ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ И НАНОКРИСТАЛИИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ЧАСТЬ 3 Скрипняк Владимир Альбертович, доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой механики деформируемого твердого тела Томского государственного университета.

Содержание 1.Мотивация исследований механического поведения наноструктурных и нанокристаллических материалов при ударно-волновом нагружении. 2.Проблемы моделирования механического поведения объемных наноструктурных и нанокристаллических материалов при динамическом нагружении. 3.Физико-механический подход к описанию и прогнозированию механического поведения наноструктурных и нанокристаллических материалов. 4.Влияние ультрамелкой зеренной структуры на механическое поведение некоторых материалов при высокоскоростной деформации Al 2 O 3 и ZrO 2 3 mol.% Y 2 O 3 наноструктурной керамики; Al 2 O 3 и ZrO 2 3 mol.% Y 2 O 3 наноструктурной керамики; наноструктурного Ti и нанокристаллического Ni. наноструктурного Ti и нанокристаллического Ni. 5.Актуальные проблемы и направления дальнейших исследований.

Рис. 1. Влияние среднего размера зерна на предел текучести материалов

Рис. 2. Зависимость статического предела текучести титанового сплава BT1-0 от размера зерна. Измельчение зерна достигнуто методом РКУП

Рис. 3. Влияние размеров зерна на напряжение течения в Fe. По данным работы D. Jia et al. (2003)

Рис. 4. Упрочнение наноструктурной меди, полученной методом интенсивной пластической деформации

Рис. 5. Влияние размеров зерна на предел текучести алюминиевых сплавов. По данным Т. Mukai, K. Higashi (2001)

Рис. 6. Зависимость предела текучести от скорости деформации для некоторых наноструктурных и нанокристаллических материалов. По данным работы K.S. Kumar et al. (2003)

Изучение механического поведения материалов с субмикронными размерами зерна при интенсивном динамическом нагружении стимулируются следующими обстоятельствами: возможностью получения фундаментальных знаний о закономерностях деформации материалов с ультрамелкими размерами зерна при высоких скоростях деформации; возможностью получения фундаментальных знаний о закономерностях деформации материалов с ультрамелкими размерами зерна при высоких скоростях деформации; уникальной возможностью для изучения микромеханизмов, обуславливающих генерацию дефектов структуры, зарождение повреждений в наноструктурных и нанокристаллических материалах при высоких скоростях деформации; уникальной возможностью для изучения микромеханизмов, обуславливающих генерацию дефектов структуры, зарождение повреждений в наноструктурных и нанокристаллических материалах при высоких скоростях деформации; возможностью получения данных о механических свойствах наноструктурных материалов при динамическом нагружении и высоких скоростях деформации, необходимых при разработке большого количества технических приложений. возможностью получения данных о механических свойствах наноструктурных материалов при динамическом нагружении и высоких скоростях деформации, необходимых при разработке большого количества технических приложений.

Проблемы моделирования механического поведения объемных наноструктурных и нанокристаллических материалов при динамическом нагружении 1.Необходимость учета в уравнении состояния наноструктурных и нанокристаллических материалов пористости и неравновесного состояния границ зерен. 2.Необходимость учета в модели аномалий в закономерностях деформационного упрочнения, влияния скорости деформации на чувствительности напряжения течения и влияния температуры наноструктурных и нанокристаллических материалов. 3.Необходимость учета микролокализации деформации, зарождения и развития повреждений при динамическом нагружении наноструктурных и нанокристаллических материалов.

Рис. 7. Экспериментальные данные о сжимаемости поликристаллического и нанокристаллического никеля. Расчетные кривые получены с использованием уравнения Берча- Мурнагана

Рис. 8. Зависимость продольной скорости звука в керамике от относительного объема пор Рис. 9. Структура межзеренных границ в нанокристаллической ZrO 2 керамике

Рис. 10.Влияние состояния границ наноструктурного титанового сплава BT1-0 на значение модуля Юнга

Физико-механический подход к описанию и прогнозированию механического поведения наноструктурных и нанокристаллических материалов Базовые гипотезы 1.Макроскопические физические и механические свойства наноструктурных и нанокристаллических материалов описываются совокупностью термодинамических и кинематических параметров состояния, которые игнорируют дискретное атомарное и молекулярное строение материалов. 2.Макроскопические параметры являются среднестатистическими параметрами состояния в представительном объеме материала. 3.Влияние структурных факторов на макроскопические параметры состояния учитываются в определяющем уравнении через усредненные структурные характеристики (микромеханические параметры модели). 4. В рамках континуального подхода механическое поведение наноструктурных и нанокристаллических материалов описывается в предположении о выполнении принципа виртуальной работы.

Рис. 11. Учет распределения зерен по размерам в наноструктурных и нанокристаллических материалах

Влияние ультрамелкой зеренной структуры на механическое поведение Al 2 O 3 наноструктурной керамики Рис. 12. Экспериментальные профили плоских ударных волн в образцах высокоплотной поликристаллической и пористой наноструктурной Al 2 O 3 керамики

Рис. 13. Результаты моделирования ударно-волнового нагружения наноструктурной Al 2 O 3 керамики. Начальная пористость ~ 12 %

Рис. 14. Результаты расчета деформации поликристаллической и наноструктурной Al 2 O 3 керамики при нагружении плоскими ударными волнами

Рис. 15. Моделирование импульсной догрузки ударно- сжатой поликристаллической Al 2 O 3 керамики

Влияние ультрамелкой зеренной структуры на механическое поведение ZrO 2 3 mol.% Y 2 O 3 наноструктурной керамики Рис. 16. Моделирование механического поведения поликристаллической и наноструктурной ZrO 2 3 mol.% Y 2 O 3 при ударно-волновом нагружении

Рис. 17. Деформация ZrO 2 керамики при нагружении плоскими ударными волнами. Высокоплотная поликристаллическая. Наноструктурная (размер зерна 40 нм) 15,4 % пористости

Влияние ультрамелкой зеренной структуры на механическое поведение Ti и Ni при высокоскоростной деформации Рис. 18.Результаты моделирования нагружения никелевого сплава НП-2 плоской ударной волной

Рис. 19. Влияние размеров зерна технически чистого никеля на чувствительность напряжения течения к скорости деформации

Рис. 20. Результаты моделирования распространения ударных импульсов в титановых сплавах

Рис. 21. Расчетные напряжения при деформации наноструктурного титана во фронте плоской ударной волны Рис. 22. Расчетный и экспериментальный профили ударного импульса в наноструктурном титановом сплаве ВТ1-0

Рис. 23.Расчетные зависимости напряжения течения наноструктурного титанового сплава BT1-0 при деформации во фронте ударных волн

Рис. 24. Моделирование пластического течения в титановых сплавах в широком диапазоне скоростей деформации