Деформация и разрушение керамики и нанокомпозитов при динамических воздействиях Текст научной статьи по специальности «Физика»

Механика деформируемого твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (4), с. 1771-1773 1771

УДК 539.4.015,539.42,539.422.3

ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ КЕРАМИКИ И НАНОКОМПОЗИТОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

© 2011 г. В.В. Скрипняк, Е.Г. Скрипняк

Томский госуниверситет

skrp@ftf.tsu.ru

Поступила в редакцию 15.06.2011

Представлены результаты компьютерного моделирования деформации и разрушения пористых керамических материалов на мезосюпичесюм уровне при интенсивном динамическом нагружении. Предложен метод теоретической оценки эффективных модулей упругости керамических материалов со структурой пористости без использования гипотез относительно связи модулей с пористостью. Показано, что наличие поровой структуры препятствует формированию в керамике волны разрушения.

Ключевые слова: конструкционная керамика, керамические нанокомпозиты, поровая структура, динамическое нагружение, волна разрушения.

Изучение механизмов формирования волн разрушения в хрупких средах остается актуальным как в теоретическом, так и практическом аспекте. До настоящего времени не получено однозначных эксперимент альных подтверждений возможности образования волны разрушения в хрупких керамических материалах [1]. Экспериментальные исследования [1, 2] выявили, что под действием импульсных воздействий с амплитудами ниже предела упругости Гюгонио в керамических материалах на основе оксида алюминия и диоксида циркония развиваются повреждения структуры. Было установлено, что повреждения появляются в керамических материалах не только под действием импульсов растягивающих напряжений, но и при ударном сжатии. Кинетика и закономерности формирования фрагментов керамических материалов в процессе динамического нагружения изучены недостаточно хорошо.

Представлены результаты анализа динамики слабых ударных волн в ультрамелкозернистой Al2O3, ZrO2-Y2O3 керамике. Методом компьютерного моделирования исследованы процессы деформации и разрушения керамических материалов с различными поровыми структурами при воздействии ударных импульсов с амплитудами от 5 до 10 ГПа [3-7]. Моделирование проводилось в рамках подхода вычислительной механики материалов.

Анализ результатов моделирования показал, что при воздействии ударных волн на однофазную пористую Al2O3 керамику происходит коллапс пор и фрагментация конденсированной фазы. Изменение формы и объема пор на разных стадиях коллапса во фронте ударной волны можно видеть на рис. 1. Коллапс пор связан с фрагментацией конденсированной фазы материала вокруг пор и движением фрагментов в полость пор.

, 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

Направление распространения ударной волны

Время 0.05 мкс

_0.0 о.о

Рис. 1. Распределение параметра поврежденности конденсированной фазы в модельном объеме керамики при ударно-волновом воздействии

1772

В.В. Скрипняк, Е.Г. Скрипняк

Очаги разрушения зарождаются в области концентраторов напряжений. Области повреждений имеют три характерные ориентации — вдоль, поперек и под углами, близкими 45° к направлению распространения ударной волны. Формирование областей, имеющих поперечную ориентацию, обусловлено изменением формы пор и сопровождается резким ростом поврежденности в конденсированной фазе. Под действием градиента гидростатического давления во фронте протекает трансформация формы пор из сферической в эллипсоидную и далее в дискообразную. Изменение формы пор вызывает резкое увеличение концентрации напряжений в плоскости, ортогональной направлению распространения волны. Локальная релаксация давлений вызывает появление градиентов массовой скорости в направлении, ортогональном направлению распространения волны. Появление распределения массовых скоростей в зоне ударного перехода приводит к формированию поврежденных областей конденсированной фазы, ориентированных параллельно направлению распространения волны.

В зоне разрушения происходит фрагментация керамики, сопровождающаяся сдвигом и разворотом блоков. Размеры фрагментов в ударно-нагруженной пористой керамике оказываются меньше среднего расстояния между порами. Движение блоков происходит под действием нестационарных и неоднородных полей напряжений.

Во фронте упругого предвестника существенного изменения формы и размеров пор не происходит. Поры являются структурными концентраторами напряжений на мезоскопическом уровне. Усредненная скорость распространения упругого предвестника в пористой керамике ниже, чем в конденсированной фазе материала. Уменьшение средней скорости упругой волны является результатом взаимодействия волны нагружения с поверхностью пор. В результате этих взаимодействий происходит образование волн упругой разгрузки.

Наличие пор в структуре материала приводит не только к формированию неоднородного поля напряжений, но и вызывает осцилляции напряжений во времени. Аналогичный осциллирующий характер имеют зависимости локальных значений массовой скорости от времени. Подобные осцилляции наблюдались в пористых керамических материалах на основе А1203, 2г02—У203 при реги-

страции профилей ударных волн на тыльной поверхности мишеней с помощью лазерных дифференциальных интерферометров [2]. В области упругого предвестника осцилляции параметров механического состояния обусловлены взаимодействием волн разгрузки, образовавшихся при отражении волны нагружения от поверхностей пор. Во фронте волны объемного сжатия осцилляции появляются в результате релаксации сдвиговых напряжений, обусловленных развитием неупругих деформаций и ростом повреждений в конденсированной фазе. Релаксация средних сдвиговых напряжений начинается с момента зарождения повреждений вблизи пор. Зарождение повреждений происходит под действием сдвиговых напряжений, величина которых может существенно отличаться от эффективных значений.

Процесс фрагментации материалов в зоне разрушения определяется сдвигом и разворотом образовавшихся блоков, разделенных трещинами и полосами локализованной деформации.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант №08-08-12055), Минобрнауки РФ АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проекты 2.1.1/13521, 2.1.2/13526), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы (ГК № П1247 от 07.06.2010).

Список литературы

1. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. М.: Янус-К, 1996. 402 с.

2. Разоренов С.В. и др. // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Томск: Изд-во Томс. ун-та. 2002. С. 182—186.

3. Скрипняк Е.Г. и др. // Вестник Томского гос. ун-та. 2010. Т. 10, №2. С. 94—101.

4. Скрипняк В.А., Скрипняк Е.Г., Коробен-ков М.В., Скрипняк В.В. // Х1Х Петербургские чтения по проблемам прочности: Сб. Материалов Ч. 2. Санкт-Петербург, 13—15 апреля 2010. СПб. 2010. С. 178-181.

5. Скрипняк В. А., Скрипняк Е. Г., Козулин А. А., Скрипняк В.В. // Изв. вузов. Физика. 2009. Т. 52, №12. С. 38—41.

6. Скрипняк В.А. и др. // Известия Томс. политехн. ун-та. 2009. Т. 315, №2. С. 113—117.

7. Скрипняк Е.Г. и др. Моделирование процесса развития повреждений в нано структурной керамике при интенсивных импульсных воздействиях // Изв. вузов. Физика. №7/2. С. 195—202.

Деформация и разрушение керамики и нанокомпозитов при динамических воздействиях

1773

DEFORMATION AND FRACTURE OF CERAMICS AND CERAMIC NANOCOMPOSITES

AT DYNAMIC LOADING

V.V. Skripnyak, E.G. Skripnyak

Results of computer simulation of deformation and fracture of ceramic materials on the meso-scale level under dynamic loading are presented. The method of theoretical prediction of the effective modules of elasticity of ceramic materials with a porous structure without using the hypotheses concerning relation of modules with porosity is presented. It is shown the porous structure impedes the formation of a fracture wave in ceramics.

Keywords: constructional ceramics, ceramic nanocomposites, voids structure, dynamic loading, fracture wave.