CC BY
26
дислока->го пото-лючение на под-
юм поле ИИ ¿, ее кции В, окаций, к В, не пъ возне дис-ПО ПОЛЯ
и толь-экспе-I кото-нкгно-
1 рабо-гипов: м I с; спада 500 с.
маг-
чение
тати-
ший.
lfP> ггвие Х)ЯН-
про-
ред-
)емя
йст-
2 и им-KL ГИЯ
>уз-
ей-
ПО-
ст-
юй
м-
:а-
и-
на
и-
1Я
i-
й
le
парамагнитных стопоров и продолжать движение под действием той же силы в поле меняющихся внутренних напряжений.
ЛИТЕРАТУРА
1 Альшиц В. И., Даринская Е.В., Пере калина Т.М. Урусовская А.А О движении дислокаций в кристаллах под действием постоянного магнитного поля//ФТТ. 1987 Т. 29. № 2. С. 467-471
2 Алшиц В.И., Даринская Е.В., Петржик U.A. «In situ» изучение магннтопластического эффекта в кристаллах NaCl методом непрерывного травления // ФТТ. 1991. Т. 33. № 10. С. 3001-3010.
3 Aiьшиц В.И.. Даринская Е.В.. Петр.тик Е.А. Магнитопластический эффект в кристаллах Csl и LiF // ФТТ. 1993. Т. 35. № 2. С 320
4 Ачшиц В.И., Даринская Е.В., Петржик Е.А. Магнитопластический эффект в монокристаллах алюминия // ФТТ. 1992 Т. 34. № 1. С 155-158.
5 А1шиц В.И.. Даринская Е.В., Казакова О.Л., Милина Е.Ю., Петржик Е.А. Магиитопластический эффект и спин-рсшсточиая релаксация в системе дислокация - парамагнитный центр // Письма вЖЭТФ. 1996. Т 63 № 8. С. 628-633.
6 Аньшиц В.И., Даринская Е.В., Михина Е.Ю.. Петрлсик Е.А. Влияние электрического поля на подвижность дислокаций в магнитном поле // ФТТ. 1996. Т. 38 № 8. С. 2426-2430
7. Урусовская A.A.. Смирнов A.E.. Ееккауер H.H. Макроскопический магнитопластический эффект в кристаллах NaCl и LiF. // Изв РАН. Сер. физическая. 1997. Т. 61. № 5. С. 937-940.
8 Урусовская A.A.. Альшиц В.И., Смирнов A.E.. Ееккауер Н.Н О влиянии магнитного поля на предел текучести и кинетику макропластичности кристаллов LiF // Письма в ЖЭТФ 1997 Т 65. N° 6. С. 470-474
9 Никифоров A.B., Швецова В.А., Клявин О.В.. Лихачев В.А. О пробегах дислокаций в кристаллах NaCl // ФТТ. 1976. Т. 18 № 7. С. 3152.
10 Ермолаев Г.H., Ниненко С.И.. Урусовская A.A. Характер движения дислокаций в KCI на различных этапах импульсного нагружения // ФТТ. 1989. Т. 31. №2. С. 242-244
11 Галовин Ю.И., Моргунов P.E. Влияние постоянного магнитного поля на подвижность дислокаций в монокристаллах NaCl // ФТТ. 1995 Т. 37. №5. С. 1352-1362.
12. КолОаева М.П.. Даринская Е.В., Сытин В.Н. Установка для одноосного сжатия в постоянном магнитном поле // Приборы и Техника Эксперимента. 1998. № 3. С. 151-154.
13 Алыииц В.И.. Даринская Е.В., Петржик Е.А. Микропластичность диамагнитных кристаллов в постоянном магнитном поле // Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. № 10. С. 85-88.
БЛАГОДАРНОСТИ: Авторы выражают благодарность
A.A. Урусовской за ценные советы и консультации, В.П. Киселю за помощь в подготовке образцов. Работа выполнена при
поддержке РФФИ, грант № 97-02-16327.
УДК 539.374
ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ И ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
© Д.Л. Быков
Россия, Королев Московской области, ЦНИИ машиностроения
Bykov D.L. Problems of strength and damage of constructions made from filled polymers. A method of the assessment of strength and damage of constructions made from high-filled isotropic polymers is presented.The implementation of the endochronic theory of the viscoelasticity allows the dependence of mechanical properties of the materials on equivalent stresses or strains and on a damage parameter to be accounted for and active loading and unloading processes to be distinguished. The specific dissipation is considered as a measure of damage. Extensions of the theory enable flaws, complex loading, and influence of the temperature to be taken into account. The results of performed experiments confirm the applicability of the method.
Излагается метод оценки прочности и повреждаемости конструкций из высоконаполненных изотропных полимерных материалов. Используется эндохронно нелинейная теория вязкоупругости, учитывающая зависимость свойств материала от эквивалентных напряжений или деформаций, параметра поврежденности в виде удельной рассеянной энергии и различие процессов активного нагружения и разгрузки. Обобщения теории позволяют учитывать трещиновидные дефекты, сложное нагружение и влияние температуры. Указаны эксперименты, подтверждающие практическую применимость предлагаемого метода.
При действии нагрузок разрушению материала предшествуют обратимые и необратимые изменения его структуры. Фиксированные процессы нагружения позволяют находить разрушающие напряжения и деформации, однако при произвольных нагружениях предельные напряжения и деформации зависят от конкретных изменений структуры. Эксперименты показывают, что при значительных изменениях структуры
меняются все характеристики материалов, включая предельные. Наиболее заметно это у вязких материалов, к числу которых относятся полимерные.
Будем называть повреждением материала необратимые изменения его структуры. Уровень поврежденности определяется мерой или параметром поврежденности. Для необратимых процессов, не связанных с тепло- и массопереносом, примем в качестве параметра поврежденности наполненных полимерных материалов величину удельной рассеянной энергии А.. Этот
параметр является скалярным, но с его помощью можно при необходимости учитывать приближенно также векторные или тензорные свойства поврежденности [1].
Уравнения состояния для нелинейно вязкоупругих материалов и кинетическое уравнение, определяющее А,, являются связанными. Эта система может быть записана в виде
стЛ')=} Л1 ('* (0- '* (т)) ^ *// М+
о
+ »ЛЯ2к(<)-'г‘М) Л(т);
О
30=60-1/3950, 9 = е/Д, (/.у = 1,2,3),
'»М'Мгт.МА ы*)
£*(*)=(/*(*) или Ф*М1
Л «/*(**.4*.л.) фк =ФаК-.4Н.).
(1)
где Л,ЙЛ2(/) - ядра сдвиговой и объемной релаксации; 00,80 - компоненты тензоров напряжений и деформаций; б,у - символ Кронекера; /, т - актуальное и текущее время; ГА. - приведенные времена; еА., ст* - эквивалентные сдвиговые {к = 1) и объемные (к = 2) деформации и напряжения соответственно; г|* и £а. - параметры, позволяющие различить процессы нагружения и разгрузки; по повторяющимся индексам /,у ведется суммирование от 1 до 3.
Если ядра Л|(/) и /?2(0 представимы суммами экспоненциальных функций, то мощность IV. =с1А./(11 удельной рассеянной энергии записывается в виде
И'. (')- } \ К? к (')- 'Г (т.)- (»1 ))х
Я/ Л П
Э0 (т,)х^Э0 (т2)-
-^М^(чй-«;Ь)-«,•(*.))> °1 0 0
х ¿б(т|) ¿/э(т2),
Ло(г)_^4)
(2)
Л
В работе [1] приведены выражения функций gk и аргументов ек, гц-, °а-< * даны рекомендации по
использованию функций /А. или <рА. в зависимости от видов кривых релаксации и ползучести, а также указан метод нахождения материальных функций /к из опытов на релаксацию при ступенчато меняющихся деформациях. Аналогично находятся и функции <рА. из опытов на ползучесть при ступенчато меняющихся напряжениях. При этом функции и фА. предполагались представимыми в виде произведений функций одного аргумента.
Эквивалентные напряжения и деформации определялись с учетом результатов экспериментов со сложными напряженными состояниями. В частности, использовались опыты на растяжение и сжатие образцов
в камере с давлением. Если необходимо учесть влияние высоких градиентов напряжений на локальную прочность материалов, то в качестве эквивалентного напряжения рекомендуется взять выражение
гпахст.
(3)
где ст„, - главное растягивающее напряжение, а функция связывает локальную прочность О/ и стан-
дартную прочность материала ов, определяемую при однородном напряженном состоянии
Для хрупких материалов было получено [3]
(4)
где К1с - характеристика трещиностойкости - критическое значение интенсивности напряжений, X - положительная константа, определяемая из опыта.
Изложенный здесь вариант эндохронно нелинейной теории вязкоупругости получил подтверждение при экспериментальных исследованиях наполненных полимерных материалов [I, 2]. Было получено хорошее согласование опытных данных и расчетных характеристик прочности в опытах на ползучесть, растяжение с постоянными скоростями нагружения и на ползучесть до разрушения с меняющейся последовательностью приложения нагрузок разных амплитуд. Выяснилось, что удельная рассеянная энергия влияет не только на предельные, но и на промежуточные характеристики материалов. Указанная теория предсказывает наблюдаемые в опытах «Э-образность» кривых зависимости напряжений от деформаций на участках разгрузки, а также немонотонную зависимость напряжений от деформаций при определенных скоростях нагружения вязкоупругих материалов.
Заметим, что параметр А. нельзя отождествлять с критерием прочности. Критерии разрушения материалов, имеющих повреждения, должны определяться стандартными методами на образцах, имеющих заданный уровень поврежденности. Последний достигается с помощью ускоренных испытаний из условия эквивалентности накопленных повреждений по критерию А..
В работе [1] предложен консервативный подход к построению критериев разрушения с использованием парциальных отношений параметра А, к его предельным значениям при разных видах напряженного состояния.
В заключение укажем на возможность обобщения изложенной теории. Как показали опыты, проводившиеся на металлических материалах при высоких температурах, когда проявлялась ползучесть, сложное нагружение, а также начальные напряжения и диффузионные процессы, протекающие в материалах из-за взаимодействия с окружающей средой, влияют на величину рассеянной энергии. Поэтому для расширения
пределов применимости изложенной теории необходимо допустить, что функции /А. и фА. помимо указанных могут зависеть и от других аргументов. В частности, они могут зависеть от температуры, как это указано в [2], а также от кривизны траекторий нагружения [4] и параметров диффузии.
Эти уточнения оправданы лишь при решении конкретных задач, когда имеется соответствующая априорная информация. В остальных случаях сложность экспериментального определения функций многих переменных, а также решения задач обобщенной теории могут затруднить получение практически важных результатов.
Рациональное использование теории повреждений предполагает наличие алгоритмов расчета реальных конструкций и идентификации всех входящих в нее
функций и функционалов. Для предложенной теории эти вопросы решены численными методами Д.Н. Коноваловым (ЦНИИ машиностроения).
ЛИТЕРАТУРА
1. 1>ык(м Д.Л. Об учете повреждений в наполненных полимерных материалах // Изв. АН МТТ. 1998. № 1. С. 19-27
2. Bykov D.L. Some Basic Problems of Structural Integrity Assurance of Solid Propellant Grains. Propulsion in Space Transportation // 5a Symposium International. Actes Proceedings. 1996. P. 2.41-2 48
3. Леган M.A. О взаимосвязи градиентных критериев локальной прочности в зоне концентрации напряжений с линейной механикой разрушения//ПМТФ. 1993. N«4. С. 146-154.
4 Илыошин А.А Пластичность. АН СССР, 1963. 271 с.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант 97-01-00-629.
УДК 539.2
ДВОЙНИКОВАНИЕ, СОПУТСТВУЮЩЕЕ РАЗРУШЕНИЮ МОНО- И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОЦК-СПЛАВА Fe+3,25 % Si В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 77-473 К © В.А. Федоров, С.Н. Плужников, А.П. Королев
Россия. Тамбов. Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина
Feodorov V.A., Plushnikov S.N., Korolev А.Р. Attendant Twinning of Single- and Polycrystalline BCC-Alloy Fe+3,25 % Si in the Temperature Range of 77+473 K. Some mechanisms of initiation and evolution of attendant twins were studied. The influence of temperature on number of attendant twins with the different rates of deformation was determined. The contribution of twinning in general deformation of single- and polycrystalline samples was evaluated.
Известно [1], что одной из особенностей распространения трещины в двойникующихся ОЦК-металлах является образование сопутствующих двойников, порождаемых самим разрушением.
Физические закономерности зарождения и формирования сопутствующих двойников и их влияние на характер движения трещины изучены мало. Между тем, многократное, самопроизвольное возникновение этих дефектов в области вершины быстрой трещины способно спонтанно, непредсказуемо изменять напряженное состояние в ее кончике, а следовательно, механизм, динамику и кинетику разрушения. При благоприятных условиях сопутствующие двойники могут оказаться единственным инструментом для перевода магистральных, закритических трещин в неопасную квазистатическую стадию, способствуя их самоторможению [2].
В настоящей работе проведены сравнительные испытания по двойникованию, сопутствующему разрушению ОЦК-сплава Ре+3,25 % моно- и поликри-сталлических образцов, а также исследованы некоторые закономерности образования и развития сопутствующих двойников в интервале температур 77+473 К при различных скоростях нагружения.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В экспериментах в качестве монокристаллов использовали крупнозернистое кремнистое железо (раз-
мер зерна до 50+60 мм в диаметре) с содержанием кремния 3,25 %. После шлифовки и полировки образцы отжигали при 1073+1173 К в течение 4+5 часов в ва-кууме НО^+Ю-4 мм рт. ст.). Размер монокристальной рабочей зоны составлял 25x13x0,35 мм.
В качестве поликристаллов использовали мелкозернистое кремнистое железо (диаметр зерна 0,05+1,4 мм) с содержанием кремния 3,25 %. Около 70 % всех зерен имели диаметр 0,1+0,6 мм. Количество зерен с диаметром более 1,2 мм не превышало 1 %. Образцы также подвергались механической шлифовке и полировке. Размер поликристаллической рабочей зоны образцов составлял 40x12x0,35 мм.
Растяжение монокристаплических образцов проводили со скоростями деформирования 8 =410 с'1 и 8 = 8• 10'1 с'1, поликристаллических - со скоростями 8 =8-10“4 с*1 и ё = 410"2 с'1.
Для охлаждения образцов до низких температур использовали жидкий азот, смесь жидкого азота с этиловым спиртом и сухой лед. Нагрев образцов осуществлялся электроспиралью. Во всех случаях температура измерялась термопарой.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Разрушение зерен поликристаллических образцов, вследствие их различной ориентировки по отношению к оси растяжения, можно рассматривать как всевоз-
