Деформаційна пошкоджуваність анізотропних ОЦК-структур

Abstract

У процесі деформування твердого тіла зміна його структури відбувається у взаємозв'язку всіх масштабних рівнів, що призводить до розвитку незворотної деформації і, зрештою, до руйнації матеріалу. Аналіз результатів експериментальних досліджень структур різних масштабних рівнів пластичної деформації та руйнування показав, що ключову роль у результатах відіграють процеси масштабного рівня субмікротріщин з розмірами 0.1-0.3 мкм. При цьому процес руйнування відбувається як за рахунок зародження нових мікротріщин, так і за рахунок їх розвитку. Дефекти суцільності твердих тіл (пори, мікротріщини) на цьому рівні називають «ушкодженостями» і, відповідно, частина мікромеханіки, яка вивчає процеси зародження та розвитку порушень суцільності, виділилася в «механіку пошкодженості». Завдання, які стоять перед механікою пошкоджень – це встановлення умов руйнування різноманітних машин, механізмів, конструкцій та споруд, підвищення довговічності їх, надійності, гарантій безпеки. А ці завдання для науки завжди були, є та будуть актуальними. Тому механіку міцності часто називають «вічно молодою». У даний час проводяться різні та різнобічні експериментальні дослідження процесів накопичення пошкоджень та впливу їх на руйнування матеріалів. Кількість таких робіт завжди була дуже великою, і кількість нових досліджень безперервно збільшується. Це пов'язано з багатогранністю аналізованих процесів, великою кількістю фізичних механізмів, що їх реалізують, особливостями розвитку пошкодженості в залежності від складу матеріалу, його фізико-механічних властивостей (наприклад, енергії дефекту упаковки та розміру зерна), форми зразка, схеми, що реалізується, і режимів навантаження (одновісне або тривимірне, просте або складне, монотонне або циклічне), температурних умов експерименту. У більшості випадків це роботи, в яких експериментальними методами перевіряються деякі розроблені математичні моделі пошкодженості та руйнування або уточнюються границі їх застосування. Друга частина робіт з даної тематики — це опис досліджень у межах так званої континуальної теорії пошкодженості. У рамках таких моделей в структуру визначальних співвідношень явно вводяться внутрішні змінні, (наприклад пошкодженість D Работнова-Качанова), що описують розподіл пошкоджень у матеріалі. У даний час швидко розвивається «фізичний підхід», заснований на описі пошкодженості та руйнування із застосуванням фізичних теорій пластичності, в основі формулювань визначальних співвідношень, гіпотез та основних положень яких лежить розгляд у явній формі механізмів деформування на мезо- та мікромасштабах (тобто масштабних рівнях, менших за рівень представницького об’єму). Слід зазначити, що переважну більшість робіт з тематики пошкоджень проведено для ізотропних матеріалів, тобто для безтекстурних об'єктів. У той же час більшість кристалічних тіл є – анізотропними, анізотропія – це фундаментальна властивість кристалічної будови. In the process of deformation of a solid state, a change in its structure occurs in the interconnection of all scale levels, which leads to the development of irreversible deformation and, ultimately, to the destruction of the material. The analysis of the results of experimental studies of structures of different scales of plastic deformation and fracture showed that the key role in the results is played by the processes of the scale level of sub-microcracks with dimensions of 0.1-0.3 µm. In this case, the cracking process occurs both due to the nucleation of new microcracks and their development. Defects in the continuity of solids (pores, microcracks) at this level are called “damage” and, accordingly, the part of micromechanics that studies the processes of nucleation and development of continuity violations has been distinguished into “damage mechanic”. The tasks of damage mechanics are to establish the conditions of destruction of various machines, mechanisms, structures and facilities, to increase their durability, reliability and safety guarantees. And these tasks have always been, are and will be relevant for science. Therefore, strength mechanics is often called “forever young”. Currently, various and diverse experimental studies are being carried out on the processes of damage accumulation and their impact on material fracture. The number of such works has always been very large, and the number of new studies is constantly increasing. This is due to the complexity of the analysed processes, the large number of physical mechanisms that implement them, the peculiarities of damage development depending on the material composition, its physical and mechanical properties (e.g., packing defect energy and grain size), the shape of the sample, the scheme implemented, and the loading modes (uniaxial or three-dimensional, simple or complex, monotonic or cyclic), and the temperature conditions of the experiment. In most cases, these are studies verifying some of the developed mathematical models of damage and fracture or specifying the limits of their application by experimental methods. The second part of the studies on this topic is a description of research within the scope of the so-called continuum theory of damage. In such models, internal variables (e.g., Rabotnov-Kachanov damage D) are explicitly introduced into the structure of the defining relations, describing the damage distribution in the material. At present, a “physical approach” based on the description of damage and fracture using physical theories of plasticity is rapidly developing, based on the formulation of the defining relations, hypotheses and basic provisions of which are based on the explicit consideration of deformation mechanisms at meso- and microscales (i.e., scale levels smaller than the level of a representative volume). It should be noted that the vast majority of work on damage has been carried out for isotropic materials, i.e., for textureless objects. At the same time, most crystalline bodies are anisotropic, and anisotropy is a fundamental property of crystal structure.