Поведінка порошкових та композиційних матеріалів в умовах простого і складного навантаження, а також на стадії, що передує руйнуванню - Автореферат

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ПОВЕДІНКА ПОРОШКОВИХ ТА КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ В УМОВАХ ПРОСТОГО І СКЛАДНОГО НАВАНТАЖЕННЯ, А ТАКОЖ НА СТАДІЇ, ЩО ПЕРЕДУЄ РУЙНУВАННЮРобота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. Францевича НАН України, відділ "Мікромеханіки, реології та обробки тиском порошкових та композиційних матеріалів". Науковий керівник: Штерн Михайло Борисович, доктор технічних наук, провідний науковий співробітник Інституту проблем матеріалознавства ім. Офіційні опоненти: Віктор Петрович Каташинський, доктор технічних наук, старший науковий співробітник Інституту проблем матеріалознавства ім. Захист відбудеться "21" червня 2005 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 26.207.03 при Інституті проблем матеріалознавства ім.Крім стадії пресування порошків, де вирішуються проблеми первинного формування геометрії виробу та його густини, обробка тиском використовується також і як істотний елемент фінішних операцій, що серед іншого передбачає керування структурою, і є, таким чином, відповідальним за формування властивостей. Сформульовано загальні принципи побудови моделей їхнього деформування, встановлені визначальні рівняння поведінки, дано мікромеханічне обґрунтування матеріальних функцій і внутрішніх параметрів. Вони, в свою чергу, забезпечили вирішення таких важливих для технології порошкової металургії проблем як вплив схеми пресування на розподіл густини, оптимізація робочих режимів пресування (зниження тиску й енергії пресування) і конструкції інструмента, визначення форми пористої заготовки і її густини під наступне штампування. До них відносяться два типи проблем: встановлення граничних характеристик деформування пористих тіл (ресурсу пластичності при різних шляхах навантаження) і деформування пористих заготовок, матриця яких може містити вкраплення другої фази. Для досягнення поставленої мети необхідне вирішення ряду задач: на основі мікромеханічного аналізу, а також використовуючи уявлення термодинаміки незворотних процесів, визначити загальну структуру визначальних співвідношень пластичного плину порошкових матеріалів, матриця яких містить вкраплення другої фази;Відзначається прогрес у розумінні процесів пластичного плину пористих тіл і порошків. Використовуючи зазначену залежність, вдається дійти до термодинамічно коректної моделі пластичного плину порошкового композиту, якому у просторі напружень відповідає поверхня навантаження у вигляді зміщеного еліпсоїда, рівняння якого має вигляд: , (1) де и - пористість, н, ц, m і - матеріальні функції моделі. З метою їхнього визначення був проведений мікромеханічний аналіз, у ході якого в масштабі вкраплення були вирішені задачі про всебічний розтяг і стиск репрезентативного представницького елементу порошкового композиту, що являє собою відповідно тверду частку і пору, які оточені пористим шаром. Однак, внаслідок ефекту відчуження вкраплення від матриці параметр с не визначений: до початку відчуження часток він дорівнює концентрації вкраплень, після початку - він відноситься як до вкраплень, так і до пор, що утворилися в результаті відчуження. У випадку ж пластичного деформування така залежність буде іншою, оскільки звязок між напругою і деформацією буде визначатися пористістю і деформаційним зміцненням твердої фази.Скорохода сформульована умова відшарування твердого вкраплення, що не деформується, від порошкової матриці при пластичній деформації (сформульований критерій мікропошкоджуваності). Як результат застосування даного критерію було встановлено, що на відміну від відомих пружних розвязків (Ешелбі, Танака та ін.), залежність між деформацією, яка відповідає відриву вкраплення від матриці, і радіусом вкраплення при пластичному плині порошкового композиту істотно залежить від того, чи є матеріал порошку основної фази ідеально пластичним, чи таким, що пластично зміцнюється. Сформульовано узагальнену модель пластичного плину порошкового композиційного матеріалу, що, на відміну від відомих, враховує не тільки пористість, а й наявність твердих вкраплень та їхню взаємодію з порошком основної фази. На основі постулату стійкості (постулату Дракера), а також на основі запропонованої в даній роботі узагальненої моделі пластичного плину порошкового композиційного матеріалу, сформульована умова досягнення другого граничного стану (умова руйнування), що обмежує область "дозволених" напружених станів при пластичній деформації композиту з порошковою матрицею; гранична поверхня пористого матеріалу лежить поза поверхнею плину, що є замкнутою; на відміну від неї гранична поверхня обмежена лише з боку навантажень, що розтягують.Применение условия пластичности пористых тел к решению некоторых задач механики разрушения //Пробл. Прочн. Определение ресурса пластичности порошковых материалов на основе модели пластического течения пористых тел. Определение ресурса пластичности порошковых материалов на основе модели пластического течения пористых тел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ

На основі узагальнення критерію В.В. Скорохода сформульована умова відшарування твердого вкраплення, що не деформується, від порошкової матриці при пластичній деформації (сформульований критерій мікропошкоджуваності). Як результат застосування даного критерію було встановлено, що на відміну від відомих пружних розвязків (Ешелбі, Танака та ін.), залежність між деформацією, яка відповідає відриву вкраплення від матриці, і радіусом вкраплення при пластичному плині порошкового композиту істотно залежить від того, чи є матеріал порошку основної фази ідеально пластичним, чи таким, що пластично зміцнюється. У такий спосіб сформульовано обмеження на склад матеріалу, які забезпечують його деформування без руйнування.

Сформульовано узагальнену модель пластичного плину порошкового композиційного матеріалу, що, на відміну від відомих, враховує не тільки пористість, а й наявність твердих вкраплень та їхню взаємодію з порошком основної фази. Визначена залежність матеріальних функцій узагальненої теорії пластичності пористих тіл з урахуванням розподілу недосконалих границь вкраплення-матриця, а також вмісту твердих вкраплень, що дає можливість проводити розрахунки на міцність більш широкого класу композитних матеріалів.

На основі постулату стійкості (постулату Дракера), а також на основі запропонованої в даній роботі узагальненої моделі пластичного плину порошкового композиційного матеріалу, сформульована умова досягнення другого граничного стану (умова руйнування), що обмежує область "дозволених" напружених станів при пластичній деформації композиту з порошковою матрицею; гранична поверхня пористого матеріалу лежить поза поверхнею плину, що є замкнутою; на відміну від неї гранична поверхня обмежена лише з боку навантажень, що розтягують. На основі запропонованої в даній роботі умови руйнування при пластичній деформації композиту з порошковою матрицею побудовані без додаткових емпіричних чи феноменологічних припущень діаграми пластичності порошкових композиційних матеріалів для різних значень ступеня звязності на границі вкраплення-матриця. Побудовані діаграми якісно відповідають відомим експериментальним даним, що свідчить про коректність запропонованого критерію руйнування.

Шлях визначення граничних характеристик деформування пористого виробу, запропонований у даній роботі, вільний від необхідності проведення спеціальних експериментів по пластичній міцності порошкових матеріалів; це забезпечує економію дорогих матеріалів та ресурсів для проведення попередніх випробувань і звільняє від необхідності використання спеціального обладнання при проектуванні технологій пресування порошків, штампуванні пористих заготовок і екструзії виробів на основі порошкових композитів; забезпечується можливість вибору таких схем деформування, при яких вдається уникнути руйнування.

Отримані результати можуть бути використані для прогнозування феномена перепресування (виникнення щілин, що розшаровуються) при пресуванні у жорстких матрицях, оскільки внаслідок впливу зовнішнього тертя і складності геометрії виробу, спектр можливих напружених станів в обємі пресування може охоплювати стан чистого зсуву (е =0), при якому, відповідно до отриманого в роботі результату, досягнення граничного стану цілком ймовірно.

Проведена оцінка розміру пластичних зон у вершині макроскопічної щілини; показано, що розмір пластичних зон і величина коефіцієнта тріщиностійкості істотно залежать від внутрішніх параметрів матеріалу, таких як пористість, концентрація твердих вкраплень і ступінь звязності на границі вкраплення-матриця; встановлено, зокрема, що збільшення пористості сприяє зниженню значення K1c, а збільшення звязності - навпаки, збільшує значення K1c.