Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2016

3. Дудников Е.Г. Основы автоматического регулирования тепловых процессов. – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1956. – 264 с.

УДК 620.178.3

РАЗРУШЕНИЯ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ ПКМ ПРИ РЕЗОНАНСНЫХ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

М.Ш. Нихамкин, Н.А. Саженков, Д.А. Самодуров

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

nikhamkin@mail.ru, sazhenkov_na@mail.ru, samodurovdanil@gmail.com

Были проведены резонансные усталостные испытания на растяжение стандартных образцов из ПКМ, применяемых при изготовлении корпусных деталей авиационных газотурбинных двигателей. Выполнен анализ механизмов разрушения испытанных образцов. Описанный характер разрушения соотнесен с текущими теориями повреждения композитов при воздействии на них переменных циклических нагрузок. Результаты анализа механизмов разрушения испытанных образцов согласуются с данными исследований других авторов о повреждениях композитов при воздействии на них переменных циклических нагрузок.

Ключевые слова: ПКМ, стандартные плоские образцы, углеволокно, усталостные испытания, предел выносливост.

При проектировании элементов конструкций газотурбинных двигателей из полимерных композиционных материалов необходимо знать широкий спектр их физико-механических свойств, в частности, характеристики усталостной прочности. Характер разрушения образцов во время испытаний, сопоставленный со способами изготовления композиционного материала, позволяет правильно интерпретировать его усталостные свойства.

В настоящей работе приведен анализ характера разрушения стандартных плоских образцов из полимерного композиционного материала с наполнителем из угле- и стекловолокна после испы-

201

таний на усталостное растяжение. При анализе использованы материалы работы [1, 2].

Вкачестве объекта исследования выступали два стандартных плоских образца из полимерного композиционного материала с наполнителем из углеволокна и два – из стекловолокна (рис. 1). Один из образцов каждого типа материала подвергался резонансным усталостным испытаниям на растяжение с напряжением в цикле нагружения большим, чем предел выносливости материала. Второй образец каждого типа испытывался нагрузкой, меньшей, чем предел выносливости. Далее производился визуальный анализ полученных повреждений. Испытания проводили на высокочастотном пульсаторе резонансного типа.

Врезультате усталостных испытаний при нагрузке выше предела выносливости образец из углепластика разрушился в плоскости, перпендикулярной оси нагружения. Общий вид характера разрушения образца изображен на рис. 2, а.

а

б

Рис. 1. Эскиз (а) и фотографии образцов из углепластика (б): 1 – полимерный композит, 2 – защитная накладка

202

Наибольшие повреждения накоплены волокнами образца, располагавшимися вдоль оси приложения нагрузки, по сравнению с волокнами, располагавшимися под иным углами. Тем не менее расслоение и разрывы волокон слоев, ориентированных под углом 90° и ±45°, значительны (см. рис. 2, б, в). Данное обстоятельство обусловлено плетеной структурой композита.

аб

вг

Рис. 2. Разрушение стандартного образца при испытании нагрузкой выше предела выносливости: а – общий вид разрушения;

б– разрушение 90°; в – разрушение ±45°;

г– расслоение по толщине

При рассмотрении образца с торца (см. рис. 2, г) можно отметить практически полное расслоение композита по всей толщине. Это согласуется с теоретической моделью повреждения [1, 2], в которой разрушение несущих слоев, направление волокон которых совпадает с направлением нагрузки, начинается после деламинации в композитной структуре или почти одновременно с ней.

В результате усталостных испытаний на пределе выносливости образцы из углепластика не разрушились до образования разрывов, т.е. ими не была достигнута конечная третья стадия процесса разрушения.

203

Тем не менее наблюдалось появление локальных трещин между волокнами, имеющими ориентацию 0°, отрывов связующего от наполнителя.

Как видно из фотографий образца на рис. 3, а, подобные трещины берут свое начало под 90° волокнами. Там же можно наблюдать отрывы связующего от наполнителя.

а

б

Рис. 3. Разрушение стандартного образца при испытании на пределе выносливости: а – общий вид разрушения; б – расслоение по толщине

При рассмотрении образца с торца можно заметить появление трещин между связующим и слоями, имеющими различную ориентацию (см. рис. 3, б). Это говорит о том, что накопление повреждений полимерной матрицы в слоях с направлением волокон, не совпадающим с направлением нагружения, привело к образованию и разрастанию трещин до границ с соседними слоями и инициировало процесс деламинации.

Список литературы

1. Talreja R. Fatigue of composite materials: PhD thesis. – Technical University of Denmark, 1985.

204

2. Experimental investigation of VHCF of polymer composites two alternative approaches. Materialpruefung / T.J. Adam, P. Horst, P. Lorsch, M. Sinapius // Materials Testing. – 2012. – Vol. 54, is. 11–12. – P. 734–741.

УДК 539.3

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕРЫВИСТОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ Ф.С. Попов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

popovfyodor@yandex.ru

Рассматривается влияние диффузионных процессов на неупругое деформирование поликристаллических сплавов; особое внимание уделяется физическим механизмам взаимодействия дислокаций с атомами примесей. Сформулированы концептуальная и математическая постановки задачи исследования неупругого деформирования поликристаллических материалов, значительное внимание уделено анализу прерывистой пластичности.

Ключевые слова: прерывистая пластичность, диффузия, поликристаллы.

В настоящее время практически во всех отраслях производства (в том числе в аэрокосмической промышленности) значительное внимание материаловедов и технологов уделяется получению новых материалов или материалов с уникальными свойствами. Существенная часть процессов получения материалов с повышенными физико-механическими характеристиками связана с обработкой давлением; при деформировании имеют место как положительные (измельчение микроструктуры, упрочнение), так и отрицательные эффекты, например, прерывистая текучесть (эффект Портевена – Ле Шателье). Прерывистая текучесть (ПТ), называемая также скачкообразной деформацией, – явление неустойчивости пластического деформирования, которое обнаруживается практически для всех сплавов в определенных темпера-

205

турно-скоростных диапазонах деформирования. Учет эффекта Портевена – Ле Шателье (ПЛШ) важен при разработке технологических режимов штамповки листовых материалов на финишных стадиях изготовления. Поверхность материала при возникновении режима ПТ становится шероховатой, что влияет на усталостную прочность, аэродинамические характеристики листовых панелей. Изучение и моделирование эффекта ПЛШ представляет интерес также с научной точки зрения, поскольку требует создания моделей, учитывающих взаимодействие различных механизмов и носителей деформации (дислокаций, примесных атомов, барьеров различной природы). Целью работы является разработка прямой трехуровневой модели неупругого деформирования поликристаллического образца, описывающей неустойчивость пластического течения.

Основываясь на моделях физики твердого тела и имеющихся экспериментальных данных, можно констатировать, что все процессы деформирования, в которых велика роль диффузионных процессов (диффузия точечных дефектов, неконсервативное движение («переползание») дислокаций и др.), чувствительны к скорости деформации и температуре [1]. Одним из наиболее известных проявлений влияния диффузионных процессов на поведение деформируемого материала является эффект ПЛШ [2]. Существует большой спектр работ, посвященных исследованию эффекта ПЛШ различными методами, как экспериментальными (механическими и микроструктурными), так и теоретическими, основанными на макрофеноменологических и физических теориях. В данной работе считаем, что основной механизм рассматриваемого эффекта – динамическое деформационное старение (ДДС), возникающее в процессах пластического деформирования при определенных температурно-скоростных условиях, при которых существенное значение имеет взаимодействие дислокаций с примесными атомами в результате их диффузии в направлении скоплений дислокаций. В ряде работ, например в [3], на примере алюминиево-магниевого сплава возникновение пластической неустойчивости напрямую связывают с концентрацией легирующего материала: чем выше концентрация примесных атомов, тем четче проявляются скачки напряжений на диаграммах растяже- ния-сжатия. Также возникновение скачков напряжений связыва-

206

ют с эволюцией дефектов микроуровня, в особенности – с изменением плотностей мобильных и иммобильных дислокаций в процессе деформирования. В работе [4] показано, что проявление неустойчивости пластического течения происходит в результате одновременного возникновения ДДС и взаимодействия дислокаций друг с другом. На рисунке приведена схема ДДС, наглядно демонстрирующая причину возникновения нестабильностей.

Рис. Схема взаимодействия дислокаций с примесными атомами [4]

На основе анализа ДДС можно предположить, что существенное влияние оказывает туннельная диффузия, а именно примесным атомам проще двигаться вдоль линий дислокаций, поэтому при возникновении реакций атомы включенного материала стекаются к дислокациям, образуя «тормозящее облако», которое препятствует их дальнейшему движению.

Исходя из вышеизложенного, предлагается разработка трехуровневой модели, которая подразумевает разделение описания поведения материала на три масштабных уровня: мезоуро- вень-2, мезоуровень-1 и макроуровень [5]. Модель основана на подходе, использующем внутренние переменные (на каждом из масштабных уровней). Прямая [6] трехуровневая модель необходима для корректного описания взаимодействия дислокаций с примесными атомами, что является основополагающим в модели. При помощи прямого подхода представляется возможным описание пространственного эффекта диффузии, который напрямую отвечает за распределение атомов примеси сплава в процессе

207

деформирования, что, в свою очередь, влияет на движение дислокаций, которое является основным механизмом деформации.

Верхний уровень (макроуровень) в рассматриваемой модели – представительный макрообъем материала, состоящий из конечного числа (порядка 300–400) кристаллитов (зерен, субзерен), нагружение реализуется заданием кинематических граничных условий. Для описания деформирования кристаллитов используется модель мезоуровня-1. Объектом исследования является не содержащий в себе субзерен, границ и фрагментов монокристалл (представительный объем мезоуровня-1). На низшем уровне (ме- зоуровне-2) рассматривается взаимодействие дислокаций, дислокационных субструктур и примесных атомов, описываемых соответствующими плотностями и концентрациями. Изменение критических напряжений на системах скольжения определяется по плотностям дислокаций на системах скольжения и их взаимодействиям с примесными атомами; определяемые на мезоуровне-2 критические напряжения на системах скольжения далее «передаются» на мезоуровень-1.

Для каждого из уровней осуществлена математическая постановка задачи, включающая собственно определяющие соотношения (на макро- и мезоуровнях), эволюционные и замыкающие уравнения для внутренних переменных. На примере металлов с ГЦК-решеткой рассмотрены процессы взаимодействия дислокаций различных систем скольжения, образование барьеров, взаимодействие дислокаций с примесными атомами.

Список литературы

1.Окишев К.Ю. Кристаллохимия и дефекты кристаллического строения: учеб. пособие. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – 97 с.

2.Трусов П.В., Чечулина Е.А. Прерывистая текучесть: физические механизмы, экспериментальные данные, макрофеноменологические модели // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2014. – № 3. – С. 186–232.

3.Plastic instabilities and dislocation densities during plastic deformation in Al–Mg alloys / G. Horvath, Q.N. Chinh, J. Gubicza,

208

J. Lendvai // Materials Science and Engineering. – 2007. – Vol. A 445–446. – P. 186–192.

4.Bross S., Hahner P., Steck E.A. Mesoscopic simulations of dislocation motion in dynamic strain ageing alloys // Computational Materials Science. – 2003. – Vol. 26. – P. 46–55.

5.Многоуровневые модели неупругого деформирования материалов и их применение для описания эволюции внутренней структуры / П.В. Трусов, А.И. Швейкин, Е.С. Нечаева, П.С. Волегов // Физическая мезомеханика. – 2012. – Т. 15, № 1. – С. 33–56.

6.Трусов П.В., Швейкин А.И. Многоуровневые физические модели моно- и поликристаллов. Прямые модели // Физическая мезомеханика. – 2011. – Т. 14, № 5. – С. 5–30.

УДК 539.3

ДВУХУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ НЕУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ОЦК-ПОЛИКРИСТАЛЛА С УЧЕТОМ ТЕРМОАКТИВИРОВАННОГО ХАРАКТЕРА ДВИЖЕНИЙ ДИСЛОКАЦИЙ

А.О. Микрюков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

anto-mikryuko@yandex.ru

Рассматриваются вопросы, связанные с влиянием температуры на физико-механические свойства материала. Учет влияния температуры в двухуровневой модели неупругого деформирования ОЦК-поликристалла осуществляется при помощи соотношения Орована, которое описывает на мезоуровне основной механизм неупругого деформирования – скольжение дислокаций – и учитывает при этом термоактивационный характер их движения. С использованием модели проведены численные эксперименты по деформированию представительного объема поликристалла при использовании заданной схемы деформирования. Построены кривые деформирования поликристалла при разных температурах, проанализирован характер сдвигов по системам скольжения.

209

Ключевые слова: двухуровневая модель, ОЦК, термоактивированное движение дислокаций, физические теории пластичности.

Внастоящее время при производстве деталей и конструкций для аэрокосмической техники широко применяются алюминиевые и магниевые сплавы, стали различных марок, титан и его сплавы. Это связано, прежде всего, с их статистической выносливостью и усталостной прочностью, а также с возможностью использования при различных температурно-силовых режимах. Процессы обработки материалов приводят к изменению дефектной структуры кристалла, переориентации кристаллической решетки отдельных зерен, а также к изменению формы и размеров зерен поликристалла. Изменение мезо- и микроструктуры, в свою очередь, существенно влияет на физико-механические свойства материала, поэтому в настоящее время актуальны модели, позволяющие описать эволюцию его внутренней структуры [1].

Принимая тот факт, что основным механизмом пластической деформации является скольжение дислокаций по кристаллографическим системам, которое относится к термоактивируемым процессам, необходимо разрабатывать модели, учитывающие влияние температуры на поведение материала.

Цель работы заключается в разработке и реализации математической модели, описывающей процессы неупругого деформирования поликристаллического материала с объемноцентрированной кубической (ОЦК) решеткой с учетом влияния температуры, а также исследование с их помощью термомеханических эффектов при различных схемах деформирования.

Вработе используется двухуровневый подход к описанию неупругого деформирования поликристалла, основанный на подходе физических теорий пластичности [1]. На макроуровне, или верхнем уровне, рассматривается представительный объем поликристаллического материала, состоящего из элементов мезоуровня, или нижнего уровня, – отдельных кристаллитов.

На макроуровне поведение материала описывается систе-

мой [2, 3]

210