Микрофизические особенности разрушения при высокоскоростном импульсном нагружении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат физико-математических наук Глебовский, Петр Александрович

• Глебовский, Петр Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Глебовский, Петр Александрович

Введение. "

1. Глава 1. Особенности динамического разрушения и импульсного 16 пробоя твердых тел

1.1 .Феноменология и модели разрушения твердых тел в условиях 16 импульсного нагружения.

1.2. Феноменология и модели разрушения твердых диэлектриков в 30 условиях импульсного воздействия.

1.3.Структурная макромеханика разрушения.

2. Глава 2. Инкубационное время. 43 2.1.0 релаксационной природе инкубационного времени разрушения. 43 2.2.Феноменологическая модель микро-разрушения. Расчет времени релаксации микроразрушения.

2.3.0 возможном экспериментальном определении инкубационного 47 времени разрушения.

2.4.Континуальное описание процесса динамического разрушения.

3. Глава 3. Прогнозирование откольного разрушения твердых тел. 53 3.1 .Временная зависимость откольной прочности.

3.2.Кинетическая трактовка структурно-временного критерия 59 разрушения.

3.3.Температурная зависимость откольной прочности.

3.4.Скоростная зависимость откольной прочности.

3.5.Масштабные уровни разрушения.

4. Глава 4. Прогнозирование электрического пробоя твердых тел в 79 условиях импульсного воздействия внешней среды.

4.1.Временная зависимость электрической прочности.

4.2.Температурная зависимость электрической прочности.

4.3.Сравнение вольт-секундных характеристик различных материалов. 87 Заключение. 90 Список литературы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микрофизические особенности разрушения при высокоскоростном импульсном нагружении»

Актуальность темы диссертации. Необходимость изучения динамического разрушения не подлежит сомнению из-за важности решения многих инженерных задач. Главной отличительной чертой области высокоскоростного импульсного нагружения является тот факт, что длительность действия давлений может оказаться сравнимой со временем роста дефектов и временами процессов, происходящих на микроуровне (движением дислокаций, перемещением полимерных молекул, разворотом блоков и т.д.). Для описания динамического разрушения важно определить степень поврежденности материала и исследовать кинетику возникновения и роста микродефектов, которая, в свою очередь, определяется физическими свойствами материала и его структурой. При такой сложной картине встает вопрос о количестве стадий разрушения и условиях перехода одной стадии в другую.

К настоящему моменту, построено большое количество моделей динамического разрушения, которые носят частный характер (Никифоровский B.C., Шемякин Е.И., Канель Г.И., Новиков С.А., Молодец A.M., Дремин А.Н., Иванов А.Г., Tuler F.R., Butcher В.М., Klepaczko J.R.).

Поэтому, в диссертации рассмотрены задачи математического моделирования эффектов динамического разрушения и импульсного электрического пробоя твердых диэлектриков, с использованием структурно-временного подхода, предложенного Морозовым Н.Ф., Петровым Ю.В., Уткиным А.А. В рамках структурно-временного подхода Петровым Ю.В. сформулирован критерий инкубационного времени, основанный на введении новой характеристики материала - инкубационного времени. В зависимости от класса задач инкубационное время определяется либо кинетикой развития микродефектов, либо кинетикой размножения электронов. Поэтому определение инкубационного времени на основе данных о микрофизических особенностях материала является актуальной задачей.

Во второй главе диссертации решается задача о расчете инкубационного времени разрушения на основе данных о поврежденности материала. Показано, что, используя положения NAG-модели (Seaman L., Curran D.R., Shockey D.A.), можно рассчитать значение инкубационного времени на основе данных о начальной поврежденности образца.

С другой стороны, важно, чтобы вновь вводимые параметры, как, например, инкубационное время, были измеряемы прямыми экспериментальными методами. В диссертации обсуждается возможность экспериментального определения инкубационного времени на основе анализа измерения интенсивности света, рассеянного на микроповреждениях (Златин Н.А, Пугачев Г.С.).

Рассчитанные значения инкубационного времени были использованы для моделирования экспериментально обнаруженных эффектов откольного разрушения (Златин Н.А, Пугачев Г.С., Врагов A.M., Беллендир Э.Н., Кривошеее С.И., Красюк И.К., Учаев А.Я., Глушак Б.Л., Новиков С.А., Мещеряков Ю.И., Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е., BaumungK.). Далее, в диссертации показана связь критерия инкубационного времени с кинетической концепцией прочности.

Проблема построения модели актуальна и для изучения импульсного электрического пробоя твердых диэлектриков. На данный момент, накоплен большой объем экспериментальных данных, которые выявляют ряд принципиальных эффектов, указывающих на динамический характер импульсного электрического пробоя твердых диэлектриков. К таким эффектам относятся: «временная зависимость» электрической прочности, температурная зависимость электрической прочности, запаздывание пробоя, эффект инверсии прочности (Ханефт И.Г., Ханефт А.В., Завадовская Е.К., Сканави Г.И., Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Усов А.Ф.). Однако, для описания импульсного пробоя, предложен ряд эмпирических моделей, и пока не существует математической модели учитывающей основные закономерности процесса электрического пробоя твердых диэлектриков.

Таким образом, в диссертации впервые получена связь инкубационного времени с релаксационными микроструктурными процессами и получено совпадение расчетных данных с экспериментальными при решении задач математического моделирования эффектов динамического разрушения. Критерий инкубационного времени впервые использован для моделирования эффектов импульсного электрического пробоя твердых диэлектриков. При этом получены новые интересные теоретические результаты, имеющие широкое практическое применение.

Цель работы. Развитие структурно-временного подхода для моделирования эффектов динамического разрушения твердых тел и импульсного пробоя диэлектриков, анализ полученных результатов.

Научная новизна работы.

1. Предложен способ расчета инкубационного времени на основе учета начального состояния поврежденности среды. Установлена связь между критерием инкубационного времени и термофлуктуационной теорией прочности. Показано, что инкубационное время разрушения можно считать параметром материала при данной температуре. Предложен прямой экспериментальный метод определения инкубационного времени разрушения. Сформулирован критерий разрушения в дифференциальной форме, эквивалентный критерию инкубационного времени разрушения. : 2. Показано, что критерий инкубационного времени разрушения позволяет моделировать температурную зависимость откольной прочности и эффект масштабных уровней разрушения.

3. Дано объяснение эффектов импульсного пробоя диэлектриков: временной зависимости электрической прочности (вольт-секундной характеристики) и температурной зависимости электрической прочности. Показано, что критерий инкубационного времени позволяет сравнивать вольт-секундные характеристики различных сред и определять направление развития канала пробоя.

Достоверность результатов работы. Достоверность представленных результатов подтверждается сравнением с экспериментальными данными, а также использованием точных аналитических соотношений.

Положения, выносимые на защиту

1. Связь инкубационного времени разрушения с релаксационными процессами, происходящими в микроструктуре материала. Определение инкубационного времени на основе информации о начальной поврежденности среды. Связь инкубационного времени с параметрами кинетической концепции прочности. Возможность измерения инкубационного времени прямым экспериментальным методом.

2. Моделирование ряда принципиальных эффектов динамического разрушения материалов. Анализ масштабного эффекта. Предложение нового принципа для описания температурной зависимости прочности материала. Определение инкубационного времени для конкретных металлов и высокопрочных сплавов.

3. Применение критерия инкубационного времени импульсного пробоя для объяснения экспериментально обнаруженных эффектов при электрическом пробое твердых диэлектриков. Определение направления развития канала пробоя на границе раздела двух сред, с помощью критерия инкубационного времени пробоя.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XXVIII и XXX Международных молодежных научных конференциях "Гагаринские чтения" (Москва, 2002, 2004); международной молодежной конференции "Ломоносов - 2001" (Москва, 2001);Всероссийском конкурсе научных работ молодых ученых по механике и процессам управления, посвященном столетию со дня рождения А.И.Лурье (Санкт-Петербург, 2001); XXX, XXXI, XXXII

Международных научных летних школах "Advanced Problems in Mechanics" (АРМ 2002, 2003, 2004) (Санкт-Петербург, . Репино, 2002, 2003, 2004); Международной конференции International Symposium on Trends in Applications Mathematics to Mechanics (STAMM'2004, Seeheim, Darmstadt, Germany, 2004); научных семинарах кафедры теории упругости мат.-мех. ф-та СПбГУ под руководством акад. Н.Ф. Морозова (Санкт-Петербург).

Публикации. Полный список научных трудов по теме диссертации содержит семь наименований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 69 наименований. Работа содержит 97 страниц и 28 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Глебовский, Петр Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе показана связь инкубационного времени разрушения с релаксационными процессами, происходящими в микроструктуре материала. Предложен способ расчета инкубационного времени на основе прямого учета начального состояния поврежденности среды. Указывается возможный экспериментальный метод определения инкубационного времени разрушения. Предложена дифференциальная форма записи критерия инкубационного времени.

2. Установлена связь между критерием инкубационного времени и термофлуктуационной теорией прочности. Показано, что инкубационное время разрушения можно считать параметром материала при данной температуре. Показано, что критерий инкубационного времени разрушения позволяет описывать температурную зависимость прочности и эффект масштабных уровней разрушения.

3. С помощью критерия инкубационного времени электрического пробоя получено хорошее соответствие расчетных данных экспериментальным при описании временной зависимости электрической прочности (вольт-секундная характеристика) и температурной зависимости электрической прочности. Показано, что критерий инкубационного времени позволяет объяснить эффект внедрения разряда в твердое тело в параллельной системе диэлектриков жидкость - твердое тело.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Глебовский, Петр Александрович, 2005 год

1. Беллендир Э.Н. Экспериментальное исследование хрупкого разрушения твердых тел в волне растягивающих напряжений: Дисс. канд. физ.-мат. наук. - СПб., 1990 - 160 с.

2. Богач А.А., Г.И. Канель, С.В.Разоренов и др. Сопротивление ударно-волновому деформированию и разрушению монокристаллов цинка при повышенных температурах. // ФТТ, 1998. т.40, №10. - С. 1849-1854.

3. Бонюшкин Е.К., Глушак Б.Л., Завада Н.И. и др. Закономерности откольного разрушения металлов в режиме быстрого объемного разогрева в субмикро и субнаносекундном диапазонах долговечности. // ПМТФ, 1996. -т.37, 6.-С. 105-115.

4. Братов В.А. Исследование энергетических особенностей динамического разрушения материалов: Автореф. дис. к.ф.-м.н. СПб., 2004. - 14с.

5. Воловец Л.Д., Златин Н.А., Пугачев Г.С. Кинетика разрушения полиметилметакрилата в плоской волне растягивающих напряжений. Л.: сб. Проблемы прочности, 1979. - 55 с.

6. Воробьев А.А., Воробьев Г.А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков. М.: Высшая школа, 1966. - 234 с.

7. Глебовский П.А., Петров Ю.В. Кинетическая трактовка структурно-временного критерия разрушения. // ФТТ, 2004. -т.46, в.6. с. 1021-1024.

8. Глебовский П.А., Петров Ю.В. Критерий инкубационного времени в задачах импульсного разрушения и электрического пробоя. // ЖТФ, 2004. -Т.74, в.П.-с. 53-57.

9. Глушак Б.Л., Куропатенко В.Ф., Новиков С.А. Исследование прочности материалов при динамических нагрузках. Н.: Наука, 1992. -294 с.

10. Голубев В.К., Новиков С.А., Соболев Ю.С., Юкина Н.А. Разрушение и вязкость свинца при отколе. // ПМТФ, 1982. 6. - С.108-113.

11. Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. Разрушение и формирование структуры. // ДАН. 1978 - т.240 - №4 - с. 829-832

12. Доровский В.Н., Елесин JI.A., Платонов П.А., Тутнов А.А. Экспериментальное изучение кинетики зарождения и роста субмикротрещин в металлах. Препринт ИАЭ-3816/4. М.: ИАЭ им. И.В. Курчатова, 1983.- 17с.

13. Журков С.Н., Аббасов С.А. // Высокомол. соединения, 1961. -Т.З, №3. С. 450.

14. Журков С.Н., Бетехтин В.И., Бахитбаев А.Н. // ФТТ, 199. -Т.11, в.З. С. 690.

15. Журков С.Н. // Известия АН СССР, сер.: неорганические м-лы, 1967. Т.З, №10. - С. 226.

16. Завадовская Е.К. // ДАН СССР, 1951. т.81, №4. - С. 541.

17. Златин Н.А., Пугачев Г.С., Беллендир Э.Н., Зильбербранд E.JI. Определение прочности ПММА при одноосном растяжении длительностью 10*5с. // Ж. Техн. физ.,1984. -Т.54, в.4. С.797-802.

18. Златин Н.А., Пугачев Г.С., Мочалов С.М. и др. Временные закономерности процесса разрушения металлов при интенсивных нагрузках. // ФТТ, 1974. Т. 16, №6. - С. 1752-1755

19. Златин Н.А., Пугачев Г.С., Мочалов С.М. и др. Временные зависимости прочности металлов при долговечностях микросекундного диапазона. // ФТТ, 1975. Т. 17, №9. - С. 2599-2602

20. Златин Н.А., Песчанская Н.Н., Пугачев Г.С. О задержанном разрушении хрупких тел. // ЖТФ, 1986. Т. 56, №2. - С. 403-406

21. Калмыков А. А., Немчинов И.В., Петрухин А.И. Экспериментальное исследование разлета мгновенно нагретого вещества и возникновение импульса при концентрациях энергии меньше теплоты испарения. // ПМТФ, 1996. №6. - С.3-13.

22. Канель Г.И., Разоренов С.В. Аномалии температурных зависимостей объемной и сдвиговой прочности монокристаллов алюминия в субмикросекундном диапазоне. // ФТТ, 2001. т.43, № 5. - С. 839-845.

23. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. М.: Янус-К, 1996. -408 с.

24. Конорова Е.А., Краснопевцев В.В., Сканави Г.И. К температурной зависимости импульсной электрической прочности некоторых поликристаллических диэлектриков. // Изв. АН СССР: сер. физ., 1958.-т.22,в.4.-С. 408-413.

25. Красюк И.К. Применение лазерных ударных волн для изучения теплофизических свойств вещества. // УФН, 1999. 169, 10.

26. Куксенко B.C. Модель перехода от микро- к макроразрушению твердых тел // Физика прочн. и пластичности. 1986. -С. 36-41.

27. Куликов В. Д. Исследование механизма электрического пробоя ионных кристаллов в наносекундном диапазоне. // ЖТФ, 2003. - 73, 12. - С.26-30.

28. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. Апатиты: КНЦ, 2002. - 324 с.

29. Молодец A.M., Дремин А.Н. Термоактивационная трактовка откола. // ДАН, 1982. Т. 265, №6, - С. 1385-1389

30. Молодец A.M., Дремин А.Н. Температурная зависимость откольной прочности. // ФГВ, 1983. №5. - с. 154-158

31. Морозов Н.Ф., Петров Ю.В. Динамическая вязкость разрушения в задачах инициирования роста трещин. // Изв. АН СССР. Мех. тверд, тела. 1990 - №6 - с. 108-111

32. Морозов Н.Ф., Петров Ю.В. // ДАН, 1992. Т.324, №5. - С. 964-967.

33. Никифоровский B.C., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твердых тел. Н.: Наука, 1979. - 271 с.

34. Новиков С.А. Разрушение материалов при воздействии интенсивных ударных нагрузок. // СОЖ, 1999. №8 - С. 116-121.

35. Новожилов В.В. О необходимом и достаточном критерии хрупкой прочности. // Прикл. мат. и мех. 1969 - т.ЗЗ - в.2. - с.212-222

36. Новожилов В.В. К основам теории равновесных трещин в упругих телах. // Прикл. мат. и мех. 1969 - т.ЗЗ — в.5. - с.797-802

37. Петров Ю.В., Уткин А.А. О зависимости динамической прочности от скорости нагружения. // Физ.-хим. мех. матер. 1989 - т.25 -№2-с.38-41

38. Петров Ю.В. //ДАН СССР.- 1991 т.321. - №1 . с. 66-68

39. Петров Ю.В. «Квантовая» макромеханика разрушения твердых тел. Препринт 139. СПб: ИПМ РАН, 1996. - 51 с.

40. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. — 560 с.

41. Релаксация. Краткая химическая энциклопедия. - М.: «Советская энциклопедия», 1965.

42. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: Гос. Изд. физматлит, 1958. 907 с.

43. Степанов Г.В. Упруго пластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении. - Киев.: Наукова Думка, 1991.-с. 271

44. Учаев А.Я., Бонюшкин Е.К., Новиков С.А., Завада Н.И. Откольное разрушение металлов в режиме быстрого объемного разогрева. Обзор М.: ЦНИИатоминформ, 1991.

45. Ханефт И.Г., Ханефт А.В. Влияние длительности переднего фронта импульса напряжения на электрический пробой монокристаллов перхлората аммония// ЖТФ, 2000. 70,4. - С.42-45.

46. Цой Б., Карташов Э.М., Шевелев В.В. Прочность и разрушение полимерных пленок и волокон. М.: Химия, 1999. - 496 с.

47. Baumung К., Bluhm Н., Goel В. et al. Shock-wave physics experiments with high-power proton beams. // Laser Part Beams, 1996. 14. - p. 181-209.

48. Baumung K., Bluhm H. J., Hopp P., et al. Hypervelocity Launching And Impact Experiments On The Karlsruhe Light Ion Facility Kalif. // Int. J. Impact Engng, 1995. V. 17. - p.37.

49. Baumung K., Bluhm H., Kanel G. I. et al. Tensile strength of five metals and alloys in nanosecond load duration range at normal and elevated temperatures. // Int. J. Impact Engng, 2001. v.25. - p.631-639.

50. Broberg K.B. Some aspects of the mechanism of scabbing. // Stress Wave Propagate. Mater., N.Y. London, 1960. P. 229-246

51. Cooper R., Wallace A.A. // Proc. Phys. Soc., 1953. V.66B, №408B. - p. 1113.

52. Glebovsky P.A., Petrov Y.V. Dynamic fracture: Microstructural features.// Proc. of int. conference Advanced Problems in Mechanics-2003, p. 89-93.

53. Gurson A.L. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: Part I Yeld criteria and flow rules for porous ductile media // J. Engrg. Mater, and Tech., ASME Trans., 1977 - p. 2.

54. Hanim S., Ahzi S. A unified approach for pressure and temperature effects in dynamic failure criteria. // Int. J. of Plasticity, 2001. — 17. — P. 1215-1244.

55. Kalthoff J.F., Shockey D.A. // J. Appl. Phys, 1977. v.48/3. -P.986-993.

56. Kanel G.I., Razorenov S.V., Dennis E. Grady et al. Simulation of spall fracture of aluminium and magnesium over a wide range of load duration and temperature. // Int. J. Impact Engng, 1997. vol.20. - P. 467-478.

57. Kanel G.I. Some new data on deformation and fracture of solids under shock-wave loading. // J. Mech. Phys. Solids, 1998. V.35, N.09. - p. 1869-1886.

58. Klepaczko J.R., Nguyen H.V., Nowacki W.K. Quasi-static and dynamic shearing of sheet metals. // Eur. J. Mech. Solids, 1999. 18. - p. 271289.

59. Morozov N.F., Petrov Y.V. Dynamics of fracture. Springer, 2000. - 98p.

60. Rybakov A.P. Spall in non-one-dimensional shock waves. // Int. J. Impact Engng, 2000. 24. - p. 1041 -1082.

61. Seaman L., Curran D.R., Aidun J.B. e.a. A microstatistical model for ductile fracture with rate effects. //Nuclear Engrg. and Design, 1987. V.105. - P.35-42

62. Seaman L., Curran D.R., Shockey D.A. Computational models for ductile and brittle fracture. //J. of applied Physics, 1976. V.47, n.ll, - P. 4814-4826

63. Sun C.W., Feng S.P., Zhuang S.M. and Long X.P. Dynamic Fracture Feature in Metals under Very High Strain Rate Induced by Shock Loading//КЕМ, 1998.- 145-149-P. 273-278. www.scientific.net

64. Tuler F.R., Butcher B.M. A criterion for the time dependence of dynamic fracture. // Int. J. Fract. Mech., 1968. 4. - p.431.

65. Zaretsky E.B., Kanel G.I., Razorenov S.V., Baumung K. Impact strength properties of nickel-based refractory superalloys at normal and elevated temperatures. // Int. J. Impact Engng, article in press.