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

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 нанокристаллической структурой, позволяющих массово производить материалы с повышенными прочностными характеристиками и трещиностойкостью.

Применение в технике новых поколений керамических композиционных материалов, потребовало создания адекватных моделей и методов, позволяющих прогнозировать их механическое поведение в широких условиях внешних воздействий, включая интенсивные динамические нагрузки. В настоящее время большой интерес представляют конструкционные керамические материалы, создаваемые на основе порошков с нанокристаллической структурой и обладающие повышенными прочностными характеристиками и трещиностойкостью.

Создание методов описания и прогнозирования механическЬго 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 тем, 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 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., Аптукова 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 на закономерности деформации и разрушения сред и материалов.

Целью 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 AI2O3 — Zr02 -Y2O3 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 АЬОз — ХгОгУг03, 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 — 2гОгУгОз (пределах прочности при изгибе и сжатии, трещиностойкости, твердости).

5 Численное исследование 2Т> и ЗЭ постановках закономерностей развития повреждений и разрушения в керамических композиционных материалах с учетом структуры на мезоскопическом и субмикронном уровне при ударно волновых воздействиях с амплитудами до 10 ГПа.

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель механического поведения гетерогенных конденсированных сред при динамическом нагружении для описания процессов деформации, эволюции поврежденности 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 поликристаллических 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 АЬОз^гОг-УгОз, полученных методом горячего прессования из наноструктурных порошков отечественного производства, свидетельствующие о наличии в объеме материалов бимодальных распределений упрочняющих частиц и пор по размерам, наличия агломератов наноразмерных упрочняющих частиц и кластеров наноразмерных пор.

4. Результаты экспериментальных исследований деформации, накопления повреждений и разрушения в опытных образцах композиционных керамических материалов А120зЪгОг при испытаниях на одноосное сжатие с постоянной скоростью деформации, трехточечный изгиб и трещиностойкость, свидетельствующие о слабом влиянии скорости деформации в диапазоне от 10 до 10 с" на прочностные характеристики наноструктурных керамических композитов. Результаты, свидетельствующие о том, что повышение трещиностойкости керамических композиционных материалов АЬОз^гОг-УгОз с субмикрокристаллической матрицей сопровождается снижением характеристик прочности (изгибной прочности и прочности на сжатие) в условиях квазистатического нагружения.

5. Результаты численных исследований в 2Б и ЗЭ постановках распространения ударных импульсов на мезоскопическом уровне в керамических композиционных материалах АЬОз^гОг-УгОз 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 и 30 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 дилатансионный эффект неупругой деформации 2гОг при мартенситном 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.

3. Впервые проведено компьютерное моделирование процессов неупругой деформации и разрушения наноструктурных керамических композиционных материалов А120з — 2г02-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 — 2г02-У20з с наноструктурной матрицей и размерах частиц ЪхОг от 100 нм до 5 мкм в условиях ударно-волновых воздействий с амплитудами до 10 ГПа, с учетом возможного дилатансионного эффекта неупругой деформации ЪхО^ 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 субмикрокристаллических 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 ударно-волновых воздействиях.

Полученные данные о прочностных свойствах опытных образцов перспективных керамических композиционных материалов с оксидной керамической матрицей, наполненных субмикронными включениями (0,ЗА120з+0,7 (2Ю2 +3% У203), 0,8 А12Оз -0,17 ЪхОг — 0,03 У203, 0,3 А1203 — 0,7 [{Ъг02 — 3% У203) -0,056 (А1203 — 1,5% МвО)]) и др. представляют интерес для применения композитов в инженерной практике.

Разработанные модели, методика расчета могут быть использованы для решения широкого 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 П1247 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 2.1.2/13 526, 2.1.1/13 521).

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 2009 г.- 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.

Структура 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.

Основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Развита математическая модель механического поведения гетерогенных конденсированных сред при динамическом нагружении для описания процессов деформации, эволюции поврежденности и разрушения оксидных керамических композиционных материалов. Модель позволяет учесть влияние на механическое поведение керамических материалов концентрации упрочняющих частиц микронного и субмикронного размера, параметры поровой структуры.

2. Разработана методика моделирования на мезоскопическом уровне механического поведения гетерогенных конденсированных сред, использующая для генерации вычислительной модели объема композиционных материалов экспериментальные данные о распределении мезо-, микро и нано упрочняющих частиц и пор по размерам, форме. Методика позволяет прогнозировать влияние структуры оксидных керамических материалов на микрои мезоскопическом уровнях на механические характеристики наноструктурных и поликристаллических оксидных керамических композитов включая величины модулей упругости, вязкость разрушения, кинетику повреждения, при интенсивных динамических воздействиях с амплитудами до 10 ГПа.

3. Получены комплексные данные о фазовом составе композитов, пористости, распределении пор по размерам и форме, распределении размеров упрочняющих частиц, распределении размеров зерна матрицы. Обнаружено, что в оксидных керамических композитах, упрочняющие частицы и поры имеют бимодальное распределение по размерам и могут содержать агломераты наноразмерных упрочняющих частиц и кластеры нанопор. Полученные данные о параметрах микроструктуры ряда композиционных материалов А1203−2г02-У20з, полученных из наноструктурных порошков отечественного производства использованы для построения модельных объемов наноструктурных керамических материалов.

4. Результаты экспериментальных исследований деформации, накоплении повреждений и разрушения в опытных образцах отечественных керамических композиционных материалов А120з^г02-У203, полученные при испытании на одноосное сжатие с постоянной скоростью деформации, трехточечный изгиб, трещиностойкость. Полученные данные свидетельствуют о том, что скорость деформации в диапазоне от 10″ 3 до 10 с" 1 слабо влияет на прочностные свойства наноструктурных керамических композитов. Повышение трещиностойкости керамических композиционных материалов с субмикрокристаллической оксидной матрицей сопровождается снижением характеристик прочности (изгибной прочности и прочности на сжатие).

5. Впервые проведены детальные численные исследования в 2Б и ЗБ постановках распространения ударных импульсов на мезоскопическом уровне в керамических композиционных материалах А^Оз-ХгОг-УгОз со стохастическим распределением в объеме упрочняющих частиц субмикронного размера. Показано, что в условиях динамического нагружения зарождение повреждений происходит, локализовано и приводит к релаксации сдвиговых напряжений в области концентраторов напряжения мезоскопического уровня вблизи микропор, острых граней упрочняющих частиц, тройных стыков зерен наибольших размеров.

6. Показано, что с ростом скорости деформации в диапазоне от 1000 до 105 с" 1 вязкость разрушения оксидных композитов резко уменьшается. Размеры структурных элементов керамического композита (размеры зерна матрицы, размеры упрочняющих частиц, концентрация упрочняющих частиц, параметры поровой структуры) влияют на кинетику развития повреждений и механизмы сопротивления разрушению. При одинаковом объемном содержании упрочняющих частиц, граница изменения скоростной чувствительности вязкости разрушения композитов, упрочненных ультрадисперсными частицами, сдвигается в область более высоких скоростей деформации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.