Структурно-геометрические переходы при динамическом нагружении материалов
Автор: Савенков Г.Г., Кузнецов А.В., Брагов А.М., Константинов А.Ю., Ломунов А.К.
Статья в выпуске: 3, 2016 года.
Бесплатный доступ
Известно, что разрушению твёрдых тел, в том числе хрупких и квазихрупких, в поле внешних сил предшествует появление некоторой плотности дефектов кристаллического строения. Коллективные движения таких дефектов в кооперативном взаимодействии со структурой материала на разных масштабных структурных уровнях (от нано- до макро-) и определяют процесс разрушения. По сути, разрушение есть заключительная стадия пластической деформации твёрдых тел. За последние два-три десятилетия установлено, что профиль и поверхность динамически разрушаемых материалов являются фрактальными объектами. В работе были проведены исследования, направленные на возможное использование фрактальной размерности в качестве характеристики, позволяющей связать между собой различные параметры процессов разрушения и динамических свойств материалов. Лабораторные образцы трёх сплавов, используемых для трубопроводной судовой арматуры, подвергались ударному растяжению, и проводились структурные исследования разрушенных образцов. Эксперименты выполнены по методу Кольского с применением разрезного стержня Гопкинсона при скоростях деформации от 103 до 3·103 с-1. Исследованы свойства титана 3М, нержавеющей стали 08Х18Н10Т и бронзы марки БрАЖНМц. Получены динамические диаграммы деформирования, определены прочностные свойства и предельные характеристики пластичности. Установлено, что разрушению образцов предшествовали акты микропластической деформации в пределах активационного объёма, не превосходящего объём зерна исследуемого материала. В условиях высокоскоростного нагружения повреждение материала реализуется последовательно с участием дефектов кристаллического строения путём накопления и смены их пространственной организации. В качестве параметра для поиска корреляций между скоростью деформации, типом излома и механизмом структурной аккомодации предлагается использовать фрактальную размерность контура поверхности разрушения образцов динамически нагруженного материала. В том числе продемонстрированы возможности применения фрактальной размерности при ранжировании свойств материалов.
Динамическая прочность, фрактальная размерность, скорость деформации, структура, разрезной стержень гопкинсона
Короткий адрес: https://sciup.org/146211621
IDR: 146211621 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.3.11
Structural geometrical transitions under dynamic loading of materials
It is known that the destruction of solids, including brittle and quasi-brittle ones, in the field of external forces is preceded by the appearance of a certain density of crystal structure defects. Collective movements of such defects in the cooperative interaction with the structure of the material at different scale structural levels (from nano- to macro-) define the process of destruction. In fact, the destruction is the final stage of plastic deformation of solids. Over the past two or three decades, it was found that the profile and surface of dynamically destructible materials are fractal objects. In studies which had been carried out aimed at the possible use of the fractal dimension as a characteristic that allows linking the various parameters of the processes of destruction and the dynamic properties of the materials. Laboratory samples of the three alloys used for pipeline ship fittings were exposed to impact tensile; and then structural studies were carried out of the destroyed specimens. The experiments were performed according to the Kolsky method using a split Hopkinson bar (SHB) at strain rates from 103 to 3·103 s-1. Properties were investigated of the 3M titanium, as well as of 08Kh18N10T stainless steel and BrAZhNMts bronze. We obtained the dynamic stress-strain curves, strength properties and the limit characteristics of plasticity. It was found that the samples destruction was preceded by the acts of microplastic deformation within the activation volume not exceeding the volume of the material grain. Under high-speed loading the damage of material is implemented consistently with the participation of ensembles of the crystal structure defects due to accumulation and changing of their spatial organization. As а parameter for searching the correlations between the strain rate, the type of fracture and the mechanism of structural arrangement it is offered to use the fractal dimension of the contour in the fracture surface of the dynamically loaded material specimen. Also, the possibility of using the fractal dimension for the ranking of material properties was demonstrated.
Список литературы Структурно-геометрические переходы при динамическом нагружении материалов
- Физическая мезомеханика и компьютерное моделирование материалов/под ред. В.Е Панина. -Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. -298 с.; Т. 2. -320 с.
- Макаров П.В., Ерёмин М.О. Модель разрушения хрупких и квазихрупких материалов//Физическая мезомеханика. -2013. -Т. 16, № 1. -С. 5-26.
- Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. -М.: Металлургия, 1984. -280 с.
- Щербаков И.П., Куксенко В.С., Чмель А.Е. Кооперативные эффекты на микро-и наноструктурном уровнях при динамическом разрушении твёрдых тел//Физическая мезомеханика. -2013. -Т. 16, № 1. -С. 51-58.
- Савенков Г.Г. Фрактально-кластерная модель откольного разрушения//ЖТФ. -2002. -Т. 72, вып. 12. -С. 44-48.
- Mandelbrot B.B. fractal analysis and synthesis of fracture surface roughness and related forms of complexity and disorder//Int. Journal of Fracture. -2006. -Vol. 138. -P. 13-17.
- Барахтин Б.К., Савенков Г.Г. Связь характеристик откола с размерностью фрактальной структуры разрушения//ПМТФ. -2009. -Т. 50, № 6. -С. 61-69.
- Колмаков А.Г. Использование положений системного подхода при изучении структуры, особенностей пластической деформации и разрушения металлов//Металлы. -2004. -№ 4. -С. 98-107.
- Барахтин Б.К., Мещеряков Ю.И., Савенков Г.Г. Динамические и фрактальные свойства стали СП-28 в условиях высокоскоростного нагружения//ЖТФ. -1998. -Т. 68, вып. 10. -С. 43-52.
- Савенков Г.Г., Барахтин Б.К. Связь фрактальной размерности поверхности разрушения с комплексом стандартных характеристик материала на растяжение//ПМТФ. -2011. -Т. 52, № 6. -С. 177-184.
- Bragov A.M., Lomunov A.K. Methodological aspects of studying dynamic material properties using the Kolsky method//Int. Journal of Impact Engineering. -Vol. 16. -No. 2. -P. 321-330.
- Savenkov G.G. Mechanical Properties of Copper under Dynamic Load//Copper Alloys: Preparation, Properties and Applications/Eds. M. Naboka and J. Giordano. -New York: Nova Science Publishers, Inc., 2011. -P. 107-126.
- Иванова В.С. Синергетика: Прочность и разрушение металлических материалов. -М.: Наука, 1992. -160 с.
- РД 50-672-88. Расчёты и испытания на прочность. Классификация видов излома.
- Лазерный дифференциальный интерферометр/Н.А. Златин, С.М. Мочалов, Г.С. Пугачёв, А.М. Брагов//ЖТФ. -1973. -Т. 49, вып. 9. -С. 194-205.
- Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. -М.: Металлургия, 1986. -224 с.
- Мещеряков Ю.И., Диваков А.К. Интерференционный метод регистрации скоростной неоднородности частиц в упруго-пластических волнах нагрузки в твёрдых телах: препринт № 25. -Л.: ЛФИМаш, 1989. -36 с.
- Мещеряков Ю.И., Савенков Г.Г. Двухуровневая модель динамического деформирования металлов//ПМТФ. -1992. -№ 4. -С. 141-145.
- Milman V.Y., Stelmashenko N.A., Blumenfeld R. Fracture surfaces: A critical review of fractal studies and novel morphological analysis of scanning tunneling microscopy measurements//Progress Material Sciences. -1994. -Vol. 38. -P. 425-474.
- Барахтин Б.К., Обуховский В.В. Фракталы, структура и свойства материалов//Вопросы материаловедения. -1995. -№ 1. -С. 7-17.
