автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Структурно-феноменологическое прогнозирование долговечности и разрушения композиционных материалов и конструкций

На правах рукописи

Сиротенко Людмила Дмитриевна

СТРУКТУШО-ФЕНаетОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ КШП03ИЩ0ННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ

05.16.06 - Порошковая: металлургия и композиционные материалы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пермь 1998

Работа выполнена в Республиканском инженерно-техническом центре порошковой металлургии с НИИ проблем порошковой технологии и покрытий при Пермском государственном техническом университете и в Институте технической химии УрО РАН

Научный консультант: член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор В.Н.Анциферов

Официальные оппонента: член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор В.П.Матвеенко;

доктор физико-математических наук, профессор Ю.В.Соколкин;

доктор технических наук, заслуженный технолог России, профессор А.М.Вотинов

Ведущее предприятие: Институт гидродинамики

им. М.А.Лаврентьева СО РАН, г.Новосибирск

Защита состоится " 16 " апреля 1998г. в Ю час. на заседании Диссертационного совета Д 063.66.04 по присуждению ученой степени доктора технических наук при Перыеком государственном техническом университете по адресу:

614600 г.Пермь, ГСП-45, Комсомольский проспект, 29-а, аудитория 423

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета

Автореферат разослан " £ "^¿уСт 1998г. Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 063.66.04,

доктор физико-математических наук .А.Тажкинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основой создания новых композиционных материалов на основе металлических сплавов и неорганических соединений является теоретическое и экспериментальное исследование в широком диапазоне свойств .создаваемых материалов, важнейшими из которых являются прочность и долговечность при различных схемах действующей нагрузки, отражающие реальные условия эксплуатации изделий. Разработка методов прогнозирования характера разрушения и срока службы конструкций с учетом технологических и структурных факторов является в настоящее время важнейшей задачей механики композиционных материалов и технологической науки, решение которой позволит с минимальной трудоемкостью проектировать и создавать конструкции с оптимальными прочностными свойствами.

Использование металлов, их сплавов и неорганических соединений в качестве матричной основы предполагает формирование различных типов композиционных материалов: с пластичной и хрупкой матрицей; с армирующими элементами в виде волокон с различными свойствами, конфигурацией и взаимным расположением, а также в виде пор, которые при моделировании разрушения рассматриваются как включения с нулевой прочностью или нулевым модулем упругости. При таком структурном разнообразии и существенных различиях степени неоднородности разработка единого математического аппарата для описания разрушения данных композиционных систем не представляется возможной. Выбор метода описания процессов разрушения зависит от поведения композитов, которые могут вести себя как хрупкие материалы, как материалы, обладающие сложной текучестью, и как пластичные материалы. Другим важным фактором, предопределяющим выбор модели разрушения, является фактор времени: если пластическое длительное разрушение композитов предполагает время основополагающим параметром при моделировании, то для хрупких материалов, прочность которых не зависит от длительности действия нагрузки, введение временного параметра в модель не предусматривается, что приводит к существенной смене методов описания -процессов накопления повреждений. В этих условиях весьма актуальны;,! является установление соответствия между классификационными признаками композиционных материалов, характером и методами описания их разрушения как структурно-неоднородных. систем при произвольных схемах нагружения и условиях эксплуатации.

Наименее исследованной областью механики разрушения композиционных материалов является расчет на прочность и долговечность конструкций на их основе при различных схемах нагруяения и условиях эксплуатации. Одновременность создания конструкций или элементов конструкций и самого композиционного материала приводит к резкому возрастанию значимости технологических факторов для определения прочности и долговечности конструкции в целом. При этом следует учитывать, что создание нового материала требует как правило принципиальной смены технологии, а, следовательно, изменения структурных параметров и физико-химического взаимодействия на поверхности раздела, что нередко приводит к необходимости не только большого объема дополнительных экспериментальных исследований, но и к необходимости существенных изменений моделей разрушения.

Таким образом, проблемы создания новых композиционных материалов и конструкций неразрывно связаны с исследованием закономерностей влияний* структурных и технологических факторов и условий на границе раздела на процессы их разрушения, а также с разработкой и совершенствованием методов достоверного прогнозирования прочности и долговечности конструкций, которые с каждым годом становятся все более актуальными.

Для решения поставленной задачи в качестве объекта исследования были выбраны композиционные материалы на основе сплавов и соединений титана, характеризующиеся различными механизмами разрушения и в то асе время обладающие достаточной общностью для оценки прочности широко используемых на практике групп композиционных материалов.

Рель -работы. Теоретическое и экспериментальное исследование, сравнительный анализ и конкретизация применительно к вновь создаваемым композиционным материалам и конструкциям на титановой основе методов прогнозирования разрушения при различных условиях нагруже-ния с учетом технологических, структурных факторов, взаимодействия на границе раздела компонентов и условий эксплуатации.

Научная новизна.. Установлены закономерности и получены количественные оценки влияния технологических, структурных факторов, состояния поверхности раздела компонентов и условий эксплуатации на упругие, прочностные свойства, долговечность и характер разрушения композиционных материалов и конструкций на основе сплавов и соединений титана при различных схемах нагружения.

Показана возможность использования обобщенного интегрального критерия длительной прочности для прогнозирования времени разруше-

ния композиционных материалов на основе сплавов титана. Установлен критерий сравнения различных теорий накопления повреждений по величине скорректированной повреждаемости. Разработан метод практической реализации критериев длительной прочности, основанный на минимизации среднеквадратического отклонения от единицы скорректированной повреждаемости в момент разрушения и позволяющий учесть возможные отклонения механизма накопления повреждаемостей при нестационарном нагружении по сравнению со случаем постоянно действующей нагрузки.

Получено критериальное уравнение для определения долговечности цилиндрических оболочек из волокнистых титановых композиций, армированных в кольцевом направлении, в условиях двухосного импульсного нагружения с учетом прочностных свойств компонентов и условий связи на границе раздела, показано согласие расчета с экспериментом.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов разрушения конструкций, представляющих собой регулярные решетчатые структуры на основе диоксида титана, армированные стекловолокном. Для прогнозирования эффективных упругих и прочностных характеристик, а также моделирования возможного характера развития зон разрушения решетчатого каркаса использовался структурно-феноменологический подход микромеханики неоднородных сред, реализованный на основе метода локального приближения и метода конечных элементов. Приведены экспериментальные результаты по исследованию разрушения и определению эффективных прочностных характеристик решетчатых конструкций, подтверждающих теоретические расчеты.

Практическая ценность и •результаты внедрения. Исследование влияния технологических, структурных параметров и степени межфазного взаимодействия на прочность, долговечность, деформацию ползучести и характер разрушения композиционных материалов позволило рекомендовать режимы эксплуатации конструкций и научно обоснованно разрабатывать технологические процессы, обеспечивающие необходимую прочность и долговечность при заданной схеме действующей нагрузки.

Полученные результаты по исследованию длительной прочности позволяют значительно облегчить практическую реализацию критериев накопления поврелщаемостей и их сравнительный анализ, повысить точность прогнозирования разрушения конструкций при сложных схемах нагружения, а также целенаправленно разрабатывать композиционные материалы и конструкции на их основе с требуемыми характеристиками прочности и долговечности.

В результате исследования разрушения конструкций из волокнистого композиционного материала на основе титана получено критериальное уравнение для определения долговечности цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним давлением, произвольно изменяющимся во времени. Экспериментально подтверждена возможность использования полученного уравнения. При условии равяонапряженности цилиндрической ободочки расчеты и эксперименты показали, что цилиндрическая оболочка из волокнистого композиционного материала BTI-0-Мо с объемным содержанием армирующей фазы 25Й оказывается на 15% легче, чем оболочка из наиболее технологичного титанового сплава 0Т4 при одинаковом разрушающем давлении и одинаковых схемах действующей нагрузки.

Исследование разрушения решетчатых конструкций с периодической структурой позволило комплексно решить вопросы получения сотовых конструкций, включая разработку методики расчета несущей способности перфорированных формообразующих инструментов, а также моделирование разрушения решетчатых конструкций при различных условиях на-гружения. Полученные численные результаты по прогнозированию свойств конструкций решетчатой структуры были использованы для изготовления блочных катализаторов, предназначенных для очистки газовых выбросов.

Результаты исследований наши применение в теоретических и прикладных работах РЙТЦ ПМ г.Пермь, ИГ СО РАН г.Новосибирск, ЙТХ УрО РАН г.Пермь, НПО "Композит" г.Калининград МО, НПО "Молния" г.Москва, НПО "MIX" г.С.-Петербург. По 13.10 Инновационной программе НТП "Трансфертные технологии, комплексы и оборудование" в 1992 - 1994 г.г. изготовлено продукции на сумму I млн. 100 тыс.руб.

Экономический эффект от внедрения разработки в 1991 - 1992 г.г.- составил 4 млн. 300 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на III Всесоюзном симпозиуме "Механика конструкций из композиционных материалов" /Ереван, i960/; Всесоюзной научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" /Запорожье, 1980/; на Научно-техническом семинаре "Применение, спеченных и композиционных материалов в машиностроении". /Пермь, 1981/; на Пятом Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике /Алма-Ата, 198I/; на . У Всесоюзной конференции по композиционным материалам /Москва, 1981/ на IX Международной конференции по высакоэнергетическому воздействия на материалы /Новосибирск, 1986/; на научно-технической конференции "Композиционные материалы на металлической и неметаллической основе,

пути эффективного применения их в изделиях военной и гражданской продукции" /Москва, 1993/; на 4-ой Европейской конференции-выставке по новым материалам и технологиям /С.-Петербург, 1993/; на 1-й международной Зимней школе по механике сплошных сред /Пермь, 1995/; на 2-й международной Зимней школе по механике сплошных сред /Пермь, 1997/.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 2 монографиях, в 35 печатных работах и I авторском свидетельстве.

Структура и объем -работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 217 наименований, и приложения со сведениями о практической реализации работы. Диссертация изложена на 283 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 34 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность проблемы повышения уровня современных методов расчета на прочность и долговечность, позволяющих прогнозировать разрушение не только хорошо известных, но и вновь создаваемых структурно-неоднородных материалов и конструкций на их основе при различных условиях нагружения, отражающих реальные условия эксплуатации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ современного состояния исследований по прогнозированию разрушения материалов и конструкций при различных схемах нагружения.

Для структурно-неоднородных материалов, разрушение которых не носит временного характера в эксплуатационном интервале нагрузок, показана целесообразность структурно-феноменологического подхода микромеханики неоднородных сред, реализуемого с помощью численных методов и описывающего процесс деформирования материала с учетом развития в нем поврежденных областей.

Для композиционных материалов, прочность которых зависит от длительности и схемы действующей нагрузки, исследование разрушения связано с необходимостью привлечения теорий накопления повреждаемостей, возможности использования которых для вновь разрабатываемых структурно-неоднородных и анизотропных материалов на основе металлических сплавов и неорганических соединений практически не изучены.

Работы, связанные с исследованием прочности композиционных материалов на основе металлических сплавов и неорганических соединений, ограничены как правило условиями кратковременного нагружения

и носят технологический характер, ймещиеся литературные данные свидетельствуют об отсутствии связи между исследованиями, связанными с разработкой оптимальной технологии, и работами, представляющими попытку получить модель разрушения с учетом совместного деформирования компонентов. При этом для композиционных материалов с пластичными компонентами практически отсутствуют работы по описанию долговечности при произвольной схеме нагружения, а для композиционных материалов с хрупкими компонентами исследования находятся на стадии обобщения данных экспериментов, разработки методов прогнозирования упругих и кратковременных прочностных свойств, установления их взаимосвязи с технологией и условиями эксплуатации.

Таким образом, анализ современных исследований свидетельствует об отсутствии системного подхода к установлению связи между характером разрушения композиционных материалов с хрупкими и пластичными компонентами, параметрами, определяющими кинетику накопления повреждений, и методами моделирования, позволяющими эффективно прогнозировать несув$ю способность конструкций в реальных условиях эксплуатации.

. Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ излагаются результаты комплексных теоретических и 'экспериментальных исследований механизмов разрушения, прочности и деформационных свойств в условиях длительного постоянного нагружения с учетом физико-химических закономерностей формирования структуры, свойств, границы раздела композиционных материалов с пластичными и хрупкими типами матриц и различными способами их армирования. Установлены методы и приемы технологического регулирования долговечности и характера разрушения исследуемых типов композиционных материалов на основе сплавов и соединений титана.

В качестве композитов с пластичной матрицей и пористыми "включениями" исследовались спеченные титановые сплавы системы Тс.-АС , полученные путем прессования легированного алюминием электролитического титанового порошка с последующим спеканием в вакууме. Результаты испытаний спеченных титановых сплавов в условиях длительного постоянного нагружения свидетельствуют о том, что их разрушение представляет необратимое постепенное накопление повреждений, ускоряемое повышением температуры и наличием пор - концентраторов напряжений. Установлено, что оптимальный состав спеченного сплава системы К-АС, которому соответствует максимальная долговечность при Т = 873 К, предполагает количество легирующего элемента в пределах 4-6$. Ухудшение длительных прочностных характеристик является следствием снижения степени упрочнения твердого раствора на основе Ы- фазы при

уменьшении количества легирующего элемента и появления дисперсных выделений упорядоченной фазы Т£дА£ при увеличении, количества алюминия по сравнению со сплавом оптимального состава. Увеличение пористости спеченного титанового сплава в пределах 11=5-30%, достигаемое варьированием давления прессования в пределах Р-200-800 Ша, сопровождалось существенным изменением микроструктуры /рис. I/ и снижением длительной прочности.

а б в

Рис. I. Микроструктура спеченного титанового сплава при различных значениях пористости: а - 11=30%, б - П=15%, в - П=5?5

Возрастание пористости, усиливая структурную неоднородность и несплошость как меру повреждаемости исходной структуры материала, приводит к перераспределению нагрузки на контактные поверхности частиц матрицы и снижает сопротивление длительному нагружению материала в целом.

Для дальнейшего выявления ресурсов повышения длительной прочности композиционных материалов полученные результаты были обобщены на композиционные системы, предполагающие различные способы их фор-, мирования, схемы армирования, свойства компонентов и границ раздела.

В качестве волокнистых композитов с пластичными компонентами исследовались непрерывноармированные композиционные материалы на основе титана и его сплавов. При этом использовались изготовленные методом сварки взрывом композиции на основе листового титана ВТ1-0 и 014, упрочненные волокнами молибдена и теплостойкой высокопрочной стали ВНС9 с объемным содержанием арлирущей фазы 2СЙ. Оптимальные условия получения композиционных материалов предполагали значение угла соударения элементов Ъ =0,15-0,20 рад. и скорости точки контакта при взаимодействии элементов =4-4,5 та/сек.

Для компонентов композиционного материала получены аппроксимирующие зависимости между постоянно действующим напряжением, скорое-

тыо' установившейся стадии ползучести и временем разрушения, исследовано изменение характера деформирования.и разрушения с изменением температуры и уровня действующей нагрузки.

В качестве структурного фактора, в наибольшей степени влияющего на ползучесть, долговечность и характер разрушения композиционных материалов, установлено явление потери устойчивости волокон, обу словленное динамическим воздействием в процессе сварки взрывом /рис. 2/. Ресурс повышения долговечности для композиционного материала Ti-BHG9 за счет исключения потери ус тойчивости волокон составил 150-300 МПа Дальнейший ресурс повышения долговечности заключается в улучшении условий . контакта по границам раздела и составляет 50-150 МПа для композиционного материала К-ВНС9 и 2060 МПа для т;~Мо. Полученные результаты подтверждены данными микроструктурных и фракгографических исследований /рис. 3/.

Для оценки анизотропии длительных прочностных свойств композиционных материалов в условиях постоянного нагружения были проведены испытания на долговечность под различными углами разориентации. Влияние термического воздействия на структуру и долговременные прочностные и деформационные характеристики композитов исследовалось посредством проведения изотермических отжигов в интервале температур 1173-1373 К и времени выдержки 1-3 часа для композиционного материала Ti -Mo /рис. 4/ и 773-873 К, I час для композиционного материала It-ВНС9; изменение длительных свойств сопровоадалось микроструктурными и фрактографическими исследованиями /Л - толщина переходной зоны на границе раздела/.

Для прогнозирования длительной прочности композиционных матег риалов в направлении армирования получена зависимость между напряжением и временем разрушения с учетом температуры испытаний и характеристиками ползучести и долговечности компонентов:

Рис. 2. Ползучесть композиционного материала ВТ1-0-ЕНС9 при 1=723 К: а/ без потери устойчивости волокон; б/ с потерей устойчивости волокон

г*=М

Г - ¿/'Ли

хГЛ,п/ \ ¿Л —г—---^ --./г. . _

' (зс) у № ^ я/

где А, д, С, ^- постоянные коэффициенты, определяемые из испытаний на ползучесть и длительную прочность компонентов композиционного материала, & - объемное содержание, Оз- коэффициент структурного смещения, учитывающий влияние термического воздействия на структуру; индекс т означает принадлежность матрице, { - волокну.

за,«--

• .«мгд- „

Рис. 3. Микроструктура и фрактограмда излома композиционного, материала ВТ1-0-ВНС9 при Т=723 К /х200/: а/ участки расплава на границе матрица-матрица; . б/ участки расплава на границе матрица-матрица и волокно-матрица _.

В качестве композитов с хрупкими компонентами в работе исследовались волокнистые диснретноармированные композиционные материалы на основе диоксида титана, армированного стекловолокном, и предназначенные для изготовления блочных катализаторов сотовой структуры. Использование метода экструзии для формования сотовых конструкций, высокая, дисперсность и активность диоксида титана предопределили необходимость разработки критериальных условий и требований к связу-

исходный

материал

отжиг

П?3 К, 2 ч я>

б, Ша

(га« ы 1гак,зч от,и

К

тп

31

40

60

¡5

65

70

Рис. 4. Влияние отжигов на микроструктуру /а/ и длительную прочность /б/ композиционного материала ВТ1-0-Мо при 1=873 К

ющим и пластификаторам, важнейшими из которых являются высокая фор-муемость массы на основе Т£0£, сохранность формы изделий после экструзии и обеспечение требуемых физико-механических свойств при температуре спекания 673-700 К. Установлено, что обеспечение реологических, технологических и структурно-механических параметров массы достигается использованием многокомпонентных связующих, включающих органические пластификаторы и неорганические компоненты.

Для выявления степени организации микроструктуры композиционных материалов в процессе экструдирования и прочности связи на границе раздела компонентов после завершения технологического процесса были проведены металлографические исследования /рис. 5/.

Для прогнозирования упругих характеристик композиционного материала с хрупкой матрицей, армированного стекловолокном, использо-

а б

Рис. 5. Микроструктура /а/ и фрактограша разрушения /б/ композиционного материала на основе диоксида титана, упрочненного стекловолокном

вались теоретические зависимости, полученные на основе структурно-феноменологического подхода механики неоднородных сред; исследуемый материал рассматривался как двухкомпонентный стохастически армированный композит, свойства которого детерминированы и изотропны. При этом модули объемного сжатия и сдвига волокнистых композиционных материалов рассчитывались по формулам:

Я*-- <«> -3>к/(сгтк&+ +

Л*, -Эдх- дисперсии модулей объемного сжатия и сдвига, определяемые соотношениями г

Д* в (к, - Ц ,

а знак ( У означает операцию интегрирования по объему /усреднение/

Прочность композиционных материалов, армированных дискретными волокнами, рассчитывалась по формуле:

а *= ст1Я](емг) Уа * л*,7с,, /з/

где ГСпредел прочности межфазного напряжения сдвига и матричного материала соответственно, С , критическая длина волокна и диаметр.

Анализ результатов испытаний на долговечность волокнистых ком-

позиционных материалов на основе хрупкой матрицы /Т1С^/ свидетельствует о практическом отсутствии свойств длительной прочности у данного класса материалов в интервале эксплуатационных нагрузок.

Таким образом, результаты исследования прочности и долговечности композиционных материалов с хрупкими и пластичными компонентами свидетельствуют о том, что независимо от природы компонентов прочностные свойства композиционных материалов находятся в тесной связи со структурными, технологическими и эксплуатационными параметрами. Однако если разрушение композиционных материалов с пластичными компонентами носит характер постепенного накопления повреждений, зависящего от времени и уровня нагрузки, то для композиционных материалов с хрупкими компонентами процесс накопления повреждений носит лавинообразный характер с момента достижения величиной напряжений предела кратковременной прочности.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ исследуется возможность прогнозирования долговечности композиционных материалов с пластичной матрицей при нестационарном нагружении с помощью обобщенного критерия длительной прочности, основанного на введении функции повреждаемости со , равной нулю в начальный момент времени и единице в момент разрушения. Обобщенное критериальное уравнение для определения долговечности при заданном законе изменения напряжений имеет ввд:

саэ(с)зигг . /4/

где долговечность, ¿э - эквивалентное напряжение, {г) - функция, учитывающая влияние на скорость образования дефектов в момент времени ? напряжений бэ , действовавших в предшествующие моменты времени, ^ - функция, учитывающая нелинейные свойства долговременной прочности.

Проведен сравнительный анализ критериев длительной прочности Бейли, Ильюшина и Москвитана, вытекающих из /4/ при различных формах представления функций влияния и напряжения, -предполагающих, что функции / и % имеют степенной вид или являются частными случаями степенной функции: £

а* /5/

¿* 4

^и-- г*- //б/

4 ос °

-(< т< ( /7/

А

о

м

В выражениях /5/-/7/ со и ^ - повреждаемость в момент разрушения по Вейли, Ильюшину, Моснвитину соответственно, близость которой к единице будет определять работоспособность данного критерия; параметры А , а кривой долговечности определяются из выражения:

= /8/

-О

где о3 - эквивалентное постоянное напряжение; параметр, описывающий нелинейные свойства длительной прочности, определяется из опытов на одноосное ступенчатое или импульсное нагружение при условии

СО

Г1 /9/

где I - номер эксперимента, используемого для определения т .

В качестве критерия сравнения исследуемых теорий накопления повреждений предложено использовать величину скорректированной повреждаемости, определяемой из условия минимальной погрешности выражения /8/, полученного из /о/-/7/ при 6Э М- 6°. Величина скорректированной повреждаемости для критериев Вейли, Ильюшина, Москвитина имеет вид соответственно

Для композиционного материала на основе титана с пористой структурой в качестве наиболее вероятного объяснения систематического превышения величиной повреждаемости в момент разрушения единицы в случае критериев Вейли и Ильюшина и отсутствия корней уравнения /9/ для критерия Москвитина при параметрах кривой долговечности А и ^ , определенных методом наименьших квадратов, было выдвинуто предположение об изменении кинетики накопления повреждений при нестационарном нагружении по сравнению со случаем постоянно действующей нагрузки.

Изменение кинетики микроповревдеяий при ступенчатом нагрузке-нии учитывалось в работе введением переменного параметра А кривой долговечности, который для облегчения интегрирования выражений /5/— /7/ был представлен кусочно-постоянной функцией вида

А Гг) = А0 {с Гт>, /ХО/

где Аа - параметр кривой долговечности, найденный методом наименьших квадратов, а индекс < определяет ввд аппроксимирующей зависимости для /(Ь). Выли опробованы следующие аппроксимирующие выражения

/й(Гг)л 1 т

/12)

(гг~) = Сд Гл3 Гу 1) * 1 (т) - к-4 = сап6 С

/13/ /14/

Для нахождения параметров к; предложен метод минимизации сред-неквадратического отклонения скорректированной повреждаемости от единицы в области изменения этих параметров. Так, в случае критерия Москвитина минимизировалось выражение

где «7 - число опытов, используемых для определения параметров. Б результате сравнения критериев при различных аппроксимирующих зависимостях параметра А кривой долговечности установлено, что наилучшим образом долговечность спеченного титанового сплава 'IV при Т=873 К при переменной нагрузке описывается критерием Москвитина К&) =0,120/, несколько менее точно - критерием Вейли /<Ф =0,115/ и значительно менее точно - критерием Ильюшина /{Л>} =0,352/ при параметре кривой долговечности, равном постоянной величине, но отличной от таковой, найденной методом наименьших квадратов и, следовательно, как и в случае постоянного нагружения, интегрально описывающего длительную прочность.

В качестве исследуемых волокнистых композиционных материалов для моделирования замедленного разрушения при различных схемах действующей нагрузки использовались композиции 1* -Мо и Т/-БНС9. Для прогнозирования их долговечности при одноосном нагружении вдоль волокон использовался интегральный критерий /7/ с учетом общих закономерностей совместного деформирования компонентов /I/.

На рис. 6,7 представлены схемы нагружения и кривые ползучести волокнистых композиционных материалов, исследуемых при прогнозировании долговечности на основании критерия /7/, в результате установлены и экспериментально подтверждены аналитические зависимости для определения долговечности волокнистых композиционных материалов на основе титана, упрочненного стальными и молибденовыми волокнами, при ступенчатом, импульсном, пилообразном нагружении и нагружении с постоянной скоростью при действии нагрузки вдоль направления армирования.

Для описания совместного влияния процессов накопления повреждаемости и ползучести в работе использован метод Ю.Н.Работнова, предполагающий нелинейность связи между напряжением и деформацией. Результаты представленных в работе экспериментов свидетельствуют о высокой точности расчетов по использованной в работе модели.

/15/

t « ( в я> в о i í е

JM «W

ДО г

о i t

©

ю (2 в * 4 $ а

®

-J

^—

¿ tf/fa ш 100

Л 4 в « 10 tí 1$

а

Е

Э ¿ A Sé tZ Лб О

®

A С ©

Рис. 6. Схемы ступенчатого и импульсного нагружения до разрушения и деформационные характеристики композиционного материала ОГ4-Мо /Т=723 К/

i г г >

- 1

ШЯПЛПпШ

штттш

Щ||1]

« А Л Щ S 6

0

©

®

t-в.'с

i, _1

4 « 1

л г*Зв

АА

■/vv Ан ~vV| V4A N4 ЧЧ VV АЛ 'V

*3tí « * Л ¿O »к & Л6

©

Í'IO е

п л м м т м и в4 й 61

®

Рис. 7. Схемы пилообразного нагружения и нагружения с постоянной скоростью до разрушения и деформационные характеристики композиционного материала ВТ1-0-ЕНС9 /Т=723 К/

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты прогнозирования долговечности и моделирования разрушения конструкций из композиционных материалов с пластичными и хрупкими типами матриц и различными способами их армирования.

Длительная прочность армированных цилиндрических оболочек в условиях нестационарного двухосного нагружения. Одним из наиболее эффективных способов применения волокнистых композиционных материалов на металлической основе является изготовление элементов конструкций, работающих под внутренним давлением. Использование при этом метода сварки взрывом,позволяет технологически обеспечить практическое отсутствие концентраторов напряжений, приводящих к преждевременному разрушению конструкции в условиях длительного нестационарного нагру-жения.Для прогнозирования долговечности тонкостенных оболочек из ме-таллокомпозитов, нагруженных переменным внутренним давлением, использовался критерий Гольденблата-Копнова, при этом критериальное уравнение для расчёта долговечности имеет вид: t* t* J0 J2„ 6ft (T)cLT * J J2sz rr) d?+

/I6/

-а о °

В предположении подобия кривых длительной прочности при растяжении, сжатии, сдвиге по основным направлениям анизотропии цилиндрической оболочки ядра операторов , Я:ктп бшш представлены следующим образом:

/17/

Stoma (и-т) « -Г) "Пыспа ,

где С , & - константы, определяемые из испытаний на длительное постоянное нагружение, а Пек , Пц^тп' тензоры кратковременной прочности.

Для определения характеристик кратковременной прочности по различным направлениям анизотропии были получены выражения

66, = бтЩ + <5/ (1-ф, ö/Vi . /18/

W 6*' - ,

JSL.

где <äg , ёт - кратковременная прочность волокон и матрицы, -прочность матрицы при деформации разрушения волокон, - прочность

связи между компонентами композиционного материала,р6- разрушающее давление при кратковременном нагружении.

Условие равнонапряженности цилиндрической оболочки позволило определить критическую величину объемного содержания :

б'т

tff4>"

б? - 26т - Яа'т ->■

/19/

разделяющую области, характеризующиеся различными макромеханизмами разрушения;

- при vf < Ufnp разрушение происходит по образующей;

- при iff > vfl<p оболочка разрушается по кольцу.

Расчет долговечности оболочки из волокнистого композиционного материала, армированной в кольцевом направлении, при действии переменного внутреннего давления производился для режима действующей нагрузки "пуск-останов", при котором в течение каждого цикла с продолжительностью д tK - t*- действовало постоянное давление , а в перерывах между циклами давление полностью снималось / ЛЛ - число циклов, определяющих работоспособность конструкции/. Уравнение для расчета долговечности имело вид: РоЯ ¿8

<4

^iis М5'

(%!]/£ т.- k г - ft- ъф-' /20/

Испытанию на длительную прочность при Т=293 К подвергались многослойные цилиндрические оболочки /рис, 8/ с внутренним диаметром

0,06 м, толщиной стенки 0,0015 м и длиной 0,2 м, состоящие из 10

Рис. 8. Оболочки из композиционного материала ВТ1-0-Мо для испытаний на двухосное длительное нагружение

ЙЩёйв

слоев титановой фольги ВТ1-0 прочностью 450 ЫПа, толщиной 100 мкм, армированной 9-ю слоями молибденового волокна прочностью =2000-2200 МПа, диаметром 100 мкм.

Результаты расчета влияния величины действующего внутреннего давления на число циклов до разрушения оболочки из композиционного материала при продолжительности циклов 5 часов и перерывах между

А МПа

45

40

35

ними 20 часов представлены на рис. 9.

Рис. 9. Экспериментальная"и расчетная долговечность композиционного материала ВТ1-0-Мо при двухосном переменном нагруженш

Для заданного числа циклов расчетный ресурс повышения прочности конструкции за счет улучшения прочности связи на границе раздела до значения прочности титановой матрицы составил 100 МПа. Разрушение конструкций с регулярной макропористой структурой- на основе армированной хрупкой матрицы. Выработка ресурса решетчатых конструкций, предназначенных для использования в качестве фильтров и катализаторов для нейтрализации химически агрессивных газовых сред /рис. 10/, связана главным образом ;с накоплением необратимых повреждений в структурных элементах. Разработка метода прогнозирования зф-

фективных и прочностных характеристик элементов конструкций с регулярной периодической структурой -базировалась на использовании структур-но-феноменологиче ского подхода, основанного на численном решении задачи микромеханики неоднородных сред с использованием метода конечных элементов.

Для выявления геометрических границ фрагмента структуры, ис-

Рис. 10. Элементы конструкций с регулярной решетчатой структурой

г

пользуемого в качестве представительного объема при расчете и содержащего конечное и достаточно малое число периодических ячеек, использовался метод локального приближения, позволяющий на области, содержащей небольшое число периодических ячеек, получить искомые поля напряженно-деформированного состояния. Для периодических структур предложено рассматривать ансамбль из девяти периодических ячеек, помещенный в дополнительную материальную область £ , на границе которой задаются не зависящие от координат детерминированные напряжения 6у .

Краевая задача, моделирующая плоскую деформацию структурно-неоднородной области, при заданных граничных условиях описывается следующей системой уравнений:

6У\] (г)-, о

£

V

Гг)« ~ £и ( п * Ujf i (г)3 /21/

Сг) • С ¿ухе (С г, ¿Сг)) £кг (П ,

где - тензор напряжений, ССг) - тензор деформаций, и-вектор перемещений.

Тензорную функцию ¿ул<? (г) удобно представить через произведение тензора, не зависящего от координат, соответствующего упругим характеристикам материала каркаса, и индикаторной функции эе , описывающей геометрию структуры: единица - в точках, принадлежащих материалу, и ноль - в точках, принадлежащих порам: Суке Гл, 6 СгУ) -- Д CijnC fd (г)) эгСр>Сг)

Г Л rev*

* I a, ecu /22/

С$е - *

где - объем материала решетки.

Граничные условия для краевой задачи определяются выражениями: Sjj * A¿jне (¿¿¡)йке /2з/

бке Сг) = const ¡jt£ jr Для расчета прочностных свойств система уравнений /21/-/23/ дополняется некоторым критерием прочности СбСг)), указывающим на возможность разрушения микрообъема в точке г при ФС& Сг)) ? о и сохранение работоспособности при 'PCd Сг ))< О , При этом краевая задача становится нелинейной, поскольку коэффициенты С,уке Crt бСг)) б у-

дут зависеть от макроструктурннх напряжений» В такой постановке система уравнений /21/-/23/ описывает процесс деформирования материала с учетом кинетики разрушения, то есть развития в нем поврежденных областей. Так, поврежденный материал может оказывать сопротивление приложенной нагрузке - работать на сжатие, но рассыпаться как "песок" при возникновении растягивающих напряжений. Математически используемый критерий можно представить следующим образом:

; ' met*. C6*-àJ/d-J,

Г à*, may: «£t f d2 f 63) /24/

l rni/t Càr

[f) I^it-i-bieSj* ' §Oij rôK£ \ если. 4y(6(ri)<0,

C;jKe&(f))-J KS.y&e, если ФСаСгЯъо, I, о,

[ оу если 'РГб(г))^ О, I7CôCrS)>o

В /24/ , ,<3з - главные напряжения, ^и^- - пределы прочности при растяжении и сжатии, I/ ^Cr»=df1 (r)± ¿¿z d3J Ç-первый инвариант тензора напряжений, А - объемный модуль, С- -модуль сдвига, - символ Кронекера.

Эффективный критерий прочности, выбранный также в виде критерия максимальных напряжений, определяется с помощью расчета траекторий макронагружения вида

= S- Cf+tf/v), K=o. f,.., Т> /25/ .

где Ду - начальная точка траектории; ^ - шаг увеличения нагрузки.

Точка траектории m , в которой начинался лавинообразный процесс разрушения материала, считалась конечной,, а предшествующая ей точка равнялась при соответствующем виде траектории пределу макроскопической прочности каркаса.

Учет нелинейности системы уравнений /2Г/-/25/ за счет возможного накопления в ней поврежденных или разрушенных зон осуществляется с по нощью итерационной процедуры по методу начальных напряжений. В этом случае в соотношения /21/-/25/ вводится дополнительный тензор начальных напряжений 6°Гг) , корректирующий поле напряжений ci ^fr) , получаемое из чисто^упругого решения, для соответствия его истинному полю напряжений ¿> (г) структуры с разрушением

Уравнение /26/ можно переписать с использованием обобщенного закона Гука „ а

в,у (г) Супе (г ) (г-)* в су (г, бСг-))

При этом уравнение /27/ в отличие от физических соотношений системы /21/-/25/ содержит постоянный тензор ССг)у соответствующий упругому неповрежденному материалу решетки, поэтому используемая итерационная процедура носит название метода упругих решений. Смысл начальных напряжений заключается в занулении результирующих напряжений в элементах, разрушенных по типу "полость", и в создании равномерного гидростатического сжатия с давлением р=х,Св(г))/з в элементах, разрушенных по типу "песок". Аналогичным образом проводится линеаризация уравнения /23/, позволяющая определить требуемые граничные условия для области -й , соответствующие задаваемому макронапряженному состоянию ¿у с учетом зон структурного разрушения. Уравнение /23/ записывается в виде

- А суке Гл) * ^ Сз), /28/

где А - постоянный тензор вычисления граничных условий для упругой задачи, а Л Г5) - тензор осреднениях начальных напряжений, зависящий от кинетики структурного разрушения. Общая ускоренная итерационная процедура для решения нелинейной краевой задачи заключается в следующей последовательности;

1. Решается упругая задача методом локального приближения. Требуемые компоненты тензора А , соответствующие упругой непов-резденной структуре, находятся из решения последовательности дополнительных задач на растяжение вдоль координатных осей и сдвиг. Зависимость между макронапряжением и граничными условиями имеет вид:

Зу = Ау^е <5ке л /29/

2. Первое приближение тензора граничных условий с? для области -Р определяется из уравнения

вке = САкеу У*5су /30/

3. Решается краевая задача для области с граничными условиями 3 = и находится поле напряженийЪ^Сг) в центральной ячейке.

4. Проводится проверка выпонения условий прочности. В случае отсутствия разрушения 3е,у - Зу и решение задачи в ячейке является искомым. В противном случае производится корректировка поля напряжения для учета области разрушения по условиям системы /21/-/24/. Пш этом

5 /31/

где - корректирующее поле начальных напряжений на ' -й ите-

рации.

о. Решается дополнительная краевая задача с нулевыми граничными условиями а =0 и полем начальных напряжений . Определяются осредненные напряжения по центральной ячейке 5огУ), возникающие от корректирующего поля к находится разность

5гу - /32/

• - Л

6. Находится второе приближение для граничных условий б унз условия А0-Ке6^>

г, /33/

Далее вновь решается краевая задача для области Ьг с найденными во втором приближении напряжениями 6у на границе Г , определяется поле напряжений (г) в центральной ячейке, проводится проверка выполнения условия прочности и корректировка в случае необходимости поля начальных напряжений ^^(г). Потом уточняется разность макронапряжений /32/, находится третье приближение для граничных условий /29/ и т.д. Итерационный процесс продолжается до достижения необходимой точности

' /34/

ЖР^~< Гг '

где соответствуйте норш матриц имеют вид

//¿у/о>. [г

Су ^ /35/

!!<$}/Ц± = пгчхх

Разработанный метод прогнозирования упругих и прочностных' характеристик решетчатых структур использовался для исследования разрушения сотовых конструкций на основе диоксида титана с различными структурными и прочностными свойствами.

Влияние армирования на эффективные упругие и прочностные свойства решетчатой структуры при различной доле макропор представлено таблицами Г и 2. Расчеты проведены.для армированного диоксида титана с объемной долей стекловолокна 0,3 и пределами прочности на

растяжение и сжатие: <$* =4 МПа, <*- =-б МПа / <3+ =2 МПа, б"- =-3 МПа для неармированной матрицы соответственно/.

Таблица I

Эффективные упругие константы решетчатой структуры

1Х 1 пор : МПа МПа • , < : : • « 1 >Г : : 111 : I : : МПа'

0,5 3000 1900 0,085 0,095 0,150 145

8366 5315 0,093 0,117 0,183 402

0,6 2400 1436 0,075 0,090 0,150 60

6693 4022 0,081 0,110 0,183 165

0,7 1800 1022 0,066 0,085 0,150 18

5020 2857 0,069 0,104 0,183 47

В таблицах I и 2 в числителе приведены данные для решетчатой структуры из обычной керамики, в знаменателе - из армированной.

Таблица 2

Эффективная прочность решетчатой структуры

: 0,5 : 0,6 : 0,7

МПа 0,45 0,36 0,26

0,94 0,75 0,57

МПа 0,68 0,52 0,37

1,38 1,13 0,75

МПа 0,09 0,045 0,015

0,20 0,090 0,034

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что армирование позволяет повысить прочность решетки в 2 раза.

Пример расчета процесса разрушения решетчатой конструкции . в условиях сложного напряженного состояния представлен на рис. II. Расчет предполагал следующие исходные данные материала решетчатого каркаса: пределы прочности на растяжение и сжатие 4,4 и 6,0 ЫПа соответственно, модуль упругости 2750 МПа и коэффициент Пуассона 0,286. На рисунке изображена четверть характерной ячейки решетки.

1 шШШ! а

у

Рис. II. Разрушение решетчатой конструкции с армированным материалом каркаса при совместном действии одноосного сжатия и сдвига:

в г

а/ *>„ =-0,500 МПа; ^=0; =0,040 МПа; б/ =-0,625 МПа; =0; Зя =0,050 МПа; в/ =-0,750 МПа; =0; =0,060 МПа; г/ д,/ =-0,875 МПа; гЗгг =0; 5« =0,070 МПа Пояснения к рисункам, связанные с характеристиками различных нагруженных зон решетчатой конструкции, сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Обозначения различных нагруженных зон решетчатой конструкции

Р п/п : Обозначение : Уровень действующей нагрузки или тип

разрушения

I

2 1

з УА

4

5

6 55 •у

7 - % >

0,2 <% < 6 < 0,4 6в

0,4 && 6 < 0,6 6&

0,6 65 < 6 < 0,8 66

0,8 6В <3 0,9 66

о,9 аб < д 1,0

Означает зону разрушения с образованием полостей

Означает зону разрушения, где материал работает по типу "песка"

Результаты механических испытаний согласуются с данными теоретических расчетов, что подтверждает возможность использования данной теоретической модели для прогнозирования прочности элементов решетчатых конструкций в условиях сложного напряженного состояния.

ВЫВОДЫ

1. Исследованы физико-химические основы формирования прочностных свойств композиционных материалов с пластичными и хрупкими типами матриц и различными способами их армирования и формования; дана количественная оценка влияния структуры, свойств компонентов, состояния поверхности раздела на прочность, механизм разрушения, деформационные свойства и долговечность применительно к композиционным материалам на основе сплавов и соединений титана.

2. Получены аппроксимирующие зависимости между постоянно действующим напряжением и долговечностью с учетом структуры, состава, условий на межфазной границе вследствие изменения технологических параметров и температурного воздействия для композиционных материалов с пластичными компонентами.

3. Для композиционных материалов на основе хрупкой матрицы, армированной дискретными волокнами, выявлены критериальные условия и требования к связующим и пластификаторам, обеспечивающие необходимые прочностные характеристики изделия; установлен технологический критерий, обеспечивающий получение конструкций сотовых блоков в результате экструзии.

Разработано и изготовлено устройство для оценки формуемости пластифицированных масс /Приоритет Р 94-006826 от 24.02.94 г. Решение о выдаче патента от 22.08.96 г./.

4. Исследована возможность использования различных форм и модификаций обобщенного критерия длительной прочности для прогнозирования долговечности композиционных материалов на основе пластичной матрицы при нестационарном нагружении. Систематическое отклонение значения функции повреждаемости в момент разрушения от единицы, подсчитанной в соответствии с критериями Бейли и А.А.Ильюшина, а также трудности в использовании критерия В.В.Москвитина в работе объясняются изменением кинетики накопления повреждаемости при переменном нагружении по сравнению со случаем постоянно действующей нагрузки; показана возможность описания эффектов при неста-

ционарном нагружении введением переменного во времени параметра кривой долговечности;

5. Предложен способ определения параметров, входящих в критерии, основанный на минимизации среднеквадратического отклонения- от единицы скорректированной повреждаемости и способ сравнения различных критериев по величине скорректированной повреждаемости.

В результате сравнения критериев по величине скорректированной повреждаемости и различных аппроксимирующих зависимостей, описывающих эффекты при нестационарном нагружении, установлено, что наилучшим образом долговечность описывается при параметре А кривой долговечности, равном постоянной величине, но отличном от такового, найденного методом наименьших квадратов; при этом более точное прогнозирование длительной прочности достигается использованием критерия В.В.Москвитина, несколько менее точное - использованием критерия Бейли,, наименее точные результаты имеют место при описании долговечности в .соответствии с критерием А.А.Йлыошина.

6. Установлены и подтверждены экспериментально аналитические зависимости для определения долговечности волокнистых композиционных материалов на основе титана, упрочненного стальными и молибденовыми волокнами, при ступенчатом, импульсном,, пилообразном нагружении и нагружении с постоянной скоростью при действии нагрузки вдоль направления армирования. Экспериментально исследована ползучесть композиционных материалов ВТ1-0-Мо, 0Т4-Мо, ВТ1-0-ВНС9 при переменном нагружении, установлено влияние схемы нагружения на деформационные характеристики композиционных материалов, выражающееся в уменьшении деформации ползучести с увеличением жесткости режимов нагружения. Приведены аналитические зависимости для описания деформации ползучести композиционных материалов с учетом степени накопленной повреждаемости, показано их соответствие экспериментальным данным.

7. На основании критерия длительной прочности Гольденблата-Копнова получено определяющее уравнение для описания долговечности конструкции из композиционного материала в условиях двухосного растяжения с учетом прочности компонентов и степени межфазного взаимодействия на границе их раздела. Критериальное уравнение для расчета долговечности получено в предположении подобия кривых длительной прочности при растяжении, сжатии, сдвиге по основным направлениям анизотропии, что позволило ядра операторов, учитывающих историю нагружения, представить через тензоры кратковременной прочности и константы, определяемые из простых испытаний на длительную

прочность. Определение значений кратковременной прочности в направлении, поперечном армированию, производилось на основе оценки прочности соединения волокна с матрицей, полученной при рассмотрении растяжения элементарного слоя композиционного материала поперек волокон. Полученные зависимости по расчету долговечности экспериментально подтверждены для цилиндрической оболочки из композиционного материала титан-молибден, армированной в кольцевом направлении и нагруженной переменным внутренним давлением.

8. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование процессов разрушения регулярных решетчатых структур с армированным материалам каркаса. Для прогнозирования эффективных упругих и прочностных характеристик, а также моделирования возможного характера развития зон разрушения решетчатого каркаса использовался структурно-феноменологический подход механики неоднородных сред, реализованный на основе метода локального приближения и метода конечных элементов. Полученные численные решения краевой задачи механики . неоднородных сред позволили установить закономерности, связывающие степень армирования, упругие и прочностные характеристики, объемную долю макропор каркаса, схему нагружения с предельной несущей способностью конструкции решетчатой структуры и кинетикой развития повреждений в процессе нагружения. Показана возможность использования данной модели в постановке задачи теории упругости анизотропных сред для прогнозирования ресурса блочных носителей катализаторов.

9. На основании проведенных исследований разработаны методы прогнозирования долговечности и разрушения конструкций из композиционных материалов с хрупкими и пластичными компонентами на основе сплавов и соединений титана при различных условиях нагружения и эксплуатации. Показано, что разрушение конструкций на основе композиционных материалов с пластичными компонентами носит характер постепенного накопления повреждаемости, описываемого интегральными критериями длительной прочности* Для конструкций на основе, композиционных материалов с хрупкими компонентами показана целесообразность использования для прогнозирования разрушения структурно-феноменологической модели механики неоднородных сред в постановке нелинейной теории упругости, описывающей процесс деформирования материала с учетом развития в нем повревденннх областей, однако не носящего временного характера и определяемого уровнем действующей нагрузки.

10. Результаты исследований нашли применение в теоретических и прикладных работах ШТЦ Ш г.Пермь, ИГ СО РАН г.Новосибирск,

ИГХ УрО РАН г.Пермь, НПО "Композит" г.Калининград МО, НПО "Молния" . г.Москва, НПО "ГШХ" г.С.-Петербург.

По 13.10 Инновационной программе НТП "Трансфертные технологи комплексы и оборудование" в 1992 - 1994 г.г. изготовлено продукции на сумму I .млн. 100 тыс. руб.

Экономический эффект от внедрения составил в 1991 - 1992 г.г. 4 300 ООО руб.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЭДУЩИХ ОСНОВНЫХ ПУБЛИВДЯХ:

1. Яковлев И.В., Сиротенко Л.Д., Ханов A.M. Сварка взрывом волокнистых композиционных материалов. Новосибирск: Наука, 1991. 120 с. (монография).

2. Сирин D.П., Хронуеов B.C., Сиротенко Л.Д. Механизм износа рабочих частей разделительных и вытяжных штампов. Пермь, 1989. 126 с. Деп. в ВИНИТИ, If 1Ь4-мш о9 (монография).

3. Анциферов В.Н., Швецов A.B.Кравцова (Сиротенко) Л.Д. Длительная прочность спеченных титановых сплавов //Порошковая металлургия. 1979. №3. С.67-70.

4. Кравцова (Сиротенко) Л.Д. О применимости критериев длительной прочности в условиях переменного нагружения //Прикладные проблемы прочности и пластичности. Алгоритмизация решения задач упругости и пластичности: Всесоюзн. межвуз. сб. Горький: ГТУ, 1980.

С.153-159.

5. Анциферов В.Н., Кравцова (Сиротенко) Л.Д., Людаговский A.B. Жесткость рамных конструкций, усиленных накладками из композиционного материала //Механика конструкций из композиционных материалов: Материалы Ш Всесоюзного симпозиума. Ереван: Ин-т механики Арм. ССР, I960. С.122.

6. Анциферов В.Н., Сиротенко Л.Д. Ползучесть и длительная прочность композиционного материала Ti - Mo при различных условиях нагружения*//Новые конструкционные' стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Материалы Всесоюзн. научно-техн. конф. Запорожье: машиностр. ин-т, 1980. С.52-53.

7. Анциферов В.Н., Кравцова (Сиротенко) Л.Д., Людаговский A.B. Никольский В.И. Местное усиление пространственных конструкций накладками из композиционного материала //Механика композитных материалов. 1981. М. С. 150-153.

8. Анциферов В.H., Людаговский A.B., Сиротенко Л.Д. О кинетике изменения повреждаемости композиционных материалов при кратковременном и длительном нагру7кении //Аннотация докладов Пятого Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике. Алма-Ата, 1981. С.29.

9. Анциферов В.Н., Сиротенко Л.Д., Ханов A.M., Яковлев И.В. Длительная прочность волокнистого композиционного материала на основе титана //Материалы У Всесоюзной ковф. по композиционным материалам (Вып. I). М.: Iffy, 1981. G.98-99.

10. Кравцрва (Сиротенко) Л.Д. О практическом использовании интегральных критериев для исследования длительной прочности //Порошковая металлургия: Сборн. статей. Куйбышев: КАИ, 1961. С.9-14.

11. Харченко В.П., Сирин Ю.П., Сиротенко Л.Д. и др. Электроискровое упрочнение штампов //Производство металлоизделий и нестан-дартизированного оборудования. Обз. инф. M., 1985. №3. 45 с.

12. Antsiferov V.N., Sirotenko L.D., Khanov A.M., Yakovlev I.V. Effect to technological, structural factors and explotation conditions on creep and durability of fiber reinforced titanum composites // Proc. of the IX-th Inter. Conf. on high energy rate fabrication. Novosibirsk, 1986. P. 229-232.

13. Хронусов B.C., Сиротенко Л'.Д. Влияние электроискровой упрочняющей обработки на износ разделительных штампов //Вестник машиностроения. 1987. !Г«2. С.53-55.

14. Хронусов B.C., Сиротенко Л.Д. Повышение стойкости штампов электроискровым легированием при изготовлении мебельной фурнитуры //Отеч. произв. опыт. Мебель. Зкспресс-инф. М. : ВНИПИЭИлеспром, 1987. »10. С.2-10.

15. Электроискровое упрочнение штампов. Руководящий технический материал (РТМ 205 РСФСР 64-88) //Хронусов B.C., Сирин Ю.П., Сиротенко.Л.Д. и др. Пермь: РЙПК ММП, 1988. 39с.

16. Шиперов В.А., Бегишев В.П., Славнов S.B., Ханов A.M., Сиротенко Л.Д. Объемное .легирование полимерных материалов порошкообразными компонентами //Модификация полимерных материалов в процессе их переработки - и модификация формованных изделий из них: Материалы науч.-техн. конф. Ижевск, механический ин-т, 1988. С.98.

17. Сиротенко Л.Д. Пооперационный расчет перерабатываемого сырья и материалов при изготовлении прессованных изделий //Проблемы и перспективы автоматизации управления производством: Материалы Республ. науч.-техн. конф. Пермь, 1989. С.59-60.

18. Ханов A.M., Васильева Н.Ф., Пономарев Ю.И., Клячкин B.C.,

Матыгуллина E.B., Сиротенко Л.Д. Технологические аспекты получения -блочных катализаторов решетчатой структуры, их свойства и структура //Материалы 4-ой Европейской конференции-выставки по. материалам и технологиям. С.-Петербург, 1993. С.27.

19. Ханов A.M., СиротенкоXД., Матыгуллина Е.В., Клячкин Ю.С, Материалы сотовой структуры на основе полидисперсных систем //Композиционные материалы на металлической и неметаллической основе, пути эффективного применения их в изделиях военной и гравданской продукции: Материалы научн.-техн. конф. И.: НТЦ ИШОРМТЕХНИКА, 1993. С.12.

20. Ташкинов A.A., Аношкин А.Н., Сиротенко Л.Д., Ханов A.M. Исследование механизма разрушения керамических материалов с регулярной решетчатой структурой //Материалы 10-й международной Зимней школы по механике сплошных сред. Пермь. 1995. С.236.

21. Ханов A.M.,.Сиротенко Л.Д., Матыгуллина Е.Б., Клячкин Ю.С Технологическое регулирование механических свойств сотовых материалов на основе керамических поладисперсных систем //Материалы 10-й меадународной Зимней школы по механике сплошных сред. Пермь. 1995. С.247.

22. Ханов A.M., Сиротенко Л.Д., Васильева Н.Ф., Матыгуллина Е.В. Прочность матриц для экструдирования сотовых материалов )/ Вестник машиностроения. 1995. М. С.3-6.

23. Ханов A.M., Ободовская Л.А., Матыгуллина Е.В., Сиротенко Л.Д., Васильева Н.§. Устройство для определения готовности пластифицированных масс к экструзионному формованию. Приоритет № 94-006826 от 24.02.94 г. Решение о выдаче патента от 22.08.96 г.

24..Ханов A.M., Матыгуллина Е.В., Сиротенко Л.Д. Технологические аспекты носителей катализаторов решетчатой структуры для нейтрализации вредных веществ //Химическое разоружение - 96. Экология и технология: Материалы Всероссийской конф. с медунар. участием. Ижевск, 1996. С.43.

25. Аношкин А.Н., Сиротенко Л.Д., Матыгуллина Е.В., Ханов A.i Стрельников В.Н. Кинетика развития повреждаемости катализаторов решетчатой структуры на основе керамики //Материалы II-ой международной Зимней школы по механике сплошных сред. Пермь. 1997. С.4(

26. Ханов A.M., Матыгуллина Е.В., Сиротенко Л.Д., Стрельников В.Н., Онорин O.A. Применение оборудования по переработке, пластифицированных масс для получения материалов сотовой структуры //Конверсия организаций и предприятий технической химии: Ма-

териалы 6-й научно-методической конференции. Казань, 1997. С.61.

27. Ханов A.M., Матыгуллина Е.Б., Онорин O.A., Сиротенко Л.Д." Получение материалов сотовой структуры //Физико-химические проблемы создания керамики специального и общего назначения на основе синтетических и природных материалов: Материалы Всероссийской конф. Сыктывкар. 1997. С.79.

28. Matigullina E.V., Khanov A.M., Strelnikov V.N., Sjrrotenko L.D.. New fields of oxide monolith application // Monolith honeycomb supports and catalysts: Proc. of the Second international seminar. Novosibirsk, 1997. P. 81.

29. Аношкин A.H., Сиротенко Л.Д., Ханов A.M., Матыгуллина IS.В. Численное моделирование развития зон разрушения решетчатых конструкций на основе армированной керамики //Перспективные химические технологии и материалы: Материалы Ыездународной науч.-техн. конф. Перш 1997. С.252.

30. Римм Э.Р., Кравцова (Сиротенко) Л.Д. Применение вариационного принципа Гаусса к решению динамических задач теории пластичности //Гидравлические и прочностные характеристики машин.и конструкций: Межвуз. сб. науч. тр. №183). Пермь: ПТУ, 1976. С.128-133.

31. Анциферов В.Н., Кравцрва (Сиротенко) Л.Д. Практическое использование обобщенного критерия длительной прочности для прогно-зировашш. длительных механических характеристик конструкционных материалов //Применение спеченных и композиционных материалов в машиностроении: Материалы научно-техн. семинара. Пермь, 1979. С.13--16. *

32. Анциферов В.Н., Кравцова (Сиротенко) Л.Д. Длительная прочность композиционного материала в направлении армирования при переменном нагружении //Применение спеченных и композиционных материалов в машиностроении: Материалы научно-технич. семинара. Пермь, 1979. С.65-68.

33. Сиротенко Л. Д. Влияние характера разрушения на повреждаемость композиций на титановой основе //Применение спеченных и композиционных материалов в машиностроении: Материалы научно-техн. семинара. Пермь, 1981. С.13-14.

34. Ханов A.M., Сиротенко Л.Д., Яковлев И.В. Свойства волокнистого композиционного материала на основе титана, полученного сваркой взрывом //Материалы современной техники: Сб. статей. Пермь, 1986. С.28-33.

35. Матыгуллина Е.В., Ханов A.M., Анциферова И.В., Сиротенко Л.Д. Разработка эффективных связующих композиций для материа-

лов сотовой структуры на основе полидисперсных систем //Проблемы .современных материалов и технологий: Сб. науч. тр. Пермь, 1995. С.45-56.

36. Аношкин А.Н., Сиротенко Л.Д., Анциферова И.В., Матыгулли-на Е.В.,' Ханов A.M. Разрушение сотовых материалов с регулярной решетчатой структурой при различных условиях нагружения //Проблемы

■современных материалов и технологий: Сб. науч. тр. Пермь, 1995. С.57-67.

37. Матыгуллина Е.В., Сиротенко Л.Д., Анциферова И.В., Ханов

A.M. Исследование реологических свойств пластических масс и их значение при проектировании оборудования для экструдирования сотовых материалов //Проблемы современных материалов и технологий: Сб. науч. тр. Пермь, 1995. С.68-79.

36. Ханов A.M., Матыгуллина Е.В., Сиротенко Л.Д., Стрельников

B.Н. Применение оборудования, используемого на предприятиях технической химии, для получения материалов сотовой структуры //Наукоемкие полимеры и двойные технологии технической химии: Материалы Второй Уральской конференции. Пермь, 1997. С.30.

Сдано в печать 04.03.98 г. Формат 60x84/16. Объем 2 уч.-изд. л. Тираж 100. Заказ 1018. Ротапринт ПГТ7.

'V../ ,

2 оГ ад-

о

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

Ъо //'

"УНИВЕРСИТЕТ

№

На пр;

•укописи

СИРОТЕНКО Людмила Дмитриевна

СТРУКТУРНО-ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ

05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные

материалы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -член-корреспондеь-" РАН,

доктор технически:; наук, профессор В.Н.Анциферов

Пермь - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.................... 4

Глава I. ВЛШНИЕ СТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НА РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ .................. 15

1.1. Структурный и феноменологический подходы к проблеме разрушения ............. 15

1.2. Прогнозирование прочности и долговечности структурно-однородных материалов ....... 17

1.3. Критерии разрушения структурно-неоднородных материалов.................. 30

1.4. Влияние технологических и структурных факторов на прочность и долговечность композиционных материалов и конструкций...............35

1.5. Постановка задачи исследований........ 62

Глава 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ФОРМИРОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ, ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ . 67

2.1. Длительная прочность композиционных материалов

с пластичной матрицей и пористыми "включениями" 67

2.2. Влияние структурных параметров и состояния поверхности раздела на длительные прочностные и деформационные характеристики волокнистых композиций с пластичными компонентами ...... 72

2.3. Прочность и разрушение дискретноармированных композиций с хрупкими компонентами . ..... 112

Глава 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЧНОСТНЫХ И

ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ НАГРУЖЕНИИ......140

стр.

3.1. Прогнозирование долговечности композиционных материалов с пластичной матрицей и пористыми "включениями" при нестационарном нагружении 141

3.2. Ползучесть и длительная прочность непрерывно-армированных волокнистых композиционных материалов с пластичными компонентами при различных схемах нагружения ............ 164

Глава 4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И&ЗРУШЕНИЯ

КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНШ........ 186

4.1. Длительная прочность армированных труб из волокнистого композиционного материала с пластичными компонентами в условиях двухосного переменного нагружения ........... 186

4.2. Разрушение конструкций решетчатой структуры на основе волокнистых композиционных материалов с хрупкими компонентами при различных условиях нагружения ............. 199

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ .................... 253

ЛИТЕРАТУРА...................... 258

ПРИЛОЖЕНИЕ...................... 278

ВВЕДЕНИЕ

Основой создания новых композиционных материалов на основе металлических сплавов и неорганических соединений является теоретическое и экспериментальное исследование в широком диапазоне свойств создаваемых материалов, важнейшими из которых являются прочность и долговечность при различных схемах действующей нагрузки, отражающие реальные условия эксплуатации изделий. Разработка методов прогнозирования характера разрушения и срока службы конструкций с учетом технологических и структурных факторов является в настоящее время важнейшей задачей механики композиционных материалов и технологической науки, решение которой позволит с минимальной трудоемкостью проектировать и создавать конструкции с оптимальными прочностными свойствами.

Использование металлов, их сплавов и неорганических соединений в качестве матричной основы предполагает формирование различных типов композиционных материалов: с пластичной и хрупкой матрицей; с армирующими элементами в виде волокон с различными свойствами, конфигурацией и взаимным расположением, а также в ввде пор, которые при моделировании разрушения рассматриваются как включения с нулевой прочностью или нулевым модулем упругости. При таком структурном разнообразии и существенных различиях степени неоднородности разработка единого математического аппарата для описания разрушения данных композиционных систем не представляется возможной. Выбор метода описания процэссов разрушения зависит от поведения композитов, которые могут вести себя как хрупкие материалы, как материалы, обладающие сложной текучестью и как пластичные материалы. Другим важным фактором, предопределяющим выбор модели разрушения, является фактор времени: если пластическое длительное разрушение композитов предполагает время основополагающим парамет-

ром при моделировании, то для хрупких материалов, прочность кото -рых не зависит от длительности действия нагрузки, введение временного параметра в модель не предусматривается, что приводит к существенной смене методов описания процессов накопления поврезвдений. В этих условиях весьма актуальным является установление соответствия между классификационными признаками композиционных материалов, характером и методами описания их разрушения как структурно-неоднородных систем при произвольных схемах нагружения и условиях эксплуатации.

Для прогнозирования разрушения структурно-неоднородных материалов и конструкций на их основе наиболее эффективным является структурно-феноменологический подход микромеханики неоднородных сред, реализуемый с помощью численных методов. Однако его использование для задач прикладного характера даже в рамках теории упругости сопровождается не всегда преодолимыми трудностями теоретического и прикладного характера. Одной из наиболее перспективных областей применения данного метода является широкий круг актуальных производственных задач прогнозирования разрушения композиционных материалов и конструкций, не обладающих временной зависимостью прочности в эксплуатационном интервале нагрузок.

Для конструкций на основе композиционных материалов, прочность которых зависит от длительности и схемы действующей нагрузки, для исследования разрушения необходимо привлечение теорий накопления повреждаемостей, возможности использования которых для вновь разрабатываемых структурно-неоднородных и анизотропных материалов на основе металлических сплавов и неорганических соединений практически не изучены.

Существующие методы прогнозирования длительной прочности и деформационных характеристик при переменных нагружениях далеко не во всех случаях дают удовлетворительные результаты даже для одно-

родных и хорошо изученных материалов при простейших условиях на-гружения, что связано с ограниченностью формального использования критериев длительной прочности, не учитывающего многообразие физических процессов и явлений, структурно-фазовых изменений, происходящих в материале при достаточно произвольно изменяющейся во времени системе нагрузок, существенно влияющей на кинетику развития повреждаемостей по сравнению с условиями постоянно действующего нагружения. Открытым является также важный для практики прогнозирования сроков службы конструкций вопрос сравнительного анализа существующих критериев длительной прочности, предопределяющего надежные и минимально трудоемкие методы выбора критерия, наиболее достоверно описывающего развитие повреждаемости для данного материала и условий нагружения, поскольку не является теоретически и экспериментально доказанной правомерность использования значений функции повреждаемости в момент разрушения в качестве сравнительной оценки различных теорий накопления повреждений.

Решение такого рода теоретически-экспериментальных проблем для композиционных материалов с минимальной степенью структурной неоднородности, позволяющей моделировать их как квазиоднородные материалы, позволяет перейти к более сложным задачам прогнозирования длительной прочности и разрушения вновь создаваемых существенно структурно-неоднородных композиционных материалов и конструкций в условиях сложного напряженного состояния и переменного нагружения.

Особенностью моделирования разрушения и прогнозирования длительной прочности композиционных материалов и конструкций с искусственно формируемой структурой является определяющая роль в развитии кинетики повреждаемости технологических и структурных факторов, состояния внутренних поверхностей контакта разнородных составляющих композита, их механического и физико-химического взаи-

модействия. Это обстоятельство создает чрезвычайно серьезные трудности в разработке количественных методов прогнозирования прочности и долговечности и использования для этих целей существующих феноменологических представлений о разрушении. Современное состояние механики разрушения композиционных материалов свидетельствует о необходимости "офизичивания" феноменологических теорий, так как только познание внутренних процессов, ответственных за макроявление, позволит надеяться на удовлетворительное количественное описание кинетических процессов развития повреждаемости конструкций при различных условиях нагружения и эксплуатации.

Наименее исследованной областью механики разрушения композиционных материалов является расчет на прочность и долговечность конструкций на их основе при различных схемах действующей нагрузки. Одновременность создания конструкции или элемента конструкции и самого композиционного материала приводит к резкому возрастанию значимости технологических факторов для определения прочности и долговечности конструкции в целом. При этом следует учитывать, что создание нового материала требует как правило принципиальной смены технологии, а, следовательно, изменения структурных параметров и физико-химического взаимодействия на поверхности раздела, что нередко приводит к необходимости не только большого объема дополнительных экспериментальных исследований, но и к необходимости существенных изменений моделей разрушения. Кроме того, особенностью разработки расчетной схемы прочности и долговечности конструкций из композиционных материалов является необходимость разумного компромисса между выбором модели разрушения как структурно-неоднородного материала, весьма сложной в математической постановке и численной реализации, и моделированием разрушения конструкции как однородной анизотропной среды, требующим сложных и объемных экспери-

ментальных исследований свойств в различных направлениях. И, наконец, при выборе расчетной схемы конструкции из композиционных материалов при различных условиях нагружения нельзя не учитывать специфику композиционных материалов, состоящую в том, что разрушение какого-либо элемента структуры и поверхности раздела не обязательно приводит к потере несущей способности, а является локальным актом процесса разрушения, предшествующим макроразрушению конструкции.

Таким образом, проблемы создания новых композиционных материалов и конструкций неразрывно связаны с исследованием закономерностей влияния структурных и технологических факторов и условий на границе раздела на процессы их разрушения, а также с разработкой и совершенствованием методов достоверного прогнозирования прочности и долговечности конструкций, которые с каяуцым годом становятся все более актуальными.

Необходимость решения указанных задач обусловила выбор диссертационной темы, посвященной теоретическому и экспериментальному исследованию, сравнительному анализу и конкретизации применительно к вновь создаваемым композиционным материалам и конструкциям на основе металлов, их сплавов и неорганических соединений существующих методов прогнозирования разрушения при различных условиях нагружения с учетом технологических, структурных факторов, взаимодействия на границе раздела компонентов и условий эксплуатации.

Для решения поставленной задачи в качестве объекта исследования были выбраны композиционные материалы на основе сплавов и соединений титана, характеризующиеся различными механизмами разрушения и в то же время обладащие достаточной общностью для оценки прочности широко используемых на практике групп композиционных материалов.

В работе решены следующие задачи:

- установлены закономерности влияния условий получения и эксплуатации на структуру, прочность, долговечность и характер разрушения композиционных материалов и конструкций на основе сплавов и соединений титана при различных условиях нагружения; анализ микроструктурных особенностей и характера физико-химического взаимодействия на гранищх раздела компонентов композиционных материалов позволил сформулировать оптимальные условия получения и эксплуатации, обеспечивающие максимальный эффект упрочнения и зависящие от характеристик компонентов и совокупности технологических параметров при различных схемах действующей нагрузки, в том числе произвольным образом изменяющейся во времени;

- получены количественные оценки влияния технологических, структурных факторов, состояния поверхности раздела компонентов и условий эксплуатации на упругие, прочностные свойства и долговечность композиционных материалов и конструкций на основе сплавов и соединений титана; исследован характер разрушения в условиях длительного нагружения; приведены аппроксимирующие зависимости между постоянно действующим напряжением и долговечностью;

-рассмотрено влияние технологических и структурных факторов на механизм разрушения композиционных материалов в условиях ползучести; получены теоретически и экспериментально подтверждены аналитические зависимости долговечности композиционных материалов от постоянно действующих напряжений с учетом характеристик ползучести и длительной прочности компонентов с учетом влияния термической обработки;

- показана возможность использования обобщенного интегрального критерия длительной прочности для прогнозирования времени разрушения композиционных материалов на основе сплавов титана; установлен критерий сравнения различных теорий накопления повреждений по величине скорректированной повреждаемости; разработан метод практической

реализации критериев длительной прочности, основанный на минимизации среднеквадратического отклонения от единицы скорректированной повревдаемости в момент разрушения; этот метод позволяет учесть возможные отклонения механизма накопления повревдаемостей при нестационарном нагружении по сравнению со случаем постоянно действующей нагрузки;

- получено критериальное уравнение для определения долговечности цилиндрических оболочек из волокнистых титановых композиций, армированных в кольцевом направлении в условиях двухосного импульсного нагружения с учетом прочностных свойств компонентов и условий связи на границе раздела, показано согласие расчета с экспериментом

- приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов разрушения конструкций, представляющих собой регулярные решетчатые структуры на основе диоксида титана, армированные стекловолокном; для прогнозирования эффективных упругих и прочностных характеристик, а также моделирования возможного характера развития зон разрушения решетчатого каркаса использовался структурно-феноменологический подход микромеханики неоднородных сред, реализованный на основе метода локального приближения и метода конечных элементов; показано, что механизм разрушения и прочность элементов конструкций решетчатой структуры существенно зависит от вида напряженного состояния; приведены экспериментальные результаты по исследованию разрушения и определению эффективных прочностных характеристик решетчатых конструкций.

Диссертационная работа обобщает работы автора, выполненные в 1979 - 1997 г.г. в РИТД ПГТУ, Республиканском ИПК руководящих работников и специалистов, в Институте технической химии УрО РАН г.Перми.

Проведенные исследования позволили решить ряд задач научного и практического характера по разработке, изготовлению и прогнози-

рованию предельной несущей способности и срока службы композиционных материалов и конструкций на основе титана и его неорганических соединений.

Для защиты представлены:

- теоретические и экспериментальные результаты исследования долговечности и характера разрушения в условиях постоянного напряжения композиционных материалов на основе сплавов и соединений титана с учетом структурных, технологических факторов и состояния поверхности раздела компонентов, регулируемых в процессе их получения;

- критерий сравнения различных теорий накопления повреждаемостей для прогнозирования длительной прочности композиционных материалов при нестационарном нагружении и методика его практической реализации, позволяющая феноменологически описать