), Пензе (2001), Женеве (2003), Донецке (2004, 2005), Якутске (1990, 1995, 1998, 1999, 2000, 2002, 2004, 2005), Алма-Ате (2004), Черноголовке (2004), Турине (2005), Екатеринбурге (2005), Симпозиуме Международного Института Сварки (2000), Евразийском Симпозиуме в Якутске (2000,2002, 2004), Всероссийских и региональных конференциях (ежегодно с 1991 года), обсуждены на семинарах и в коллективах лаборатории микрои макромеханики ИМАШ РАН (1991;1994, 2002), лаборатории дуговой сварки Харбинского Института сварки (1994), лаборатории физической мезомехани-ки ИФПМ СО РАН (1996), лаборатории физики металлургии EPFL (Швейцария, 1998;1999), департамента вычислительных технологий Венского государственного технического университета (Австрия, 2000), лаборатории динамических методов анализа Института механики сплошных сред (Пермь, 2001), на заседаниях комиссии по комплексным проектам отделения механики СО РАН (Новосибирск, 2001, 2002), совещаниях по Программе ОЭММПУ № 13 в Институте проблем механики РАН (Москва, 2004,2005).

Работа выполнялась в отделе прочности и ресурса ИФТПС СО РАН по программе «Механика, научные основы машиностроения» СО РАН (тема 1.11.1.10 /рег. 01 960 000 989/ и 2.3.3., 2.3.6, /рег. ГР 01.2.00.107181/, а также при поддержке Интеграционного проекта СО РАН № 2 (2000;2002 гг.), программы Минобразования и Минатома РФ «Интеграция», Программы фундаментальных исследований отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН «Структурная механика материалов и элементов конструкций. Взаимодействие наномикромезои макромасштабов при деформировании и разрушении», Программы Президиума РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразвитых систем и наноматериалов», грантов РФФИ №№ 96−01−1 370, 98−01−3 688, 98−02−3 714, 00−15−99 061-л, 01−01−161, 03−01−96 000, 03−02−96 001, ряда Целевых республиканских программ по заказу Министерства промышленности Республики Саха (Якутия) и ГУ по РС (Я) МЧС РФ с 1994 по 2005 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации отражено в 120 печатных работах, в том числе в 3-х монографиях, включая одну авторскую и две коллективные, 30 статьях в журналах «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», «Физическая мезомеханика», «Материаловедение», «Вычислительные технологии», «Наука производству», «Химическая технология», «Journal de Physique», а также в журнале «Наука и образование», 40 докладах в сборниках международных конференций.

Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в диссертационной работе, проведены в лаборатории сварки (1989;1994 гг.), лаборатории физикохимии технологии и механики материалов (1994;1998 гг.) и лаборатории физикохимии и механики вязко-хрупкого перехода (19 992 005 гг.) Института ФТПС СО РАН (г.Якутск). Изучение опыта работ по оценке, обоснованию и продлению остаточного ресурса, исследования методом рентгеновской дифрактометрии производилось в Институте машиноведения РАН (г.Москва), методами оптико-телевизионного анализа смещений при деформации образцов «in situ» — в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г.Томск), моделированию комбинированным метог дом клеточных автоматов — конечных элементов (CAFE) — в Государственном технологическом институте Лозанна (Швейцария).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 192 наименований. Объем работы 312 страниц машинописного текста, включая 99 рисунков, 13 таблиц и приложения на 66 страницах.

5. Результаты исследования методами электронной зондовой и растровой микроскопии свидетельствуют о том, что изменение механических свойств металла под действием водорода обусловлено активационным характером ускоренного зарождения, развития и накопления на различных структурных уровнях дефектов, способствующих возникновению трещин и хрупкому разрушению в процессе деформирования.

6. Результаты мультифрактального анализа поверхности деформирования образцов из хладостойкой стали экспериментального состава типа 09Г2С, полученных растяжением in situ на специальном зондовом микроскопе, позволяют предположить, что поврежденность структуры поверхности от пластической деформации в большей степени характеризуется параметрами ее статистической однородности, чем шероховатостью и регулярностью.

7. Разработаны расчетно-экспериментальные методики качественной и количественной оценки скейлинга и эволюции микроповреждений в материале на основе методов зондовой фрактографии и микроскопии, включая in situ, поверхности деформации, а также мультифрактального анализа трехмерных изображений.

8. Дано теоретическое обоснование и разработан алгоритм связного структурного моделирования неравновесных деформационных, диффузионных и деградационных физико-химических и механических процессов, происходящих в структурно-неоднородных материалах при комбинированном механическом и коррозионно-химическом воздействии.

9. Проведенное экспериментальное и численное моделирование по связной модели замедленного разрушения позволило выделить общие для материалов с иерархической внутренней структурой зависимости локальной прочности на различных структурных уровнях деформации. На основе модели удалось объяснить известные эффекты изменения механических свойств под действием водорода при замедленном разрушении металлов в условиях низких климатических температур, обосновать использование теоретически и экспериментально получаемых зависимостей накопления повреждений в элементах структуры материала.

Ю.Разработана объединенная структурная стохастическая модель образования и роста трещины в гетерогенном материале, учитывающая иерархию повреждений и достижение предельных состояний на предшествующих структурных уровнях.

И.На основе объединенной структурной стохастической модели и микромакроскопического локального подхода выполнена оценка трещиностой-кости алюминиевого сплава Al-Cu при его затвердевании из расплава. При этом впервые решена комплексная задача расчета структуры границ зерен в двумерной, полей напряжений, деформаций и скоростей деформации — в трехмерной, водородной пористости — в одномерной, и макроскопическая задача теплопереноса — в двумерной постановке. Объединенная стохастическая модель возникновения и роста трещины решена в двумерной постановке, получено решение для случайного и регулярного распределения пор по границам зерен, оценена зависимость скорости роста трещины в металле от КИН.

12.Предложенная структурно-статистическая концепция эволюции дефектов позволяет разработать новые подходы иерархического моделирования процессов накопления повреждений и инженерные методы оценки ресурса и остаточной прочности элементов металлоконструкций и их сварных соединений, эксплуатирующихся в экстремальных климатических условиях Севера.

— 230.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам работы можно сделать вывод, что поставленные задачи выполнены полностью. Так, на основе анализа теоретических подходов к структурному моделированию процессов накопления повреждений и разрушения обоснована применимость эволюционного структурно-статистического подхода для моделировании трещинообразования в реальных конструкционных материалах под действием механического нагружения и активной среды, и новых экспериментально-расчётных методов (зондовой микроскопии и фрактографии, мультифрактального анализа) — для количественной оценки масштабной инвариантности (скейлинга) структуры реальных конструкционных материалов.

Необходимо также отметить, что разработанные экспериментальные и расчётные методики являются оригинальными, и их оценка на международном уровне свидетельствует о высоком научном уровне выполненных работ. Чтобы остаться в рамках поставленных задач, в работе не были освещены исследования, посвященные морфологии и дефектной структуре ультрамелкозернистых (нано) материалов, кристаллов алмаза, износостойких покрытий, в которых автор также принимал непосредственное участие.

Однако следует отметить перспективность разработанных подходов в связи с развитием в современной физике и механике ряда смежных областей знания, развивающихся особенно бурно на рубеже тысячелетий, и в настоящее время претерпевающих качественные изменения.

В исследованиях сложных открытых неравновесных систем различной физической природы, в частности, деформированных твердых тел, успешно развиваются новые подходы, основанные на принципах синергетики, мезо-механики, теории самоорганизации и катастроф [178.—Л 92]. Поэтому представляет интерес разработка средств оценки стойкости к замедленному разрушению и критериев прочности элементов конструкций под действием водорода и механического нагружения на основе применения таких нетрадиционных подходов.

В ряде отраслей промышленности Севера в эксплуатации находится большое число еще не потерявших своей работоспособности машин и конструкций, в том числе после аварий и ремонта, что требует специальных мер по обеспечению их безопасности. Длительная эксплуатация в экстремальных климатических условиях ответственных сварных конструкций должна предусматривать надежную оценку технического состояния и прогнозирование индивидуального остаточного ресурса, особенно для объектов, выработавших назначенный ресурс.

Наиболее актуальной задачей в проблеме замедленного разрушения металлоконструкций сейчас является создание расчетных моделей водородного охрупчивания (ВО), образования и развития холодных трещин, а также экспериментальных методов оценки технического состояния элементов сварных конструкций с учетом реальных процессов, происходящих в области предразрушения.

Для построения удовлетворительной механики деформирования и разрушения нужно принять во внимание влияние неоднородности полей напряжений, рассмотреть двумерный и трехмерный случаи, влияние градиентов напряжения, а также скорости нагружения (или деформации). До сих пор количественное определение прочности на строгой основе дислокационных представлений не удавалось. Трудность обусловлена проблемой описания характера, количества, ориентаций и размеров имеющихся и возникающих в объеме материала дефектов. Установить связь между концентрацией напряжений в вершине трещины и разрушением на базе микроскопических теорий, по-видимому, невозможно.

Различные модели механизма разрушения ограничены теоретическим рассмотрением неустойчивости микрои макротрещин в поле приложенных напряжений и не являются основой для количественной оценки прочности гетерогенных материалов. На самом деле все данные по прочности были получены на макроскопическом уровне. Они составляют единственную количественную основу для инженерных расчетов и научных целей. Однако они крайне мало разъясняют внутренние механизмы разрушения.

Особый интерес представляют исследования механизма разрушения на мезоуровне в поликристаллических материалах под действием низких температур и активных сред с учетом сегрегации примесей по границам зерен.

Следствием движения объёмных элементов является возникновение системы концентраторов напряжений различного масштаба, появление больших моментных напряжений, возрастание роли поворотной моды деформации. Перед разрушением малопластичных поликристаллов формируются специфические диссипативные структуры в поле скоростей векторов смещений, которые завершаются образованием мезополос сдвига и разрушением материала. При этом колоссальную роль играет состояние поверхности, у которой особенно интенсивно протекают процессы массопереноса материала.

Движущей силой массопереиоса являются критические концентрации и градиенты напряжений. Градиенты напряжений являются мерой неравновесного состояния материала. Появление сдвигонеустойчивых структур, не-сплошностей и трещин вызывает релаксацию и перераспределение концентраторов, силовых и моментных напряжений. Новые представления потребовали разработки новых методов описания, расчета и моделирования процессов пластической деформации и разрушения твердых тел.

Широко применяемые во всем мире традиционные методы численного моделирования процессов деформирования и разрушения материалов на данный момент не позволяют в полной мере описать наблюдаемые экспериментальные данные для вязкопластичных гетерогенных материалов, в том числе подвергаемых действию низких температур и внутреннего водорода (Ирвин, Thompson, Bernstein, 1980; Knott, 1983; Нельсон, 1988; Ларионов, 1986; Андрейкив, Панасюк, и др., 1987; Lufrano, Sofronis, 1996, 1997; Михайлов, Лепов, и др., 1998), в связи с чем затруднено построение соответствующих теоретических моделей. Отчасти это объясняется различающимся поведением материала на различных структурных уровнях деформации, неоднородностью его строения, возникновением дефектов. В то же время получают развитие новые подходы и методы, позволяющие с помощью применения современных вычислительных средств с высокой степенью достоверности моделировать процессы, происходящие как при образовании, так и при распространении трещины в вязкопластических материалах (Broberg, 1990; Rappaz, Voller, 1990,1998; Лепов, 1997, 1999; Дерюгин, 1998).

Предложенный стохастический подход для имитации распространения трещины в гетерогенном вязкопластическом материале (Broberg, 1990) основан на механизме роста и коалесценции пор на включениях, в предположении известного скалярного поля напряжений вокруг заданной начальной трещины. Данная модель позволяет визуализировать процесс разрушения и учесть его стохастический характер, однако принятые упрощения снижают ее практическую значимость. На основе данной модели предложена модель роста трещины, в которой также предполагается случайным размер и расположение дефектов, уже в виде пор или трещин, с расчетом поля напряжений, приближенного к реальному, однако в ней не рассматривается задача взаимодействия поля напряжений основной трещины и дефектов и эффект его релаксации при слиянии пор (Лепов, 1997).

Существующие подходы в мире (R.Hill, J. Rice, 1972; R. Asaro, 1983; Ру-синко, 1986; K. Preston, 1994), стране (Мохель и др., 1983; Лихачев, Малинин, 1984; Новожилов, Кадашевич, 1990; Бейгельзимер и др., 1998) основаны на континуальном микромеханическом описании неупругой деформации. Наряду со сложностью кинематического описания пластического деформирования, в таких моделях предельные параметры материала отличаются от реальных физических величин и результаты, таким образом, не могут быть адекватно сопоставлены с экспериментом. В данных моделях не рассматривается также сам процесс возникновения трещины.

В основе подхода «микро-макро» моделирования [Rappaz, Voller, 1990, 1998] лежит использование моделей фундаментальных микроскопических явлений для макроскопических термомеханических расчетов, с целью предсказания формирования микроструктуры в затвердевающем материале на масштабе детали. Применение этого подхода для расчета пористости и дальнейшего возникновения и распространения трещины (Лепов, 1999) позволяет производить расчет всего процесса, начиная с затвердевания расплава (при отливке, формообразовании, сварке и т. п.) и течения жидкого материала, роста дендритов, образования зародышей пор, и заканчивая усадкой твердого тела при охлаждении и горячем растрескивании, а при дальнейшем охлаждении и вылеживании, и замедленного разрушения под действием растворенного водорода. Но применение модели осложняется необходимостью расчета сопряженных полей напряжений и деформаций от возникающих и растущих микротрещин. Существующие подходы (Hutchinson, 1973;1996; Needleman, 1986;1998; и др.) не позволяют решать механическую задачу для произвольно расположенных и ориентированных дефектов различных размеров, решения даже для регулярно расположенных пор предусматривают привлечение метода конечных элементов.

С другой стороны, динамический характер действия нагрузок, низкие величины и резкие колебания температур эксплуатации машин и конструкций обуславливали большинство хрупких разрушений машин и конструкций в жестких климатических условиях. Выполненные на высоком уровне экспериментальные, теоретические и численно-аналитические исследования процесса разрушения от динамических усталостных нагрузок при нормальных температурах (Г.Либовиц, В. В. Панасюк, В. З. Партон, Е. М. Морозов, Г. П. Черепанов, Д. Броек, Л. И. Слепян и др.), и опыт, накопленный при проведении экспериментальных исследований и экспертизе низкотемпературных разрушений с помощью фрактографического анализа, неразрушающих методов контроля, с применением энергетических подходов (С.В.Серенсен, П. И. Кох, Р. С. Григорьев, В. П. Ларионов, Ю. С. Уржумцев и др.), позволили понять основные закономерности динамического разрушения и то, что при низких температурах протекающие процессы значительно отличаются, облегчая разрушение. Исследования зависимости механических свойств металла от температуры в сплавах и сталях (В.И.Саррак, Н. А. Махутов, Т. А. Владимирский и др.) обнаружили наличие температуры хладноломкости. Также было установлено, что хрупкое разрушение сильно зависит от скорости деформирования. Однако построенные механические и физические теории явления вязко-хрупкого перехода в неметаллических материалах, металлах и сплавах (А.Ф.Иоффе, Н. Н. Давиденков, Я. Б. Фридман, И. М. Богачев, Р. Н. Кузмин, В. П. Ларионов и др.) не позволили объяснить все проявления динамического разрушения при низких температурах, что объясняется трудностями экспериментального исследования быстропротекающих процессов в вершине трещины и внутри материала при объемном напряженном состоянии.

В результате исследований полностью теоретически построена и частично реализована алгоритмически и программно модель расчета неравновесных физико-химических и механических процессов, происходящих в гетерогенных материалах под действием силового, температурного и коррози-онно-химического воздействия. Модель предусматривает возможность последовательного расчета: роста дендритов в расплаве материала, его затвердевания и формирования из жидкой фазы структуры зерен (при отливке, в сварочной ванне, и т. п.), образование термонапряжений, микродефектности или пористости, деформирование материала под действием внутренних и внешних нагрузок, возникновение микротрещин, их рост и слияние до достижения критического размера. Основываясь на полученных на различных структурных уровнях экспериментальных данных, модель позволяет объединить подходы, применяемые для описания твердого тела, на основе эволюционной структурной механики твердого тела с дефектами, которая является логическим продолжением и объединением механики деформируемого твердого тела, механики сплошных сред, физической мезомеханики и синергетики (см. рис.).

Реализация разработанного структурно-статистического подхода для построения структурной механики твердого тела.