Модели микроструктурные

Поскольку в волокнистых композитах поверхность раздела является границей физически, химически и механически не совместимых фаз, необходимо знать, какой вклад она вносит в прочность композита. Аналитические модели в предположении совершенной поверхности раздела позволяют просто рассчитать механические свойства. В действительности же может происходить (и часто происходит) потеря стабильности [58, гл. 3]. Поэтому в следующих разделах основное внимание будет уделено анализу свойств хорошо изученных волокнистых композитов. Наиболее детально изучена система алюминий—нержавеющая сталь кроме того, будут рассмотрены системы, армированные волокнами бора и вольфрамовой проволокой. Там, где это возможно, применимость идеализированных моделей к реальным системам будет оцениваться с помощью микроструктурного анализа. [c.238]

Поскольку форма, размер и распределение микроструктурных неоднородностей, фаз и т. п. всегда подвержены статистическим вариациям, то и механическое поведение подвержено изменчивости при переходе от образца к образцу и изменении размеров. Исключительно важная проблема состоит в установлении допустимых уровней работы натурных деталей на основе данных по прочности лабораторных образцов (моделей). Если источники изменчивости выяснены и имеется достаточная статистическая информация относительно прочности модельных образцов, то можно установить допустимый уровень работы натурных деталей. [c.167]

Статистические структурные модели основываются на использовании тех или иных функций плотности распределения механических свойств микроструктурных составляющих при той или иной схематизации структур [37]. Это позволяет более обоснованно описать процесс деформирования в областях повышенной неоднородности полей деформаций и отразить роль структурной неоднородности металла на его сопротивление циклическому деформированию. [c.30]

Приведенные выше критерии прочности армированного слоя основаны на структурной модели слоя, которая позволяет аналитически учесть микроструктурные параметры композита. В расчетной практике широкое распространение получили также феноменологические критерии прочности, основанные на условно однородной модели слоя. Пределы прочности такого слоя при простых видах нагружения (растяжении, сжатии, сдвиге) определяются экспериментально, а критерий прочности позволяет предсказать предельное сочетание этих напряжений при сложном нагружении слоя. Феноменологические критерии прочности иногда применяют для оценки прочности слоистого материа.ла, ес.ли известны пределы прочности материала при простых видах нагружения. Преимуществом феноменологического критерия по сравнению со структурным является его высокая точность, обусловленная тем, что феноменологический критерий по существу является аппроксимацией экспериментальных данных. Для структурных критериев требуется меньшее число экспериментальных результатов, и в отличие от феноменологических критериев они позволяют выявить механизм и форму разрушения материала. Феноменологические критерии прочности композитов подробно описаны в литературе [7, 8, 18, 25]. [c.304]

Необходимость и полезность феноменологических теорий была обоснована В.В. Новожиловым [188]. При этом допустимо установление различных уровней феноменологического описания. Например, накопление повреждений может моделироваться на основе рассмотрения в сплошной среде системы дисковых трещин или пор. Л.М. Качановым и Ю.Н. Работновым введен параметр поврежденности (или противоположный — сплошности), определяемый площадью трещин, приходящихся на единицу площади поперечного сечения тела [118, 217]. В то же время, этот параметр может и не отождествляться с какой-либо характеристикой конкретных дефектов и повреждений, если он входит в соотношения, связывающие осредненные величины. Это естественно, когда при определении материальных функций модели можно обойтись без прямых микроструктурных исследований, например, измерения площади разрывов. [c.20]

Анализ процессов разрушения материалов на микроуровне предполагает использование методов исследования, основанных на физическом металловедении и физике прочности. При этом модели физики и механики микроразрушений позволяют связать модели сплошных сред и прочность твердых тел с параметрами и дефектами строения кристаллической решетки, а также с микроструктурными особенностями твердых тел [37, 73, 74, 148, 161, 165, 266]. В этой главе мы отошли от механики сплошной бесструктурной среды и рассматриваем реальные материалы с учетом их атомарного строения. [c.17]

Расчетные модели отдельных стадий роста усталостных трещин достаточно хорошо отработаны и могут быть использованы при анализе усталостной долговечности конструкций при заданных размерах исходной трещины [98, 153, 161, 250, 291]. Существующие модели зарождения усталостных трещин в зонах концентрации напряжений позволяют прогнозировать долговечность до появления короткой трещины [159]. Причем под зарождением трещины обычно понимают образование трещины, размер которой превышает несколько размеров зерен. Большинство моделей, рассматривающих распространение коротких усталостных трещин, не учитывает преодоление вершиной трещины микроструктурных барьеров (границ двойникования и зерен, включений и др.) или лишь качественно описывает процесс мик- [c.36]

В данном пункте обсуждены модели и уравнения распространения повреждений (в виде микроструктурно и физически коротких трещин), а также микромеханика процессов повреждения материала у вершины усталостной трещины. [c.36]

Рис. 1.16. Модель распространения микроструктурно (стадия I) и физически (стадия II) коротких трещин

Кроме того в рассматриваемой модели учитывается один геометрический параметр (длина или глубина) микроструктурно короткой трещины, инициированной с поверхности, и не учитываются ориентация плоскости трещины и ее кинетика в связи с анизотропией свойств материала. В этой связи представляются перспективными исследования, связанные с моделированием как микроструктуры металлов, так и кинетики роста трещин, а также использование нейронных сетей для статистического моделирования роста коротких усталостных трещин. [c.42]

Явление идеальной пластичности материалов без разрушения получило качественное объяснение на основе модели скольжения по некоторым кристаллографическим плоскостям. Микроструктурный подход к проблеме деформирования твердых тел был предложен в теории дислокаций, результаты которой, однако, еще не позволяют получать количественные закономерности, которые достаточно отвечали бы опытным данным. Лишь в последнее время появились исследования, в которых методом теории дислокации пытаются получить количественное соответствие с феноменологической теорией пластичности. [c.263]

Оценка несущей способности элементов конструкций при малоцикловом нагружении требует, с одной стороны, решения соответствующих краевых задач о полях упругопластических деформаций в зонах концентрации напряжений и с другой — разработки соответствующих критериев разрушения. Реш ение такого рода задач обусловливает также изучение связи напряжений и деформаций с числом циклов нагружения в пластической области. В ряде случаев для описания уравнений состояния применяются статистические структурные модели [1—5], основанные на использовании функций плотности распределения механических свойств микроструктурных составляющих, причем, сами структуры оказываются в значительной мере схематизированными. [c.22]

Представления о материале матрицы как о жесткопластическом или как об идеально пластическом резко упрощают построение модели и в некоторых случаях, по-видимому, оправданны [110], Вместе с тем учет деформационного упрочнения матрицы, как правило, существенно обогащает представления о процессах перераспределения напряжений на микроструктурном уровне, В силу этого в работах [75,127] матрица представлялась упругопластическим материалом с линейным упрочнением и исследовалось влияние упругопластических свойств матрицы на распределение напряжений как в разрушившемся, так и в соседних с ним волокнах. [c.54]

Соответствующая задача для балки из композиционного материала подробно рассмотрена в работе Сана [161 ], который исследовал волны в слоистых балках, предполагая, что для каждого слоя справедливы гипотезы Тимошенко. Сан сравнил свое решение для десятислойной балки с точным решением и с решением, полученным по теории Тимошенко для однородной балки. При отношении модулей сдвига чередующихся слоев порядка 100 теория эффективного модуля, основанная на предложенном Фойгтом усреднении постоянных, приводит к результатам, достаточно хорошо согласующимся с точным решением для 2nh X< , где h — общая толщина балки. Для более коротких волн модель, предусматривающая введение эффективного модуля, существенно отличается как от микроструктурной, так и от точной. [c.291]

Второй подход предусматривает использование известных свойств структурных компонентов материала и путем усреднения, сглаживания и применения энергетических методов позволяет построить модель среды, в которой все константы выражаются через характеристики компонентов материала. Примером может служить теория Ахенбаха и Херрманна [3, 4], в которой в качестве микроструктурных элементов рассматриваются волокна, заключенные в упругую матрицу. Предполагается, что поведение волокон подчиняется гипотезам, предложенным Тимошенко для балок. В каждой точке такой эквивалентной среды вводятся две кинематические переменные — среднее перемещение в точке и и вектор вращения волокна, не зависящий от вектора и. В результате теория сводится к шести дифференциальным уравнениям движения, которые должны быть удовлетворены в каждой точке. Такой подход позволяет предсказать дисперсию сдвиговых волн. Если нормаль волны направлена вдоль волокон, а движение осуществляется поперек волокон, имеет место следующее соотношение дисперсии [c.292]

В заключение сделаем два замечания, касающиеся моделей среды, описывающих композиционные материалы. Рассматривая основные уравнения, соответствующие теориям, в которых упругие постоянные выражаются через микроструктурные параметры материала, можно отметить, что по математической структуре они эквивалентны уравнениям аксиом атических теорий, описанных ранее. Например, модель Сана и др. соответствует микрострук-турной теории Миндлина [1111, а модель Ву — микроморфной теории Эрингена. В работе Херрманна и Ахенбаха I72] обсуждается применение к композиционным материалам теории среды Коссера. Однако теории типа Сана и Ву обладают определенными преимуществами, связанными с тем, что они позволяют выразить упругие постоянные среды через микроструктурные параметры материала. В них заложена возможность непосредственной проверки предсказываемых соотношений дисперсии, в то время как в более общих аксиоматических теориях такая возможность не п редусматривается. [c.295]

Необходимо отметить, что регистрация физических явлений, возникающих при деформировании металлических образцов, наряду с исследованием микроструктурной картины существенно расширяет экспериментальные возможности установок для тепловой микроскопии. На Ленинградском металлическом заводе им. XXII съезда КПСС А. Е. Левиным была выполнена модернизация установки ИМАШ-5С-65 и на ней с применением диктофона для образцов жаропрочного сплава исследован процесс скачкообразной деформации, сопровождающийся образованием щелчков [53]. На основании анализа фонограмм были установлены температурные интервалы равномерного и скачкообразного протекания деформации, а визуальное наблюдение за поверхностью образцов и анализ фотоснимков, сделанных на установке ИМАШ-5С-65 во время опыта, позволили выяснить, что скачки связаны с процессами вчутризеренного сдвигообразования. На основании полученных экспериментальных результатов была предложена модель механизма, объясняющая скачкообразную деформацию, а также определены режимы терми- [c.131]

Выше обсуждались данные, включающие результаты испытаний Грина типа III [179] и показывающие, что водород может играть важную роль в КР алюминиевых сплавов. Теперь рассмотрим процессы, которые при этом могли бы происходить. Критический обзор микроструктурных моделей КР в алюминиевых сплавах был сделан в работе [68], где механизмы, основанные на представлениях о путях анодного растворения, или преимущественном скольжении в свободных от выделений зонах межзеренных границ (см. рис. 55) были признаны неадекватными. Остается еще две возможности, одна из которых связывает стойкость к КР с непланарным скольжением [153, 155], а другая — с ростом заполнения межзеренных границ выделениями [347] (рис. 55). Имеются экспериментальные данные, свидетельствующие в пользу как одной, так и другой возможности, однако тщательные исследования, выполненные на промышленных сплавах, показали, что наибольшие корреляционные коэффициенты получаются в случае модели, [c.143]

Для оценки прочности плунжерных пдаин по данным испытания пружин-моделей рассмотрим два крайних случая. В первом случае, если после волочения проволоки через фильтры дефекты вытянуты в продольном направлении, то можно считать, что все витки пружикн равнопрочны. Тогда кривые распределения циклической долговечности пружин-моделей и плунжерных пружин буд/т совпадать. Во втором случае, если распределение дефектов по длине проволоки носит случайный характер и связано с микроструктурной неоднородностью материала, то распределение долговечности должно подчиняться распределению крайних членов выборки. [c.121]

Вероятностная модель (ВМ) рассматривает механические повреждения — нарушения сплошности с разрывом межатомных связей и макроскопическое напряженное состояние детали как интегральный результат локальных процессов совместного деформирования и последовательного разрушения неоднородных микроструктурных элементов — квантов материала, стохастически размещенных и ориентированных в объеме детали [1]. [c.25]

Характер зависимости ст(7) (рис. 3.296) аналогичен наблюдавшемуся ранее для автокатодов из одиночных волокон [204]. Снижение уровня нестабильности с ростом тока обусловлено соответствующим увеличением количества центров эмиссии в многоэмит-терной системе I и кривая 2 при / > 1 мкА. Значительное уменьшение интенсивности ионного потока на катод также, по-видимому, способно уменьшить уровень флуктуаций тока в области адсорбционной оценки числа флуктуирующих эмигрирующих центров воспользуемся моделью квазистационарного взрывного шума. Согласно этой модели, значение сг связано с количеством центров N соотношением = 1/ст , и зависимости ст(/) рис. 3.296 преобразуются в графики N(1) рис. 3.29б. Для катодов, прошедших формовку до 600 мкА, характерно относительно малое количество центров (3—5) в области адсорбционной нестабильности. С ростом тока в области микроструктурных флуктуаций наблюдается увеличение N до 200. Минимальное число центров (150) для сильноточных катодов наблюдается при I = 1 мкА (кривая 2 рис. 3.29а), а при токе около 5 мА Л = 5000. Это в среднем соответствует 100 центрам на 1 волокно. [c.155]

Основные различия между идеализированной моделью квазихрункого разрушения и реальным разрушением MOJKHO объяснить только на микроструктурном уровне. Рассмотрим этот вопрос подробно. Среди подходов к описанию разрушения можно выделить два в нервом прочность тела характеризуется поведением магистральной [c.164]

Кинетика микроструктурно и физически коротких усталостных трещин. В рамках модели Хобсона-Брауна [318, 343 скорость распространения микроструктурно короткой треш,ины в зерне металла может быть представлена уравнением [c.39]

Приведем некоторые результаты анализа модели распространения коротких усталостных трещин на I и П стадиях в условиях циклического кручения цилиндрических образцов из среднеуглеродистой стали [145, 337]. Поскольку микроструктурно короткая трещина рас-постраняется по сдвиговому механизму, то привлечение критерия Треска достаточно обоснованно при переходе от уравнения скорости роста трещины на стадии I при одноосном растяжении-сжатии к уравнению скорости роста микроструктурно короткой трещины при сложном напряженном состоянии. Па стадии П роста физически коротких трещин критерий Треска коррелирует с экспериментальными результатами, полученными Занг [399] для области высоких значений размаха деформаций. Использование критерия Рэнкина предпочтительно для режимов нагружения с низким уровнем размаха деформаций. Согласно уравнению (1.4.8) скорость роста трещин на стадии П зависит от длины трещины и размаха деформаций, а следовательно справедливость области использования критерия Рэнкина может быть проанализирована из пороговых условий dl/dN = О (рис. 1.17). Экспериментальные точки лежат между расчетными но-эоговыми линиями, соответствующими критериям Треска и Рэнкина. Следовательно для корректного использования уравнения (1.4.8) в ninpoKOM диапазоне размахов сдвиговых деформаций А7 необходима модификация рассмотренных критериев эквивалентных состояний через соответствующие пороговые условия. [c.43]

Предложенная модель и модифицированные уравнения для стадий I и П роста коротких усталостных трещин позволяют прогнозировать долговечность гладких образцов в условиях комбинированного нагружения. Общая долговечность определяется суммированием долговечностей, соответствующих рассматриваемым стадиям распространения трещины. Долговечность 7V/ на стадии I получаем интегрированием уравнения (1.4.7) в пределах между /о (равной 1 мкм) и Itr- При этом по формуле (1.4.5) учитывается колличество скачков трещины, обусловленных преодолением микроструктурных барьеров. Интегрирование уравнения (1.4.8) раснространения физически короткой трещины в пределах между Itr и предельной длиной трещины 1с позволяет оценить долговечность Njj на второй стадии роста короткой трещины. Размер трещины соответствующий переходу трещины от стадии I к стадии П, определяется с помощью уравнения (1.4.6). [c.46]

Таким образом, если говорить о соответствии теоретических и экспериментальных полей напряжений, то идеализированную модель динамической механики разрушения следует признать удовлетворительной, за исключением случаев переходных процессов. Этот вьшод подтверждается также в работе [ 73 ]. В остальном же поведение реальньк материалов при динамическом разрушении не согласуется с идеализированным подходом к разрушению в вершине трещины и для объяснения этого необходимо перейти на микроструктурный уровень исследования. [c.164]

Конечной целью является развитие адекватной модели распространения разрушения отрывом, которая могла бы использоваться для установления связи микроструктурных особенностей материала с динамическим- сопротивлением разрушению. Это оказало бы суш естэенную помощь при подборе материала для инженерных конструкций, особенно в связи с получением экспериментальных результатов, при простых лабораторных испытаниях. [c.136]

Дается постановка и решение оригинальных задач по распределению напряжений в композиционных материалах, по исследованию динамических эффектов, сопутствующих отделы1ым актам накопления повреждений. Приводятся структурно-дискретные модели материалов и алгоритмы имитации на ЭВМ процессов разрушения при кратковременных и при длителыгых постоянных и циклических нагрузках. Систематизированы примеры прогнозирования прочностных свойств бороалюминия, угле-алюминия, направленно кристаллизованных эвтектических и слоистых композиционных материалов. Содержатся алгоритмы дпя ЭВМ, позволяющие проводить многофакторные исследования по влиянию микроструктурных параметров на процессы разрушения и прочностные свойства композиционных материалов. [c.2]

Несмотря на определенные достижения в построении моделей деформируемых сред с неоднородной структурой и в изучении накопления повреждений в материалах в условиях сложного напряженного состояния [24—26, 97, 98, 121, 157, 158, 162, 165, 187, 188, 196, 204], при анализе процессов перераспределения напряжений в композитах, как правило, используются наиболее простые схемы, отражающие механику взаимодействия ком-ионентов на фоне акрооднородных, одноосных полей напряжений. Среди подходов, изучающих распределение напряжений на микроструктурном уровне, можно вьщелить два основных направления исследование перераспределения напряжений при разрыве волокон или при наличии дискретных волокон и анализ перераспределения напряжений, вызванного различием упругопластических свойств компонентов при их совместном деформировании. [c.29]

В целом численные эксперименты, моделирование на ЭВМ динамических эффектов, сопутствующих разрушению хрупких компонентов, позволяют глубже понять качественное многообразие ситуаций, возникающих при накоплении повреждений в композите на микроструктурном уровне. Но, как отмечается в некоторых работах [178], полученные результаты в основном показьшают возможности той или иной методики численных или аналитических решений. Выявление динамических эффектов и исследование их влияния на развитие разрушения материалов при этом не только не теряет актуальности, а приобретает особое значение при разработке структурных моделей композитов и имитации на ЭВМ взаимодействия отдельных микромеханизмов разрушения. [c.96]

Такие эффекты, которые являются следствием динамического характера перераспределения напряжений при разрывах волокон, имеющие принципиальное значение дпя понимания механизмов разрушения на микроструктурном уровне и учитьшаемые при разработке имитационных моделей разрушения, можно сформулировать следующим образом, [c.138]

Непосредсхвенная разработка структурных моделей композитов начинается с анализа некоторых подходов, используйщих элементы имитационного моделирования процессов накопления повреждений и механизмов разрушения на микроструктурном уровне материалов (разд. 1). [c.140]

Микроструктурный и фрактографический анализы механизмов разрушения (см. гл. 1, разд. 2) показывают, что отслоение разрушившихся волокон от матрицы происходит на различную глубину в разные стороны от места разрыва или только в одну сторону. В силу этого при простроении рассматриваемой объемной модели предполагается, что с различных сторон от возможного места разрьша волокна значения прочности связи различны. Таким образом, каждому дефектному участку волокна соответствуют два случайных значения прочности связи и Г й , которые получались на ЭВМ аналогично случайным знаниям прочности волокон (12) разд. 2 из заданного распределения (1) и из которых формировались два соответствующих трехмерных массива чисел, дополняющих имитационную модель композита. [c.177]

Построение имитационных моделей разрушения композиционных материалов с хрупкими компонентами и пористыми межфазиыми границами, Если межфазные границы в композиционном материале таковы, что они способны останавливать трещины, развивающиеся в отдельных компонентах, то реализуется этап статистического накопления повреждений на микроструктурном уровне, т.е. развитие трещин в отдельных компонентах и по их границам не сразу приводит к окончательному разрушению и элемент конструкции определенную часть своего ресурса работает с микротрещинами. [c.236]

Равновесие между U и Ь Сг вновь изучено в работах [1—3]. В качестве исходных материалов использовали углерод высокой чистоты и U, вырезанный из центра слитка. Для исследования использовали металлографический анализ закаленных образцов [1] и рентгеноструктурный анализ при высоких температурах [3]. В работе [4] изучена часть диаграммы со стороны U [О—3% (ат.) С] с помощью диффузионного насыщения, термического и микроструктурного анализов. Диаграмма на рис. 118 построена по данным работ [1], [4] [часть диаграммы от О до 3% (ат.) С — по данным работы [4]]. Растворимость С в a-U при 660° С составляет < 0,006% (ат.). Область распада, о которой впервые сообщалось М. Хансеном и К- Андерко (см. т. I [12]), теперь надежно установлена [1, 3, 5] однако образование ЬСг (решетка типа FeSa или СаРг) при добавлении С к иС (решетка типа Na l) через непрерывный ряд твердых растворов весьма необычно. Предложена модель такого перехода [1], однако она предполагает отступление от эмпирического правила о том, что соединения с различной кристаллической решеткой взаимно не растворяются. [c.262]

Так называемые стандартные модели и, в частности, те, которые представлены выражениями (1.96), вторичны и порождены попыткой аппроксимировать реальные спектры размеров стандартными аналитическими аналогами. Особой необходимости в подобных моделях при построении теории микроструктурного анализа, включая, в частности, и оптические методы, естественно нет. Модельные распределения могут представлять интерес в разработке качественных методов интерпретации оптических измерений, а также в методах прикладного анализа оптических характеристик светорассеяния полидисперсными системами частиц, которые будут изложены в четвертой главе. Представленный в данном пункте материал можно рассматривать не более как краткое введение в теорию микроструктурного анализа полидисперсных систем методами оптического зондирования. Строгое ее изложение требует использования интеграла Стилтьеса, в связи с чем мы отсылаем читателя к работам [32, 33], а ниже рассмотрим пример интерпретации оптических данных. [c.59]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...