Процессы деформации и разрушения в поликристаллах алюминиевых сплавов при динамическом нагружении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Сергеев Максим Владимирович

• Сергеев Максим Владимирович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Сергеев Максим Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Моделирование динамического деформирования поликристаллических алюминиевых сплавов

1.2 Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов

1.3 Выводы по первой главе

2 МОДЕЛЬ ДЕФОРМИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ЯВНЫМ УЧЕТОМ ТРЕХМЕРНОЙ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ

2.1 Методика генерации поликристаллических структур

2.1.1 Процедура генерации структур методом пошагового заполнения

2.1.2 Генерация структур на стороне набегания

2.1.3 Генерация структур на стороне отхода

2.2 Постановка задачи, начальные и граничные условия

2.2.1 Плоская деформация и трехмерная постановка

2.2.2 Модели пластической деформации и разрушения в квазистатической и динамической постановках

2.2.3 Начальные и граничные условия

2.2.4 Особенности численной реализации методом конечных разностей

2.3 Валидация параметров моделей

2.3.1 Упругие и пластические свойства материалов при квазистатических нагрузках

2.3.2 Параметры релаксационного определяющего уравнения при моделировании динамического деформировании поликристаллов

2.4 Достоверность и верификация результатов расчетов и численной модели

2.4.1 Сходимость решения задачи для процессов локализации пластической деформации и разрушения

2.4.2 Скорость распространения упругой волны

2.5 Выводы по второй главе

3 ВЛИЯНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НА ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

3.1 Структура и характер деформирования и разрушения образцов со сварными соединениями на макроуровне

3.2 Особенности пластической деформации и разрушения структуры на мезоуровне, связанной с поликристаллическим строением на стороне отхода

3.3 Характер разрушения и прочность поликристаллических структур с различной степенью разупорядоченности. Зона термомеханического влияния на стороне набегания

3.4 Выводы по третьей главе

4 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ В ПОЛИКРИСТАЛЛАХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ НАГРУЖЕНИЯ

4.1 Влияние поликристаллической структуры на локализацию пластической деформации

4.2 Влияние скорости нагружения на степень и характер разрушения поликристаллических образцов

4.3 Влияние стесненных условий деформирования на характер разрушения поликристаллического алюминия при различных скоростях нагружения

4.4 Особенности разрушения при растяжении и сжатии

4.5 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы деформации и разрушения в поликристаллах алюминиевых сплавов при динамическом нагружении»

Актуальность темы

Алюминиевые сплавы широко применяются в авиации, автомобильной промышленности, судостроении, а также в производстве спортивного и бытового оборудования и многих других сферах. В процессе эксплуатации указанные материалы испытывают сложные термомеханические воздействия, характеризующиеся широким диапазоном скоростей нагружения [1, 2]. Для получения достоверного результата прогнозирования деформации и разрушения таких материалов требуются математические модели, учитывающие особенности их поликристаллической структуры и чувствительность материала к скорости деформации.

В промышленности широкое применение нашли алюминиевые сплавы серии 6061 (аналог отечественного АД33), в частности, в термообработанном состоянии Т6 [1, 3]. Традиционные методы сварки таких сплавов, как правило, приводят к существенному снижению их прочностных характеристик в зоне шва. В связи с этим, альтернативным методом соединения алюминиевых сплавов является сварка трением с перемешиванием (СТП), отличающаяся рядом преимуществ, таких как высокая прочность сварного соединения, отсутствие фазовых превращений и деформаций, характерных для традиционных методов сварки [1, 2]. В материалах с такими соединениями ярко выражена неоднородность поликристаллической структуры. За счет перемешивания в зонах термомеханического влияния на сторонах отхода, где направление вектора скорости вращения рабочего инструмента совпадает с направлением сварки, и набегания, где этот вектор противоположно направлен, образуется сложная иерархически организованная поликристаллическая структура с зернами различных размеров и формы. Такая морфологическая анизотропия поликристаллической структуры может влиять на степень и характер локализации пластической деформации и разрушения сварных соединений и приводить к преждевременной потере прочности.

Учитывая вышесказанное, исследования, которые стремятся выявить закономерности процессов деформации и разрушения алюминиевых сплавов, учитывая их поликристаллическую структуру, в том числе при динамическом нагружении являются актуальными.

Степень разработанности темы

Данная работа выполнена в рамках перспективного научного направления -физической мезомеханики материалов. Это направление, зародившееся в конце ХХ века в Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (г. Томск), интенсивно развивается на границе физики, механики деформируемого твердого тела и материаловедения. Основателем направления является академик В.Е. Панин. В рамках мезомеханики определяющая роль принадлежит границам раздела, вблизи которых при деформировании материалов возникают опасные концентрации напряжений и локализация пластической деформации. Численное моделирование является важным дополнением к экспериментам и позволяет изучать эволюцию НДС внутри объема материала в процессе нагружения, что экспериментально труднореализуемо, а во многих случаях невозможно осуществлять. Первые работы в России в области моделирования с явным учетом структуры материала были проведены в ИФПМ СО РАН в 1990-е годы под руководством докторов наук П.В. Макарова и С.Г. Псахье континуальными и дискретными методами механики, соответственно. В последующие годы данное направление активно развивалось в мире, прежде всего, благодаря интенсивному развитию вычислительной техники, постоянно нарастающие возможности которой позволяют проводить численные расчеты с достаточной детализацией особенностей структуры материала, обрабатывать и анализировать полученные результаты с большими массивами данных. Сегодня такие исследования являются передовыми в области вычислительной механики и материаловедения и активно проводятся в ведущих центрах России, Китая, Европы и США. Несмотря на значительный объем исследований, посвященных деформированию поликристаллических материалов, на сегодняшний день отсутствуют комплексные модели, способные адекватно описать поведение материала с учетом совокупного влияния таких факторов, как

поликристаллическая структура, скорость деформации, температура, локализация пластической деформации, развитие трещин и стесненных условий деформирования. Существующие работы в основном фокусируются на изучении отдельных аспектов этой проблемы, таких как влияние температуры [4-6] и скорости деформации [7-9] на деформацию поликристаллических материалов, с использованием методов конечных элементов и молекулярной динамики. Существующие исследования [10-11] в области динамического деформирования поликристаллических материалов, таких как алюминиевые сплавы серии 6061, преимущественно фокусируются на определении анизотропных механических свойств на основе данных EBSD-анализа, без учета разрушения. Параллельно проводятся исследования локализации пластической деформации и разрушения в поликристаллических материалах при квазистатических нагрузках [12-16].

Разработке определяющих уравнений для описания скорости пластических сдвигов посвящено большое количество зарубежных и отечественных работ. Определяющие модели можно условно разделить на макрофеноменологические (Johnson-Cook, Khan-Huang, Khan-Huang-Liang, Bodner-Partom, Fields-Backofen, и др.) и физически обоснованные (Zerilli-Armstrong, Preston-Tonks-Wallace, Rusinek-Klepaczko, Voyiadjis-Almasri и др.). Всесторонний обзор многоуровневых и континуальных моделей, неявно учитывающих зеренную структуру материала, разработанных отечественными и зарубежными исследователями, представлен в [16].

Ввиду возможности создания неразъемных соединений без плавления сварка трением с перемешиванием (СТП) находит широкое применение в авиакосмической и автомобильной отраслях. При этом механизмы деформирования и разрушения материала в зонах СТП соединений остаются дискуссионными и требуют дополнительного изучения. Основные исследования проводятся экспериментально и направлены на подбор оптимальных режимов СТП методом простого варьирования параметров сварки [17-26].

Существующие модели, посвященные сварке трением с перемешиванием, в основном сосредоточены на воспроизведении процесса сварки, анализе

термомеханического состояния и изучении изменений микроструктуры, вызванных движением инструмента [27-34]. Несмотря на значительный прогресс в этих направлениях, моделирование механического нагружения СТП-соединений с учетом их поликристаллической структуры остается недостаточно изученным вопросом. Существующие работы [27, 35-38] в основном ограничиваются упрощенными моделями, не учитывающими влияние микроструктуры на механические свойства соединения. В некоторых работах применяется многоуровневый подход, но он не отражает в полной мере влияние поликристаллов [28, 39].

Цель диссертации - исследовать закономерности процессов деформации и разрушения в поликристаллических структурах алюминиевых сплавов при квазистатических и динамических нагрузках.

Для выполнения цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести аналитический обзор отечественных и зарубежных литературных источников и изучить накопленный опыт в области численных исследований влияния скорости деформации, поликристаллической структуры, внешних граничных условий, температуры на процессы деформирования и разрушения алюминиевых сплавов;

2. Разработать структурно-механическую модель поликристаллов алюминия, учитывающую чувствительность материала к скорости деформирования с учетом деформационного упрочнения, стесненным граничным условиям, температуре, неоднородной поликристаллической структуре в явном виде, а также разрушению;

3. Разработать модель генерации поликристаллических структур в ядре и зоне термомеханического влияния (ЗТМВ);

4. Выполнить численную реализацию структурно-механической модели и провести тестовые расчеты в двумерной и трехмерной постановках;

5. На примере алюминиевого сплава 6061-Т6 исследовать закономерности пластического деформирования, процессы зарождения и

распространения трещин в поликристаллах в зависимости от скорости и стесненности условий деформирования;

6. Численно исследовать влияние формирующейся на стороне набегания специфической поликристаллической структуры сварного шва при СТП на прочность материала в зоне перемешивания;

7. Изучить влияние структурной неоднородности и особенности межзеренных границ на мезоуровне и границ между зонами сварного соединения на макроуровне на характер и степень растрескивания, а также на особенности локализации деформации в сварных соединениях алюминиевых сплавов на стороне отхода.

Научная новизна

Наиболее значимыми объектами научной новизны, впервые полученными в рамках исследования, являются следующие:

1. Реализована структурно-механическая модель, одновременно учитывающая структуру в явном виде, скорость деформирования и разрушение. В соответствие экспериментам выбраны параметры модели для алюминиевого сплава. Разработаны процедуры генерации поликристаллических структур с характерными особенностями морфологической анизотропии, наблюдаемой экспериментально в зонах сварного соединения на сторонах набегания и отхода.

2. Установлено, что в ходе деформации поликристаллической структуры с вытянутыми зернами в ЗТМВ на стороне отхода наблюдается динамическая миграция зон максимальной локализации пластической деформации. Поэтому, место зарождения трещины зависит от прочности материала.

3. Показано, что структурный фактор, связанный с упорядоченностью поликристаллической структуры в ЗТМВ на стороне набегания, повышает прочность материала. Данный эффект усиливается при повышении скорости деформирования.

4. Показано, что повышение скорости деформирования приводит к множественному растрескиванию и вызывает изменение места зарождения

первичной трещины, так как влияние волновой динамики усиливается и становится преобладающим над фактором структурной неоднородности.

5. Установлено, что стесненные условия ускоряют процесс разрушения материала при низких скоростях нагружения во всем диапазоне деформаций, а при средних и высоких скоростях могут замедлять растрескивание.

Теоретическая и практическая значимость работы

Полученные результаты и сделанные выводы относительно влияния скорости деформации, структурной неоднородности и стесненных условий деформирования на разрушение алюминиевых сплавов имеют фундаментальное значение и улучшают понимание процессов деформирования в структурно-неоднородных средах.

Результаты исследований в области упорядоченности структуры и локализации пластической деформации и разрушения алюминиевых сплавов, полученных методом СТП, являются важными для оптимизации процесса СТП и повышения качества соединений.

Результаты могут быть использованы в различных отраслях промышленности, включая автомобильную, судостроительную, аэрокосмическую, энергетическую и другие, для создания более прочных и долговечных конструкций, повышению эффективности производства и уменьшению затрат на материалы и производственные ресурсы.

Разработанные программы и подпрограммы могут быть использованы в ВУЗах и Институтах для обучения студентов старших курсов и аспирантов методам механики структурно-неоднородных материалов.

Методология и методы исследования

Численное моделирование проводилось в рамках подходов механики структурно-неоднородных сред с явным учетом структуры материала [12-16]. Трехмерные и двумерные поликристаллические структуры были сгенерированы методом пошагового заполнения, разработанным в [12] и модифицированным в данной работе. Для анализа деформации и разрушения поликристаллических алюминиевых сплавов применяется трехмерная структурно-механическая модель.

Модель включает термомеханическое релаксационное определяющее уравнение для многомерных течений и деформационный критерий разрушения. Краевые динамические задачи механического нагружения поликристаллических структур решаются численно в двумерной постановке методом конечных разностей (Уилкинс) с помощью собственных разработанных программных кодов, в трехмерной постановке - методом конечных элементов коммерческого пакета ABAQUS/Explicit с использованием разработанных подпрограмм УиМАТ и применением алгоритмов параллельных вычислений.

На защиту выносятся

1. Структурно-механическая модель алюминиевых сплавов, учитывающая характеристики поликристаллической структуры в явном виде, скорость деформирования и разрушение. Параметры релаксационной модели для сплава А16061-Т6. Процедуры построения поликристаллических структур материала в различных зонах сварного соединения алюминиевого сплава, полученного трением с перемешиванием.

2. Выявленные при численном моделировании закономерности локализации пластической деформации и разрушения в СТП соединениях алюминиевых сплавов, связанные со скоростью деформирования, степенью упорядоченности и морфологией поликристаллической структуры.

3. Результаты численного моделирования локализации деформации и разрушения в поликристаллическом алюминии при различных скоростях деформирования, связанные с характером зарождения и распространением трещин и стесненностью условий деформирования.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов

Применение фундаментальных законов механики деформируемых твердых тел и проверенных вычислительных методов обеспечивает достоверность и обоснованность результатов исследования. Результаты не противоречат общепринятым представлениям механики структурно-неоднородных сред, подтверждаются экспериментами и данными, полученными другими авторами, а

также проведением расчетов на сеточную сходимость и сравнением численных решений с аналитическими оценками.

Личный вклад автора

Автор самостоятельно выполнил поиск и анализ научной литературы по теме исследования, провел расчеты, обработал и проанализировал полученные результаты. Совместно с научным руководителем определил задачи диссертации, сформулировал выводы и основные положения, подготовил научные статьи по теме исследования.

Апробация работы Результаты исследования, проведенного в рамках диссертационной работы, представлялись и обсуждались на 22 научных конференциях международного и всероссийского уровня, таких как:

- Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», Новосибирск-Шерегеш (2018, 2020, 2021 гг.);

- Всероссийская молодежная научная конференция «Все грани математики и механики», Томск (2018 г.);

- XII Международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург (2018 г.);

- International Summer School-Conference «Advanced Problems in Mechanics 2018», Санкт-Петербург (2018, 2019 гг.);

- X Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» Томск (2018 г.);

- Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», Томск (2018, 2019 гг.);

- VIII молодежная научная конференция «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики», Томск (2018 г.);

- European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes. Стокгольм (2019 г.);

- Всероссийская школа-конференция молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь (2019, 2020 гг.);

- XVII Российская студенческая конференция «Физика твердого тела», Томск (2020 г.);

- Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», Томск (2020, 2021, 2022, 2023 г.);

- XXIII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (YM-2022), Новосибирск (2022 г.);

- XXVIII Всероссийская конференция по численным методам решения задач теории упругости и пластичности, Красноярск (2023 г.);

- XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Санкт-Петербург (2023 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 5 статей в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (из них 1 статья в зарубежном научном журнале, входящем в Web of Science, 4 статьи в российских научных журналах, переводные версии которых входят в Web of Science), 5 статей в сборниках материалов конференций, представленных в изданиях, входящих Web of Science и / или Scopus.

Связь работы с научными программами и темами

Список НИР, в рамках которых проводились исследования, представленные в диссертационной работе, включает следующие проекты и гранты:

- Проект государственного задания для ИФПМ СО РАН FWRW-2021-0002 «Научные основы создания цифровых двойников материалов и сред с иерархической композиционной структурой и программные средства для их виртуального тестирования в условиях статических и динамических термомеханических воздействий».

- Проект государственного задания для ИФПМ СО РАН Ш.23.1.1. «Мезомеханика самоорганизации процессов в мультискейлинге нелинейных иерархических структур и научные основы аддитивных технологий создания многослойных материалов»;

- Проект, поддержанный грантом РФФИ «Мезомеханика границ раздела в соединениях алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием», № 16-01-00469 А, 2018 г.;

- Проект, поддержанный грантом РФФИ «Разработка подхода компьютерного моделирования для оценки влияния технологических параметров на структуру и механические свойства аддитивных материалов», № 18-501-12020, 2018-2020 гг.;

- Проект, поддержанный грантом РНФ «Разработка иерархических моделей деформации и разрушения металлокерамических композитных покрытий с учетом эволюции остаточных напряжений», № 18-19-00273, 2018-2020 гг.;

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и списка литературы из 88 наименований. Работа изложена на 115 страницах, включая 61 рисунок и 3 таблицы.

Во введении обоснована актуальность и степень разработанности темы исследования. Сформулированы цель работы и задачи, необходимые для ее достижения. Раскрыта научная новизна, описаны теоретическая и практическая значимость работы, а также методология и методы исследования. Приведены положения, выносимые на защиту, обоснована достоверность и обоснованность результатов и выводов. Описан личный вклад автора в диссертационное исследование, приведена информация об апробации работы и ее связи с научными

программами и темами. Также изложено краткое содержание работы по главам. В конце введения приводятся благодарности.

В первой главе диссертации проведен исчерпывающий анализ научной литературы, посвященной экспериментальным и теоретическим исследованиям динамического деформирования поликристаллических алюминиевых сплавов.

Вторая глава диссертации посвящена математической постановке задачи и особенностям численной реализации. Приведена общая система уравнений механики сплошных сред, включающая законы сохранения количества движения, массы, соотношения для деформаций и определяющие уравнения, описывающие среду.

Приведена методика генерации поликристаллических структур методом пошагового заполнения для двух- и трехмерных образцов (раздел 2.1). В разделе 2.2 представлена математическая постановка задачи, начальные и граничные условия. Описано термомеханическое релаксационное определяющее уравнение, определены параметры модели на основе экспериментальных данных (раздел 2.3). В разделе 2.4 исследована сходимость решения задачи для процессов локализации пластической деформации и разрушения, обоснована достоверность результатов моделирования.

В третьей главе работы исследовано влияние поликристаллической структуры на прочность сварных соединений алюминиевых сплавов, полученных трением с перемешиванием. В разделе 3.1 исследована локализация пластической деформации и разрушения в различных областях сварного соединения на макроуровне без учета поликристаллической структуры. В разделе 3.2 в ЗТМВ на стороне отхода проведено исследование зависимости локализации пластического течения и места зарождения разрушения от морфологии поликристаллической структуры. В разделе 3.3 изучено влияние упорядоченности поликристаллической структуры на характер разрушения и прочность материала в зоне термомеханического влияния на стороне набегания сварного соединения.

В четвертой главе проведен численный анализ влияния поликристаллической структуры, скорости деформации и стесненных условий

деформирования на механическое поведение алюминия при пластическом деформировании (раздел 4.1) и разрушении (раздел 4.2).

В заключении отражены основные результаты и сформулированы выводы по результатам диссертационного исследования.

Благодарности

Автор считает необходимым выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю, доктору физико-математических наук Р.Р. Балохонову за неоценимую помощь, советы, конструктивную критику и терпение на всех этапах работы над диссертацией. Особую признательность автор хотел бы выразить доктору физико-математических наук В.А. Романовой за полезные замечания и предложения, которые стали бесценной помощью в совершенствовании исследования. Также автор считает своим долгом поблагодарить всех преподавателей и сотрудников физико-технического факультета Томского государственного университета и коллектив лаборатории механики структурно-неоднородных сред Института физики прочности и материаловедения СО РАН, чьи лекции и семинары расширили кругозор автора и дали фундаментальные знания, необходимые для написания этой диссертации. Автор также признателен кандидату физико-математических наук Е.С. Емельяновой за всестороннюю помощь и поддержку.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Моделирование динамического деформирования поликристаллических

алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы, благодаря их высокой удельной прочности активно используются в различных промышленных секторах, включая автомобильную, авиационную и аэрокосмическую промышленности [1, 2]. В процессе их эксплуатации данные материалы подвергаются воздействиям температурного и механического характера при различных скоростях нагружения. В числе наиболее востребованных алюминиевых сплавов следует выделить серию 6061, по своим свойствам схожую с отечественным аналогом АД33. Особую популярность среди сплавов серии 6061 имеет модификация A16061T6 [1, 3]. Для изучения поведения таких сплавов при нагрузках, характерных для условий эксплуатации, необходимо применение релаксационных определяющих соотношений. Существующие релаксационные модели традиционно подразделяются на две категории: макрофеноменологические и физически обоснованные [16, 40].

В основе параметров макрофеноменологических моделей лежат эмпирические данные, не отражающие физические механизмы деформации. Эти модели лишь описывают зависимости методом аппроксимации. Применение макрофеноменологических моделей, как правило, ограничено узким диапазоном условий деформирования, при которых результаты численного моделирования удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Следовательно, каждая такая модель, как правило, калибруется для конкретного сплава или ограниченного класса материалов, что существенно ограничивает область их применения [41].

Для описания процессов деформирования материалов широко используются макрофеноменологические модели, такие как Джонсона-Кука (Johnson-Cook) [42], Хана-Хуана (Khan-Huang) [43], Хана-Хуана-Лянга (Khan-Huang-Liang) [44], Боднера-Партома (Bodner-Partom) [45], Филдс-Бэкофена (Fields-Backofen) [46] и

другие. Несмотря на разнообразие существующих моделей, для повышения точности прогнозирования они часто подвергаются модификации с учетом экспериментальных данных и специфики конкретного материала [41, 47, 48].

Во время процесса деформации при высокой температуре или высокой скорости деформации внутренняя микроструктура материала сильно изменяется, и макрофеноменологические модели не могут учесть влияние данных явлений на процесс деформирования. Данных недостатков лишены физически обоснованные модели, которые учитывают физические механизмы деформации, такие как динамика дислокаций и термическая активация [41].

В основе физически обоснованных определяющих моделей лежат принципы физики, описывающие поведение материалов. Эти модели часто основаны на теориях термодинамики, концепции термически активированного движения дислокаций и кинетике скольжения. В сравнении с макрофеноменологическими моделями, физически обоснованные модели позволяют более точно моделировать процессы деформации и разрушения материалов в широком диапазоне условий нагрузки. Это достигается за счет использования физических закономерностей и учета большего числа материальных констант.

В настоящее время существует широкий спектр физически обоснованных моделей, среди которых можно выделить модели Зерилли-Армстронга (Zerilli-Armstrong) [49], динамической рекристаллизации [50], Престона-Тонкса-Уоллеса (Preston-Tonks-Wallace) [51], модель Русинека-Клепачко (Rusinek-Klepaczko) [52], модель Вояджиса-Альмасри (Voyiadjis-Almasri) [53].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сергеев Максим Владимирович, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Aluminum and Aluminum Alloys ASM specialty handbook/ edited by J.R. Davis. - Chagrin Falls, Ohio: ASM International, 1993. - 784 p.

2 Benedyk J. C. Aluminum alloys for lightweight automotive structures / J. C. Benedyk // Design and Manufacturing for Lightweight Vehicles, 1st Edition. - Woodhead Publishing / J. C. Benedyk. - USA, 2010. - P. 79-113.

3 Estrin Y. Ultrafine-grained aluminium alloys: processes,structural features and properties / Y. Estrin, M. Murashkin, R. Valiev // Fundamentals of Aluminum Metallurgy. - UK: Woodhead Publishing, 2010. - P. 468-497.

4 Liu X. Multiscale modeling of crystal plastic deformation of polycrystalline titanium at high temperatures / X. Liu, W.K. Sun, K.M. Liew // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. - 2018. - Vol. 340. - P. 932-955.

5 Plastic deformation mechanisms of tension-compression asymmetry of nanopolycrystalline tial: Twin boundary spacing and temperature effect / Y. Tian, J. Ding, X. Huang [et al.] // Computational Materials Science. - 2020. - Vol. 171. - Article number 109218. - 10 p. - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025619305178 (access date: 15.01.2024).

6 A three dimensional (3D) thermo-elasto-viscoplastic constitutive model for FCC polycrystals / E. D. Cyr, M. Mohammadi, R.K. Mishra, K. Inal // International Journal of Plasticity. - 2015. - Vol. 70. - P. 166-190.

7 Strain-rate-sensitive mechanical response, twinning, and texture features of NiCoCrFe high-entropy alloy: Experiments, multi-level crystal plasticity and artificial neural networks modeling / T.J. Gao, D. Zhao, T.W. Zhang [et al.]// Journal of Alloys and Compounds. - 2020. - Vol. 845. - Article number 155911. - 14 p. - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838820322751 (access date: 15.01.2024).

8 Effects of tensile strain rate and grain size on the mechanical properties of nanocrystalline T-carbon / Y. Wang, J. Lei, L. Bai [et al.] // Computational Materials

Science. - 2019. - Vol. 170. - Article number 109188. - 8 p. - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025619304872 (access date: 15.01.2024).

9 Zhang T. Strain rate effect on plastic deformation of nanocrystalline copper investigated by molecular dynamics / T. Zhang, K. Zhou, Z. Chen // Materials Science and Engineering: A. - 2015. - Vol. 648. - P. 23-30.

10 Developing anisotropic yield models of polycrystalline tantalum using crystal plasticity finite element simulations / H. Lim, H. Jong Bong, S.R. Chen, T.M. Rodgers, C.C.Battaile, J.M.D. Lane // Materials Science and Engineering: A. - 2018. - Vol. 730. - P. 50-56.

11 Crystal plasticity extended models based on thermal mechanism and damage functions: Application to multiscale modeling of aluminum alloy tensile behavior / P. Hu, Y. Liu, Y. Zhu, L. Ying // International Journal of Plasticity. - 2016. - Vol. 86. - P. 125.

12 Romanova V.A. A method of step-by-step packing and its application in generating 3D microstructures of polycrystalline and composite materials / V.A. Romanova, R.R. Balokhonov // Engineering with Computers. - 2021. - Vol. 37. - P. 241-250.

13 Evolution of Mesoscopic Deformation-Induced Surface Roughness and Local Strains in Tensile Polycrystalline Aluminum / V.A. Romanova, R.R.Balokhonov, V.S. Shakhidzhanov [et al.] // Physical Mesomechanics. - 2021. - Vol. 24, №№ 5. - P. 570-577.

14 A computational study of the effects of polycrystalline structure on residual stress-strain concentrations and fracture in metal-matrix composites / R. Balokhonov, V. Romanova, O. Zinovieva, E. Dymnich // Engineering Failure Analysis. - 2022. - Vol. 138. - Article number 106379. - 12 p. - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630722003533 (access date: 15.01.2024).

15 Microstructure-based analysis of residual stress concentration and plastic strain localization followed by fracture in metal-matrix composites / R. Balokhonov, V. Romanova, O. Zinovieva, A. Zemlianov // Engineering Fracture Mechanics. - 2021. -

Vol. 259. - Article number 108138. - 15 p. - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013794421005439 (access date: 15.01.2024).

16 Трусов П.В. Эволюция зеренной структуры металлов и сплавов при интенсивном пластическом деформировании: континуальные модели / П.В. Трусов, Т.В. Останина, А.И. Швейкин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2022. - № 1. - С. 123-155.

17 Recent research progress in solid state friction-stir welding of aluminiummagnesium alloys: a critical review / V.P. Singh, S. K. Patel, A. Ranjan, B. Kuriachen // Journal of Materials Research and Technology. - 2020. - Vol. 9, is. 3. - P. 6217-6256.

18 Mishra R.S. Friction stir welding and processing / R.S. Mishra, Z.Y. Ma // Materials Science and Engineering: R. - 2005. - Vol. 50. - P. 1-78.

19 Evolution of microstructure and mechanical properties in naturally aged 7050 and 7075 Al friction stir welds / C. B. Fuller, M.W. Mahoneya, M. Calabresea, L. Micona // Materials Science and Engineering: A. - 2010. - Vol. 527. - P. 2233-2240.

20 Relationship between material flow and abnormal grain growth in friction-stir welds / S. Mironov, K. Masaki, Y.S. Sato, H. Kokawa // Scripta Materialia. - 2012. -Vol. 67. - P. 983-986.

21 Liu H.J. Effect of welding speed on microstructure and mechanical properties of self-reacting friction stir welded 6061-T6 aluminum alloy / H. J. Liu, J.C. Hou, H. Guo // Materials and Design. - 2013. - Vol. 50. - P. 872-878.

22 Understanding the material flow path of friction stir welding process using unthreaded tools / O. Lorraina, V. Favier, H. Zahrounic, D. Lawrjaniec // Journal of Materials Processing Technology. - 2010. - Vol. 210. - P. 603-609.

23 Microstructure mapping in friction stir welds of 7449 aluminium alloy using SAXS / M. Dumont, A. Steuwer, A. Deschamps [et al.] // Acta Materialia. - 2006. - Vol. 54. - P. 4793-4801.

24 Muthua M.F.X. Tool travel speed effects on the microstructure of friction stir welded aluminum-copper joints / M.F.X. Muthua, V. Jayabalan // Journal of Materials Processing Technology. - 2015. - Vol. 217. - P. 105-113.

25 Aval H.J. Influences of pin profile on the mechanical and microstructural behaviors in dissimilar friction stir welded AA6082-AA7075 butt joint / H. J. Aval // Materials and Design. - 2015. - Vol. 67. - P. 413-421.

26 Rao H.M. Effect of process parameters on mechanical properties of friction stir spot welded magnesium to aluminum alloys / H.M. Rao, W. Yuan, H. Badarinarayan // Materials and Design. - 2015. - Vol. 66. - P. 235-245.

27 Optimization of microstructural and mechanical properties of friction stir welding using the cellular automaton and Taguchi method / M.H. Shojaeefard, M. Akbari, A. Khalkhali [et al.] // Materials and Design. - 2014. - Vol. 64. - P. 660-666.

28 Integrated modeling of friction stir welding of 6xxx series Al alloys: Process, microstructure and properties / A. Simar, Y. Bréchet, B. de Meester [et al.] // Progress in Materials Science. - 2012. - Vol. 57. - P. 95-183.

29 A new algorithm based on Moving Least Square method to simulate material mixing in friction stir welding / A. Timesli, B. Braikat, H. Lahmam, H. Zahrouni // Engineering Analysis with Boundary Elements. - 2015. - Vol. 50. - P. 372-380.

30 Thermal energy generation and distribution in friction stir welding of aluminum alloys / H. Su, C.S. Wu, A. Pittner, M. Rethmeier // Energy. - 2014. - Vol. 77. - P.720-731.

31 Computational fluid dynamics studies on heat generation during friction stir welding of aluminum alloy / G.Q. Chen, Q.Y. Shi, Y.J. Li [et al.] // Computational Materials Science. - 2013. - Vol. 79. - P. 540-546.

32 Numerical simulation of material flow behavior of friction stir welding influenced by rotational tool geometry / S.D. Ji, Q.Y. Shi, L.G. Zhang [et al.] // Computational Materials Science. - 2012. - Vol. 63. - P. 218-226.

33 A new smoothed particle hydrodynamics non-Newtonian model for friction stir welding: Process modeling and simulation of microstructure evolution in a magnesium

alloy / W. Pan, D. Li, A.M. Tartakovsky [et al.] // International Journal of Plasticity. -2013. - Vol. 48. - P. 189-204.

34 Three-dimensional numerical and experimental investigation on friction stir welding processes of ferritic stainless steel / H.H. Cho, S.T. Hong, J.H. Roh [et al.] // Acta Materialia. - Vol. 61. - P. 2649-2661.

35 Saluja R. S. Cellular automata finite element (CAFE) model to predict the forming of friction stir welded blanks / R.S. Saluja, R.G. Narayanan, S. Das // Computational Materials Science. - 2012. - Vol. 58. - P. 87-100.

36 Modelling of plastic flow localisation and damage development in friction stir welded 6005A aluminium alloy using physics based strain hardening law / K.L. Nielsen, T. Pardoen, V. Tvergaard [et al.] // International Journal of Solids and Structures. - 2010.

- Vol. 47. - P. 2359-2370.

37 Numerical-experimental crack growth analysis in AA2024-T3 FSWed butt joints / R. Citarella, P. Carlone, M. Lepore, G.S. Palazzo // Advances in Engineering Software. - 2015. - Vol. 80. - P. 47-57.

38 Experimental and numerical study on formability of friction stir welded TWB sheets based on hemispherical dome stretch tests / W. Lee, K.H. Chung, D. Kim [et al.] // International Journal of Plasticity 25. - 2009. - Vol. 25. - P. 1626-1654.

39 A multiscale methodology for deformation modeling applied to friction stir welded steel / D.E. Boyce, P.R. Dawson, B. Sidle, T. Gnaupel-Herold // Computational Materials Science. - 2006. - Vol. 38. - P.158-175.

40 Shin H. A phenomenological constitutive equation to describe various flow stress behaviors of materials in wide strain rate and temperature regimes / H. Shin, J.B. Kim // Journal of Engineering Materials and Technology. - 2010. - Vol. 132, is. 2. -021009.

41 Lin Y.C. A critical review of experimental results and constitutive descriptions for metals and alloys in hot working / Y.C. Lin, Xiao-Min Chen // Materials and Design.

- 2011. - Vol. 32, is. 4. - P. 1733-1759.

42 Johnson G.R. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures / G.R. Johnson, W.H. Cook // Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics. - 1983. - P. 541-547.

43 Khan A.S. Experimental and theoretical study of mechanical behavior of 1100 aluminum in the strain rate range 105—104 s1 / A.S. Khan, S. Huang // International Journal of Plasticity. - 1992. - Vol. 8. - P. 397-424.

44 Khan A.S. Mechanical response and modeling of fully compacted nanocrystalline iron and copper / A.S. Khan, H.Y. Zhang, L.Takacs // International Journal of Plasticity. - 2000. - Vol.16. - P. 1459-1476.

45 Bodner S.R. Constitutive equation for elastoviscoplastic strain hardening material, ASME / S.R. Bodner, Y. Partom // Journal of Applied Mechanics. - 1975. - P. 385-389.

46 Fields D.S. Determination of strain hardening characteristics by torsion testing / D.S. Fields, W.A. Bachofen // ASTM, Proceedings American Society for Testing Materials. - 1957. - Vol. 57. - P. 1259-1272.

47 Constitutive modelling of the 6061 aluminium alloy under hot rolling conditions and large strain ranges / A. Rudnytskyj, P. Simon, M. Jech, C. Gachot // Materials and Design. - 2020. - Vol. 190. - Article number 108568. - 13 p. - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127520301015 (access date: 15.01.2024).

48 Pandya K.S. Strain rate and temperature dependent fracture of aluminum alloy 7075: Experiments and neural network modeling / K.S. Pandya, Ch. C. Roth, D. Mohr // International Journal of Plasticity. - 2020. - Vol. 135. - Article number 102788. - 29 p. - URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641919306722 (access date: 15.01.2024).

49 Zerilli P.J. Dislocation-mechanics-based constitutive relations for material dynamics calculations / P.J. Zerilli, R.W. Armstrong // Journal of Applied Physics. -1987. - Vol. 61. - P. 1816-1825.

50 Lin Y.C. Prediction of 42CrMo steel flow stress at high temperature and strain rate / Y.C. Lin, M.S. Chen, J. Zhang // Mechanics Research Communications. - 2008. -Vol. 35. - P. 142-150.

51 Preston D.L. Model of plastic deformation for extreme loading conditions / D.L. Preston, D.L. Tonks, D.C. Wallace // Journal of Applied Physics. - 2003. - Vol. 93. - P. 211-220.

52 Rusinek A. Shear testing of a sheet steel at wide range of strain rates and a constitutive relation with strain-rate and temperature dependence of the flow stress / A. Rusinek, J.R. Klepaczko // International Journal of Plasticity. - 2001. - Vol. 17. - P. 87115.

53 Voyiadjis G.Z. A physically based constitutive model for fcc metals with applications to dynamic hardness / G.Z. Voyiadjis, A.H. Almasri // Mechanics of Materials. - 2008. - Vol. 40. - P. 549-563.

54 Nemat-Nasser S. Thermomechanical response of HSLA-65 steel plates: experiment and modeling / S. Nemat-Nasser, W.G. Guo // Mechanics of Materials. -2005. - Vol. 37. - P. 379-405.

55 Balokhonov R.R. Finite-element and finite-difference simulations of the mechanical behavior of austenitic steels at different strain rates and temperatures / R.R. Balokhonov, V.A. Romanova, S. Schmauder // Mechanics of Materials. - 2009. - Vol. 41, is. 1. - P. 1277-1287.

56 Kim, J. Necking behavior of AA 6022-T4 based on the crystal plasticity and damage models / J. Kim, J.W. Yoon // International Journal of Plasticity. - 2015. -Vol.73. - P. 3-23.

57 3D simulation of short fatigue crack propagation by finite element crystal plasticity and remeshing / H. Proudhon, J. Li, F. Wang [et al.] // International Journal of Fatigue. - 2016. - Vol. 82. - P. 238-246.

58 Hot tensile deformation behaviors and a phenomenological AA5083 aluminum alloy fracture damage model / Q. Dai, Y.Deng, H.Jiang [et al.] // Materials Science and Engineering: A. - 2019. - Vol. 766. - Article number 138325. - 11 p. - URL:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509319311116 (access date: 15.01.2024).

59 Strain localization and damage in dual phase steels investigated by coupled insitu deformation experiments and crystal plasticity simulations / C.C. Tasan, J.P.M. Hoefnagels, M. Diehl [et al.] // International Journal of Plasticity. - 2014. - Vol. 63. - P. 198-210.

60 Kinetics and anisotropy of the Monte Carlo model of grain growth / J.K. Mason, J. Lind, S.F. Li [et al.] // Acta Materialia. - 2015. - Vol. 82. - P. 155-166.

61 Jacot A. A pseudo-front tracking technique for the modelling of solidification microstructures in multi-component alloys / A. Jacot, M. Rappaz // Acta Materialia. -2002. - Vol. 50. - P. 1902-1926.

62 Numerical investigations of the free surface effect in three-dimensional polycrystalline aggregates / Y. Guilhem, S. Basseville, F. Curtit [et al.] // Computational Materials Science. - 2013. - Vol. 70. - P. 150-162.

63 Optimization of deformation parameters of dynamic recrystallization for 7055 aluminum alloy by cellular automaton / T. Zhang, Sh. Lu, Yu. Wu, H.Gong // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. - Vol. 27, is. 6. - P. 1327-1337.

64 Investigating mesh sensitivity and polycrystalline RVEs in crystal plasticity finite element simulations / H. Lim, C.C. Battaile, J.E. Bishop, J.W. Foulk III // International Journal of Plasticity. - 2019. - Vol. 121. - P. 101-115.

65 Wilkins M.L. Computer simulation of dynamic phenomena / M.L. Wilkins. -Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1999. - 265 p.

66 Сергеева Е.В. Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор) / Е.В. Сергеева // Автоматическая сварка. - 2013. - № 5. - С. 58-62.

67 Бубенок Е.С. Соединение разнородных металлов сваркой трением с перемешиванием (Cu-Al) / Е.С. Бубенок // Вестник Донского государственного технического университета. - 2013. - Т.13, № 7-8. - С.42-48.

68 Миронов С.Ю. Кристаллографические текстуры, формирующиеся при сварке трением с перемешиванием // Физическая мезомеханика. - 2014. - Т.17, № 2. - С. 43-54.

69 Общие закономерности формирования микроструктуры при сварке трением с перемешиванием и трении скольжения / А.В. Колубаев, Е.А. Колубаев, О.В. Сизова [et al.] // Трение и износ. - 2015. - Т.36, № 2. - С.167-173.

70 Recent advances in friction-stir welding - Process, weldment structure and properties / R. Nandan, T. DebRoy, H.K.D.H. Bhadeshia // Progress in Materials Science. - 2008. - Vol. 53. - P. 980-1023.

71 Dubourg L. Process optimisation and mechanical properties of friction stir lap welds of 7075-T6 stringers on 2024-T3 skin / L. Dubourg, A. Merati, M. Jahazi // Materials and Design. - 2010. - Vol.31. - P. 3324-3330.

72 Linton V.M. Influence of time on residual stresses in friction stir welds in agehardenable 7xxx aluminium alloys / V.M. Linton, M.I. Ripley // Acta Materialia. -2008. - Vol. 56. - P. 4319-4327.

73 Fratini L. Mechanical and metallurgical effects of in process cooling during friction stir welding of AA7075-T6 butt joints / L. Fratini, G. Buffa, R. Shivpuri // Acta Materialia. - 2010. - Vol. 58. - P. 2056-2067.

74 Yoon T.J. Observations on metallurgical phenomena and formation of onion ring nugget during friction stir lap welding of dissimilar aluminum by a new 3D technique / T.J. Yoon, C.Y. Kang // Materials Letters. - 2015. - Vol. 142. - P. 253-257.

75 Friction-stir welding of ultra-fine grained sheets of Al-Mg-Sc-Zr alloy / S. Malopheyev, S. Mironov, V. Kulitskiy, R. Kaibyshev // Materials Science and Engineering: A. - 2015. - Vol. 624. - P.132-139.

76 Hattel J.H. The effect of post-welding conditions in friction stir welds: From weld simulation to ductile failure / J.H. Hattel, K.L. Nielsen, C.C. Tutum // European Journal of Mechanics -A/Solids. - 2012. - Vol. 33. - P. 67-74.

77 Lockwood W.D. Simulation of the global response of a friction stir weld using local constitutive behavior / W.D. Lockwood, A.P. Reynolds // Materials Science and Engineering: A. - 2003. - Vol.339, is. 1. - P. 35-42.

78 On the Solution of Quasi-Static Micro- and Mesomechanical Problems in a Dynamic Formulation / V.A. Romanova, R.R. Balokhonov, E.E. Batukhtina [et al.] // Physical Mesomechanics. - 2019. - Vol. 22. - P. 296-306.

79 Microstructure-based simulations of quasistatic deformation using an explicit dynamic approach / V. Romanova, R. Balokhonov, E. Emelianova [et al.] // Facta Universitatis, series: Mechanical Engineering. - 2019. - Vol. 17, is 2. - P. 243-254.

80 Влияние поликристаллической структуры на динамическую прочность и характер разрушения материала в различных зонах сварного соединения алюминиевого сплава / Р.Р. Балохонов, В.А. Романова. М.В. Сергеев [и др.] // Известия вузов. Физика. - 2020. - Т. 63, № 5. - C. 10-18.

81 Balokhonov R.R. Strain rate effect on the deformation and fracture in different zones of friction stir welded aluminum / R. R. Balokhonov, V. A. Romanova, M. V. Sergeev // AIP Conference Proceedings. - 2019. - Vol. 2167. - Article number 020030. -4 p. - URL: https://pubs.aip.org/aip/acp/article/2167/1/020030/888816/Strain-rate-effect-on-the-deformation-and-fracture (access date: 15.01.2024).

82 О решении квазистатических задач микро- и мезомеханики в динамической постановке / В.А. Романова, Р.Р. Балохонов, Е.Е. Батухтина [и др.] // Физическая мезомеханика. - 2018. - Т. 21, № 2. - С. 68-79.

83 A numerical study of the microscale plastic strain localization in friction stir weld zones / R. Balokhonov, V. Romanova, E. Batukhtina [и др.] // Facta Universitatis. Series: Mechanical Engineering. - 2018. - Vol. 16, is. 1. - P. 77-86.

84 Балохонов Р.Р. Моделирование деформации и разрушения поликристаллов алюминиевого сплава в условиях динамического нагружения / Р.Р. Балохонов, М.В. Сергеев, В.А. Романова // Физическая мезомеханика. - 2023. - Т. 26, № 1. - С. 31-46.

85 Закономерности формирования областей объемного растяжения при одноосном и всестороннем сжатии металлокерамических композитов и покрытий / Р.Р. Балохонов, В.А. Романова, Е.А. Шваб [и др.] // Физическая мезомеханика -2019. - Т. 22, № 1. - С. 69-80.

86 Sergeev M. Simulation for fracture behavior of polycrystalline aluminum under dynamic loading / M. Sergeev, R. Balokhonov, A. Zemlianov // AIP Conference Proceedings. - 2019. - Vol. 2167. - Article number 020319. - 4 p. - URL: https://pubs.aip.org/aip/acp/article/2167/1/020319/697577/Simulation-for-fracture-behavior-of (access date: 15.01.2024).

87 Sergeev M. The influence of constraint loading conditions on deformation and fracture of polycrystals / M. Sergeev, R. Balokhonov, A. Zemlianov // AIP Conference Proceedings. - 2019. - Vol. 2167. - Article number 020320. - 4 p. - URL: https://pubs.aip.org/aip/acp/article/2167/1/020320/697480/The-influence-of-constraint-loading-conditions-on (access date: 15.01.2024).

88 Microstructure-based numerical analysis of the dynamic deformation of polycrystalline aluminum / R. R. Balokhonov, V. A. Romanova, S. Schmauder [et al.] // AIP Conference Proceedings. - 2018. - Vol. 2051. - Article number 020025. - 4 p. -URL: https://pubs.aip.org/aip/acp/article/2051/1/020025/605606/Microstructure-based-numerical-analysis-of-the (access date: 15.01.2024).