Деформирование и разрушение изотропных, анизотропных и неоднородных материалов в широком диапазоне температурНИР

Straining and fracture of isotropic, anisotropic and heterogeneous materials at a wide range of temperatures

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Деформирование и разрушение изотропных и анизотропных материалов в широком диапазоне температур
Результаты этапа: 1. Для описания эффекта самосмазывания построена модель образования защитной поверхностной пленки при фрикционном взаимодействии сплавов. 2. Проведен цикл исследований ползучести и длительной прочности металлов. Исследована длительная прочность трубчатых образцов при постоянном осевом напряжении и знакопеременном касательном напряжении; предложено моделирование известных результатов испытаний, которое приводит к хорошему соответствию экспериментальных и теоретических значений времен до разрушения. Изучено длительное разрушение прямоугольной пластины, находящейся при последовательном изгибе в разных плоскостях, с учетом влияния агрессивной окружающей среды; приведено сравнение значений времен до разрушения, соответствующих скалярному и векторному параметрам поврежденности. Рассмотрена длительная прочность стержней, растягиваемых в агрессивной среде; получена зависимость времени до разрушения стержней от формы их поперечного сечения. Исследована ползучесть трехслойного составного растягиваемого стержня в условиях воздействия агрессивной среды, составные части стержня различаются характеристиками ползучести и значениями коэффициентов диффузий, получены зависимости напряжений в разных частях стержня от времени. Изучена осадка круговых цилиндров в условиях ползучести при различных программах нагружения, с помощью метода вариационного исчисления определена оптимальная программа нагружения, которая обеспечивает осаживание цилиндра на заданную величину за заданное время с минимально возможным уровнем работы внешней сжимающей силы. Проведено экспериментальное исследование локализации деформаций ползучести в растягиваемых образцах круговой и прямоугольной формы поперечного сечения; получено, что шейка в таких образцах появляется задолго до времени разрыва образцов. Приведены результаты экспериментально-теоретического исследования малоцикловой и многоцикловой усталости монокристаллов жаропрочного никелевого сплава ВЖМ-5. 3. На основе проведенного экспериментального исследования нелинейных релаксационных свойств эластомерных композитов показано, что использование нелинейного соотношения теории вязкоупругости и метода температурно-временной аналогии позволяет представить экспериментальные данные, полученные при растяжении и сжатии при различных значениях температуры в широком диапазоне деформаций, в виде единой обобщенной зависимости приведенного релаксационного модуля от приведенного времени. Принятые определяющие соотношения описывают нелинейные релаксационные свойства исследуемого эластомера при растяжении и сжатии с точностью около 10%, что не превышает естественный разброс механических характеристик материалов этого класса. Проведены механические испытания зернистых полимерных композитов на основе синтетического каучука в условиях плоского напряженного состояния в широком диапазоне интенсивности скоростей деформаций. Показано, что предельные характеристики материалов существенно зависят от скорости деформирования. Предложено обобщение классического критерия прочности, заключающееся в нормировании главных наряжений, входящих в критериальное соотношение, на зависящую от скорости деформации прочность материала при растяжении. Проведена серия экспериментов по оценке жесткости носовой перегородки в зависимости от ее остаточной формы после хирургического лечения ряда заболеваний. Установлено, что наибольшей жесткостью и более высоким сопротивлением к деформации характеризуется перегородка с более широкой дорсальной частью страта с меньшей концентрацией напряжений в перегородке. Сохранение хрящевой дуги и более широкая дорсальная часть страта повышают общую устойчивость конструкции. 4.1. Решен ряд новых задач для неоднородных тел. Самыми важными результатами являются разработка теории сопротивления композиционных стержней и пластинок. Создание варианта обобщённой теории теплопроводности с конечной скоростью распространения тепловых возмущений. Необходима экспериментальная проверка полученных теоретических результатов. 4.2. Проведено экспериментальное исследование влияния на механические свойства вольфрамо-кобальтовых сплавов некоторых энергетических воздействий, применяемых для повышения износостойкости инструмента из данных сплавов. Получены результаты влияния 14-ти видов воздействия на кобальтосодержащий твердый сплав, применяемых для повышения износостойкости инструмента из данного сплава. Проведено более 500 опытов на трехточечный изгиб балочек из сплава ВК6в. Определены виды воздействия на твердый сплав, которые стабилизируют значения механических свойств. Обнаружен аномальный эффект резкого уменьшения предела прочности и модуля упругости для сплавов ВК6в и ВК8 после термообработки при температуре 150ºС. Необходимо продолжить исследование данного эффекта. 4.3. Изучены механически характеристики реакционно-связанных материалов, а также апатитовых и брушитовых цементов на основе высокотемпературной фазы Ca2,5Na(PO4)2. Показано, что в случае реакционно-связанного материала прочность при сжатии оказалась несколько ниже ожидаемой за счет растрескивания материала в процессе протекания реакции из-за значительного объемного эффекта. Прочность апатитового цемента соответствует реакционно-связанному материалу с аналогичной плотностью, а также обладает идентичной морфологией. Изучена кинетика набора прочности брушитового цемента при его твердении на воздухе, а также дано объяснение его достаточно высокой прочности с точки зрения его микроструктурных особенностей. В случае композитов трикальциевый фосфат/полимер увеличение доли неорганической компоненты приводи к увеличению жесткости и падению прочности материала. Для эффективного покрытия поверхности композита гидрофильным слоем необходимо использовать 5-кратный раствор SBF, причем образование нового слоя начинается с области, где на поверхность выходит ТКФ. Оптимальным временем обработки в плазме является 5 минут, так как далее происходит деструкция полимера. Необходимо продолжение этой работы.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Деформирование и разрушение изотропных, анизотропных и неоднородных материалов в широком дапазоне температур
Результаты этапа: 1. Трибология (Горячева И.Г.) 1.1. Разработан метод решения плоских контактных задач теории упругости для двухуровневых периодических профилей поверхности. На основании построенного решения определены зависимости фактической площади контакта и распределения давлений от приложенных номинальных давлений. 1.2. Разработан способ расчета функции дополнительной податливости шероховатого слоя при рассматриваемом детерминированном описании профиля поверхности. Выполнены расчеты функции дополнительного смещения для волнистых рельефов с разной формой и размерами волн. 1.3. Получено решение контактной задачи о внедрении жесткого тела, на поверхности которого в узлах гексагональной решетки расположены полусферические выступы, в упругое полупространство при наличии сил адгезионного притяжения в зазоре между поверхностями. Для моделирования зависимости сил адгезии от расстояния между поверхностями используется кусочно-постоянная функция (модель Можи-Дагдейла). 1.4. Проведены расчеты распределения давлений и размеров фактических пятен контакта, а также зон адгезионного взаимодействия, получены зависимости функции дополнительного сближения рассматриваемой поверхности с регулярным рельефом от действующего номинального давления при различных значениях параметров адгезионного притяжения и параметров рельефа. (И.Г. Горячева). 2 Ползучесть и длительная прочность металлов и специальная тема. (А.М. Локощенко, Л.В. Фомин, В.В. Терауд, В.В. Назаров, А.Б. Коршунов). 2.1. Моделирование длительной прочности металлов при нестационарном сложном напряженном состоянии связано со значительными трудностями. В качестве наиболее перспективного пути решения этой задачи, по-видимому, является применение кинетической теории длительной прочности. Использование скалярного параметра поврежденности, как правило, не позволяет описать особенности длительного разрушения при различных программах нагружения. При использовании тензорного параметра поврежденности возникают трудности с определением большого количества входящих в кинетические уравнения функций и материальных констант. В связи с этим предлагается описание рассматриваемых экспериментальных данных с помощью векторного параметра поврежденности. Использование векторного параметра поврежденности позволяет сочетать широкие возможности для описания различных экспериментальных данных с относительной простотой кинетических уравнений. В качестве примера моделируется длительная прочность трубчатых образцов при одновременном действии постоянного осевого напряжения и касательного напряжения, однократно или циклически меняющего знак. Для описания известного эффекта, заключающегося в том, что время до разрушения при равноосном плоском напряженном состоянии в несколько раз меньше времени до разрушения при одноосном растяжении при том же значении напряжения, предложен вариант кинетической теории Ю.Н. Работнова при дополнительном учете анизотропии материала. Моделирование длительной прочности при скачкообразном изменении интенсивности напряжений проведено двумя способами: как при учете накопления поврежденности только в процессе ползучести, так и при дополнительном учете накопления поврежденности при мгновенном нагружении. Все варианты предложенных кинетических уравнений приводят к хорошему соответствию экспериментальных и теоретических значений времен до разрушения. 2.2. Высокоэффективное технологическое обеспечение производственных процессов не может обходиться без решения конкретных технологических задач. В качестве одной из таких задач рассматривается задача о ползучести прямоугольной мембраны под действием постоянного поперечного давления внутри П-образной жесткой матрицы. В качестве контактных условий рассматриваются случаи идеального скольжения, прилипания, а также скольжения с учетом трения по закону Амонтона – Кулона. Исследование проводится в четырех последовательных стадиях, включающих в себя как свободное деформирование, так и стесненное. На первой стадии (упругое деформирование) мембрана, плоская в начальном состоянии, под действием давления мгновенно упруго деформируется, приобретая форму незамкнутой цилиндрической оболочки. На второй стадии мембрана свободно деформируется в условиях ползучести до момента касания стенок матрицы. Третья стадия заканчивается в момент касания мембраной поперечной стенки матрицы. На четвертой стадии мембрана контактирует с матрицей по поперечной и боковым сторонам до момента, когда радиус свободной части мембраны станет равным , где – половина ширины мембраны. Вычисления показывают, что времена окончания третьей и четвертой стадий в случае идеального скольжения значительно меньше, чем в случае прилипания. 2.3. Испытания сплошных и полых цилиндров в условиях осадки при высоких температурах (вплоть до 1200оС) при различных соотношениях геометрических параметров проводились многими отечественными и зарубежными учеными, при описании полученных результатов, как правило, используются уравнения жестко-пластического деформирования или уравнения теории ползучести. В монографии Н.Н. Малинина приведены решения цикла задач об осадке сплошных и полых цилиндров в условиях ползучести при различных граничных условиях. В последние годы в Институте механики МГУ имени М.В. Ломоносова проведен цикл исследований осадки сплошных и полых цилиндров в условиях ползучести, основные результаты этих исследований опубликованы в монографии [Локощенко, 2016]. В этих работах изучена осадка сплошных цилиндров с учетом бочкообразования и без его учета, рассмотрена ползучесть полых цилиндров в свободных и стесненных условиях, изучена роль трения на исследуемые процессы. Особая роль уделена определению энергии, затрачиваемой на осаживание цилиндров при различных программах нагружения. Осаживание цилиндров в условиях ползучести можно проводить либо при постоянной сжимающей силе, либо при постоянной скорости сближения плит пресса, либо при более сложных программах нагружения. Необходимо определить такую программу нагружения при учете трения, которая при одинаковых условиях обеспечивается минимальным уровнем работы сжимающей силы. Рассматривается осаживание составного цилиндра, состоящего из сплошного внутреннего цилиндра и окаймляющего его полого цилиндра, высоты обоих цилиндров совпадают. Установившаяся ползучесть обоих цилиндров описывается степенными соотношениями с одинаковыми значениями показателя степени и различными коэффициентами. Принимается, что оба цилиндра деформируются без бочкообразования, трение торцов цилиндров с плоскостями пресса описывается законом Кулона. Основной интерес представляет значение работы внешней сжимающей силы на перемещениях торцов цилиндра. Рассматривается осаживание составного цилиндра на одну и ту же величину за одну и ту же длительность с помощью различных программ нагружения. Рассмотрены кинематическая программа (при постоянной скорости сближения торцов цилиндра) и силовая программа (при постоянной внешней сжимающей силе). Показано, что по энергетическим затратам кинематическая программа осаживания эффективнее, чем силовая. С помощью вариационного подхода определена оптимальная программа осаживания, при которой работа внешней силы минимальна. Вычисления показали, что соответствующая работа внешней силы отличается от работы, затраченной при кинематической программе, на сотые и тысячные доли процента. Поэтому в технологических процессах осадки цилиндров целесообразно использовать кинематическую программу нагружения. 2.4. Исследовано напряженно-деформированное состояние трехслойного составного растягиваемого стержня при ползучести в условиях воздействия на него агрессивной окружающей среды. Ползучесть различных частей стержня описана степенной моделью с разными параметрами. Влияние агрессивной среды определяется диффузионным проникновением ее элементов в материал стержня. Использован приближенный метод решения уравнения диффузии, основанный на введении диффузионного фронта. Проанализировано распределение напряжений во времени при условии проникновения агрессивной среды в разные части стержня с разными коэффициентами диффузии. Получены условия, при которых напряжения в частях стержня либо сближаются во времени, либо расходятся. Определены характерные параметры диффузионного процесса и ползучести, построены зависимости напряжений в разных частях во времени с учетом найденных условий. 2.5. Исследуется нестационарная одномерная диффузия агрессивной окружающей среды вдоль толщины полимерной тонкостенной цилиндрической оболочки. Одномерный диффузионный процесс описывается параболическим уравнением диффузии. Заданы исходные данные о концентрации на одной границе слоя (при условии непроницаемости другой границы) и о коэффициенте диффузии в виде кусочно-постоянных зависимостей от времени . В результате численного расчета методом конечных разностей получены распределения концентрации вдоль толщины оболочки в различные моменты времени и интегрально средняя концентрация для оболочек толщиной 0,5 и 1 см. Расчет произведен на длительность до 5 лет при условии ежегодной повторяемости исходных данных по месячным интервалам. 2.6. Эксплуатация реальных конструкций может происходить в самых разнообразных условиях и средах, зачастую в той или иной мере агрессивных по отношению к материалу конструкции. Эти среды могут быть природными, техногенными или смешанными. Отдельные агрессивные компоненты этих сред могут диффундировать в объем материала и вступать в физическое и/или химическое взаимодействие с ним. Это взаимодействие будет приводить к изменению служебных свойств материала (диэлектрических, теплофизических и физико-механических) и конструкции в целом. Прогнозирование ресурса работы материалов и элементов конструкций, находящихся в условиях длительного высокотемпературного нагружения в присутствии агрессивной окружающей среды, является чрезвычайно актуальной задачей для обеспечения надежности в течение всего срока эксплуатации. Элементы конструкций, изготовленные из металлических сплавов и находящиеся длительное время в условиях высоких температур, как правило, подвергаются процессу ползучести и длительного разрушения. Определение времени до разрушения прямоугольной пластины, являющейся одним из распространенных элементов конструкций, в указанных условиях имеет как фундаментальный, так и прикладной характер при расчете элементов конструкций энергетического и авиационно-космического назначения. Исследуется длительное разрушение изгибаемой прямоугольной пластины при ползучести в условиях нестационарного плоского напряженного состояния с учетом влияния окружающей среды. С помощью кинетической теории Ю.Н. Работнова определено время до разрушения такой пластины при последовательном изгибе в различных плоскостях. Рассматривается кусочно-постоянная зависимость направления и уровня изгибающего момента от времени. Время до разрушения пластины определяется при использовании дробно-линейной модели ползучести. Влияние окружающей среды на ползучесть и длительную прочность пластины определяется диффузионным проникновением элементов окружающей среды в материал пластины. Для оценки скорости диффузионного процесса используется приближенный метод решения уравнения диффузии, основанный на введении диффузионного фронта. Учет влияния окружающей среды осуществляется с помощью введения в определяющие и кинетические дробно-линейные соотношения функции от интегрально средней концентрации. Проведено сравнение времен до разрушения при использовании скалярного и векторного параметров поврежденности. 2.7. В главе “Kinetic theory of creep and creep rupture of metals” (книга “Kinetic Theory”) рассматривается моделирование процесса ползучести и эффекта длительной прочности металлов, причем как при одноосном, так и сложном напряженном состоянии. Приводятся описание постановки эксперимента на ползучесть и описание простейших моделей ползучести: теория установившейся ползучести, теория старения, теория течения, теория упрочнения. При моделировании процессов ползучести широко используется кинетическая теория, основанная на введении структурных параметров, характеризующих состояние металла в данный момент времени. Среди таких параметров рассматриваются поврежденность металла в процессе ползучести, работа напряжений на деформациях ползучести (энергетический вариант), концентрация агрессивной среды в металле. Также рассматривается связанная задача ползучести и длительной прочности при растяжении с учетом взаимного влияния накопления повреждений и одномерной диффузии агрессивной среды. Определяются времена до разрушения при наличии и отсутствии агрессивной среды. Отмечается значительный вклад советских (российских), европейских, американских и японских ученых в развитие Continuum Damage Mechanics. 2.8. Известно, что развитие разрушения в металлах и сплавах в случае растяжения, как правило, сопровождается неустойчивостью в виде шейки (локализации деформаций). Для обеспечения надежной работы элементов конструкций при эксплуатации необходимо точно знать, когда произойдет локализация деформаций. В середине прошлого столетия был введен скалярный параметр поврежденности. Однако данный параметр не может предсказать, когда произойдет локализация деформаций, поэтому для повышения надежности при эксплуатации элементов конструкций необходимо провести дополнительные исследования. Были использованы образцы прямоугольного и кругового поперечных сечений, растягиваемых при высокой температуре в условиях ползучести. Эксперименты проводились в НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова. На основе проведенных экспериментов была получена оценка момента образования локализации деформаций на основе разработанных критериев. В этом исследовании предполагается, что вплоть до некоторого значения образец растягивается однородно, с сохранением правильной цилиндрической формы, и только после этого появляется переменное по длине поперечное сечение. Разработан бесконтактный метод измерений поля перемещений и геометрических параметров осаживаемого цилиндра при высокой температуре. Этот метод состоит из специальной оптической системы, фоторегистратора и программного комплекса. Представлены результаты проведенных экспериментальных исследований ползучести плоских стандартных образцов из алюминиевого сплава при температуре 400 С. Образцы испытывались в условиях ползучести при различных начальных растягивающих напряжениях. Использование разработанной бесконтактной системы измерений позволило получить зависимости изменения формы образцов, перемещения поверхностных точек, истинного напряжения в образце и других параметров от времени. Исследованы зависимости ширины и толщины образца в месте разрушения от начального напряжения. Определен относительный интервал времени деформирования, при котором образец растягивается равномерно, т.е. время образования локализации деформаций. Введены понятия «быстрая» и «долгая» локализации. Моменты образования шейки показаны в работе и отмечается, что локализация деформаций образуется в среднем при 65-80% времени до разрушения. На основании экспериментальных данных получен критерий определения времени локализации деформаций в цилиндрических и плоских образцах при растяжении при высокой температуре. Определен интервал времени равномерного деформирования. 2.9. Показано, что зависимость времени локализации от времени до разрушения имеет линейный характер практически при всех значениях параметров. Приведены результаты статистической обработки данных, построены распределения этих величин в интервале «плюс-минус три сигма». Основная часть всех выборок попадает в интервал от минус сигма до двух сигм. Используются нормальное и логнормальное распределения для описания экспериментальных распределений. Показано, что данные лучше описываются логнормальным распределением. Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. 2.10. Приведены результаты экспериментальных исследований кратковременной ползучести трубчатых образцов титанового сплава ВТ1-0 под действием растягивающей силы и крутящего момента при температуре 550 С. Опыты проводились при различных отношениях нормального и касательного напряжений при заданном максимальном нормальном напряжении, либо при заданном максимальном касательном напряжении. При описании процесса установившейся ползучести рассмотрены различные инвариантные характеристики тензоров напряжений и скоростей деформаций. Показано, что скорость деформации максимального сдвига на стадии установившейся ползучести при различном отношении нормальных и касательных напряжений удовлетворительно описывается в виде степенной зависимости от максимального касательного напряжения. 2.11. Получены результаты по специальной теме. 3. Механика полимеров (Ю.П. Зезин, П.В. Тишин, С.И. Соколов, Р.М. Изимов). 3.1. Механика полимеров (Ю.П. Зезин, П.В. Тишин). Представлены результаты численного анализа схемы испытаний кольцевых образцов полимерных материалов при нагружении их внутренним давлением, которое задается в процессе сжатия вкладки из несжимаемого материала в полости испытуемого образца. С использованием коммерческого программного комплекса ANSYS разработана конечно-элементная модель исследуемой схемы испытания материалов. Вычисления выполнены для образцов-колец полиарилата. Получены расчетные распределения напряжений в образце при постоянной нагрузке. Исследовано влияние модуля упругости и коэффициента Пуассона нагружающего вкладыша на величину растягивающих напряжений в образце. Результаты численного моделирования использованы для оценки долговечности уплотняющих колец полиарилата, полученных литьем под давлением при различных значениях температуры. 3.2. Исследование вязкоупругих свойств эластомерных композитов. (Ю.П. Зезин, С.И.Соколов). Представлены результаты экспериментального исследования вязкоупругих свойств модельного эластомерного композита на основе синтетического каучука. Наполнителем в исследуемом материала является смесь дисперсных порошков окисей кальция и магния. Содержание наполнителя в материале составляет около 75% по объему. Испытания образцов материала при растяжении проведены в режимах ползучести и релаксации напряжения. Испытания материала на ползучесть проведены при нагружении образцов естественным грузом. Измерение деформаций в процессе ползучести материала осуществлялось по оценкам относительного перемещения с использованием дифференциально-трансформаторного датчика перемещений. Испытания на релаксацию напряжений проведены с использованием специальной установки, позволяющей задавать необходимую деформацию со скоростью порядка 1 с-1. Для описания вязкоупругого поведения исследуемого материала приняты нелинейные определяющие соотношения теории вязкоупругости. Экспериментальные кривые релаксации использованы для определения ядра релаксации, постоянных и функции нелинейности, входящие в определяющие уравнения. Для описания кривых ползучести материала использована резольвента ядра релаксации. Предложен приближенный метод расчета деформации при постоянном уровне напряжений. Показано, что принятые определяющие соотношения позволяют с удовлетворительной точностью описать ползучесть и релаксацию исследуемого композита при одноосном растяжении. 3.3. Нелинейная ползучесть наполненных полимеров (Ю.П. Зезин, Р.М. Изимов). Представлены результаты экспериментального исследования композиционного материала на основе полиметилметакрилата, наполненного мелкодисперсным порошком гипса. Степень наполнения композита составляла 30% по массе. Проведены испытания образцов композита на ползучесть при сжатии в широком диапазоне значений нагрузки. Показано, что для исследуемого материала характерна нелинейность вязкоупругого поведения – податливость композита при ползучести существенно зависит от величины приложенного напряжения. Для описания полученных экспериментальных данных использовано определяющее соотношение нелинейной теории вязкоупругости. Параметры принятого определяющего соотношения определены по экспериментальным кривым ползучести материала. Показано, что предлагаемый подход позволяет описать ступенчатую ползучесть исследуемого композита, при которой периоды роста деформации сменяются периодами обратной ползучести. 4. Теоретические и экспериментальные результаты работы лаборатории прочности и ползучести при высоких температурах в 2017 году (Горбачев В.И., Ковальков В.К., Филиппов Я.Ю., Соколов А.В., Бондаренко А.В., Мельник Т.М., Песоцкий П.Н.) 4.1. Интегральные формулы. Распространение тепловых волн в неоднородном стержне с переменным поперечным сечением. Эффективные свойства неоднородных материалов с коэффициентами, зависящими от времени. Продолжение работы по созданию сопротивление стержней из композиционных материалов. Продолжение работы по созданию инженерной теории неоднородных пластин из композиционных материалов. Введено в использование новое понятие - структурные функции, которые являются коэффициентами при представлении решения исходного уравнения в виде ряда по всевозможным производным от решения сопутствующего уравнения. 4.2. Важным результатом является эффект упрочнения титановых сплавов ВТ20 и ВТ6С при нагреве до температуры 1200 С. Эффект наблюдается даже при нагреве на время t≤10 c. Предел кратковременной прочности для сплава ВТ20 увеличивается на 20%, а для сплава ВТ6С на 10%. 4.3. Важнейшим результатам являются успехи в разработки технологии повышения стойкости отечественного режущего инструмента. На данном этапе разработки технологии удалось существенно увеличить износостойкость режущих пластин выпускаемых АО «КЗТС», так проведенные испытания на предприятиях ПАО «РЖД» показали увеличение износостойкости пластин LNMX 301940 RT1 PC36XT более чем в 2 раза. Испытания режущих пластин Т5К10 Н30 SNUM на АО ЕВРАЗ МНТК показало увеличение износостойкости более чем в 3 раза. Испытание пластин ZPCW2004APTRM30 ( фрезерные прямоугольные) производства Sandvik после обработки также показало увеличение стойкости в 3 раза, т.е. это возможность уменьшения закупок импортных режущих пластин. 4.4. В качестве исходных компонентов для получения коллоидных систем была предложена фаза состава Ca2.5NaP2O7, обладающая относительно высокой растворимостью, а также Ca(H2PO4)2*H2O, обеспечивающая кислую pH для протекания реакции схватывания. Была решена проблема слихко быстрого схватывания коллоидных систем на основе выбранного порошкового прекурсора. Разработана методика получения полимерных форм, задающих структуру конечного материала с привлечением 3-D принтинга. Разработана методика заполнения полученных форм суспензией заданного состава. Разработана методика удаления полимерных форм, приводящая к формированию пористой архитектуры. Исследованы процессы спекания оставшегося материала на основе фосфатов кальция. Проведены механические испытания материалов на основе реакционно-твердеющей суспензии, плотных керамических материалов, а также керамических 3-D структур.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Деформирование и разрушение изотропных, анизотропных и неоднородных материалов в широком дапазоне температур
Результаты этапа: 1. Трибология. 1.1. Проведено моделирование влияния формы поверхностного рельефа вязкоупругого тела на контактные характеристики и силу трения при взаимодействии с жестко движущимся штампом (Горячева И.Г.). 1.2. Решена динамическая задача о качении с проскальзыванием упругого цилиндра по упругому полупространству (Горячева И.Г.). 1.3. Исследовано влияние остаточных напряжений на процесс накопления контактно-усталостных повреждений в условиях трения качения (Горячева И.Г.). 2. Ползучесть и длительная прочность металлов, специальная тема. 2.1. Опубликован перевод монографии Локощенко А.М. Ползучесть и длительная прочность металлов. - М.: Физматлит, 2016. 504 с. на английский язык: Lokoshchenko A.M. Creep and long-term strength of metals. CISP. CRC Press. Taylor & Francis Group. Boca. Raton. London. New York. 2018. 545 P. 2.2. С помощью кинетической теории моделируются известные результаты испытаний на длительную прочность в условиях нестационарного сложного напряженного состояния. При описании экспериментальных данных используется векторный параметр поврежденности с кусочно-постоянной скоростью накопления повреждений. Моделируется длительная прочность трубчатых образцов при одновременном действии постоянного осевого напряжения и касательного напряжения, однократно или циклически меняющего знак. Предложен вариант кинетической теории Ю.Н. Работнова при дополнительном учете анизотропии материала. Моделирование длительной прочности при скачкообразном изменении интенсивности напряжений проведено двумя способами. Все варианты предложенных кинетических уравнений приводят к хорошему соответствию экспериментальных и теоретических значений времен до разрушения (Локощенко А.М.). 2.3. Исследовано осаживание с учетом трения составного цилиндра, состоящего из сплошного внутреннего цилиндра и окаймляющего его полого цилиндра, высоты обоих цилиндров совпадают. Принимается, что оба цилиндра деформируются без бочкообразования, трение торцов цилиндров с плоскостями пресса описывается законом Кулона. Основной интерес представляет значение работы внешней сжимающей силы на перемещениях торцов цилиндра. Рассматривается осаживание составного цилиндра на одну и ту же величину за одну и ту же длительность с помощью различных программ нагружения. С помощью вариационного подхода определена оптимальная программа осаживания, при которой работа внешней силы минимальна. Вычисления показали, что соответствующая работа внешней силы отличается от работы, затраченной при кинематической программе, на сотые и тысячные доли процента (Локощенко А.М.). 2.4. Исследовано осаживание составных цилиндров в условиях ползучести при различных программах нагружения без учета трения. Принято, что уравнения установившейся ползучести внутреннего сплошного цилиндра и внешнего полого цилиндра описываются степенными моделями с одинаковым показателем степени и различными значениями коэффициентов. При отсутствии трения все характеристики напряженно-деформированного состояния не зависят от осевой координаты (т.е. бочкообразование отсутствует). На основе вариационного подхода определена оптимальная программа осаживания цилиндра при минимально возможной работе внешней сжимающей силы. Установлено, что работа, затраченная при оптимальной программе нагружения, отличается от соответствующей работы, затраченной при кинематической программе, на сотые и тысячные доли процента. Поэтому в технологических процессах осадки целесообразно использовать кинематическую программу нагружения (Локощенко А.М.). 2.5. Исследовано длительное разрушение растягиваемого стержня, находящегося в условии диффузионного и химического взаимодействия с агрессивной средой. Для решения задачи разработана механико-математическая модель, включающая модифицированное уравнение диффузии, кинетическое уравнение накопления повреждений и соотношение для параметра химического взаимодействия. Рассматривается многостадийность процесса разрушения, связанная с последовательным разрушением коррозионных слоев и соответствующим увеличением эффективного напряжения. Время до разрушения стержня рассчитывается на основе критериального или кинетического подходов (Локощенко А.М., Фомин Л.В., Басалов Ю.Г.). 2.6. Проведен обзор ряда научных работ в области моделирования процессов взаимодействия агрессивной среды с материалами и элементами конструкций и их поведение под действием нагрузок. Исследуемые явления описываются с использованием теоретико-экспериментальных методов для дальнейшего прогнозирования кратковременных и длительных прочностных характеристик материалов и элементов конструкций, подверженных влиянию агрессивной среды. Используется междисциплинарный научный подход, учитывающий как физико-химическое взаимодействие агрессивной среды с материалами, так и систематизацию механико-математических (феноменологических) моделей. Основное внимание при этом уделяется изучению и моделированию высокотемпературного коррозионного разрушения материалов и элементов конструкций. Учитываются диффузионное проникновение агрессивной среды и химическое взаимодействие ее элементов с материалом. Представлены исследования влияния на процессы коррозии различных факторов: жидкометаллических сред и радиационного облучения; пленки окислов, образующейся на поверхности, подверженной коррозии; анализа процессов растрескивания под напряжением нержавеющих сталей в условиях водородного охрупчивания; а также исследования зависимости скорости коррозии от напряженного состояния при упругопластических деформациях. Приведены публикации с различными вариантами феноменологических моделей процессов коррозионного износа, потери пластичности и охрупчивания в агрессивных средах, публикации, использующие вероятностно-статистический подход к моделированию коррозионного разрушения. Предложен обширный список известных литературных источников, которые отражают научные исследования с учетом всех различных аспектов взаимодействия материала с агрессивной средой (Локощенко А.М., Фомин Л.В.). 2.7. Исследована нестационарная одномерная диффузия агрессивной окружающей среды вдоль толщины длинной цилиндрической оболочки. Данные о концентрации среды на внешней поверхности оболочки и коэффициенте диффузии заданы в виде кусочно-постоянных зависимостей от времени. Получены распределение концентрации среды по координате вдоль толщины оболочки и зависимости интегрально средней концентрации от времени. Расчет концентрации агрессивной среды в оболочке проведен вплоть до длительности 5 лет. Проведено сравнение полученных результатов с результатами расчета для непрерывных зависимостей концентрации среды на границе и коэффициента диффузии от времени. На основе кинетической теории ползучести и длительной прочности Ю.Н. Работнова показан способ прогнозирования длительных свойств элементов конструкций в агрессивной среде (Локощенко А.М., Далинкевич А.А., Фомин Л.В.). 2.8. Исследована задача об установившейся ползучести длинной прямоугольной мембраны в стесненных условиях внутри жесткой матрицы при кусочно-постоянной зависимости скорости поперечного давления от времени. В качестве примера исследуется ползучесть мембраны при однократном изменении скорости поперечного давления во времени. Рассматриваются два варианта условий контакта мембраны и матрицы: идеальное скольжение и прилипание. Анализ проводится до времени практически полного заполнения матрицы мембраной. Получены зависимости толщины различных частей мембраны от времени, а также интенсивности напряжений в мембране от времени. Применительно к данной постановке задачи рассмотрены отклонения от правила суммирования парциальных времен (Локощенко А.М., Абросимова Е.А.). 2.9. Получены новые результаты экспериментально-теоретических исследований локализации деформаций при ползучести. Проведена большая серия экспериментов на ползучесть и длительную прочность титановых образцов при температуре 450оС при постоянной нагрузке в течение от двух суток до двух недель. Для каждого эксперимента определен момент времени, в который появляется шейка. Получено свидетельство на разработанную программу для обработки фотографий, полученных из экспериментов по растяжению цилиндрических образцов. Разработана теоретическая модель локализации деформаций на основе постулата Друккера (Терауд В.В.). 2.10. Предложена методика вычисления предельных напряжений, характеризующих процесс ползучести, по известным опытным данным установившейся ползучести и длительной прочности. Предложена методика экспериментального исследования на непробиваемость корпуса вентилятора авиационного двигателя с учетом управляемого обрыва лопатки. Установлены из экспериментов физические свойства теплозащитных керамических покрытий лопаток газотурбинных авиационных двигателей (Назаров В.В.). 2.11. Получены результаты по специальной теме (Коршунов А.Б.). 3. Прочность и ползучесть при высоких температурах. 3.1. Получена интегральная формула представление решения дифференциального уравнения общего вида в частных производных с переменными коэффициентами, зависящими от координат и времени, через решение такого же уравнения с постоянными коэффициентами. При выводе интегральной формулы существенно использована индексная форма записи уравнений с применением четырёхмерной нотации, в которой время входит в уравнения как четвёртая координата. (Горбачёв В.И.) 3.2. Дана постановка задачи в инженерной теории продольно поперечного изгиба неоднородного стержня с переменным поперечным сечением, основанной на классической гипотезе плоских сечений Бернулли-Эйлера. Показано, что предлагаемая постановка является нулевым приближением более общего подхода, основанного на интегральных формулах. (Горбачёв В.И., Мельник Т.М.) 3.3. Подробно рассмотрена постановка задачи об изгибе пластины переменной толщины из неоднородного анизотропного материала. Для сведения трёхмерной задачи к двумерной использована гипотеза прямой недеформируемой нормали Кирхгофа-Лява. Получены простые аналитические формулы для тензоров продольной и изгибной жёсткостей, а также для тензора жёсткости взаимного влияния. (Горбачёв В.И., Кабанова Л.А.) 3.4. Рассмотрена первая специальная краевая задача (СКЗ) теории упругости неоднородного тела, из решения которой находятся эффективные коэффициенты упругости. Показано, что решение первой СКЗ, а значит и эффективные коэффициенты упругости, выражаются через интегралы от тензора Грина. Интегралы от тензора Грина по одной из переменных названы структурными функциями. Показано, что в неоднородном теле с периодической структурой можно выделить пограничный слой, разделяющий области периодических значений структурных функций от непериодических. Толщина этого слоя порядка характерного размера ячейки периодичности. Доказано, что тензор эффективных модулей упругости удовлетворяет всем условиям симметрии и положительной определённости. Подробно рассмотрен случай неоднородной по толщине, бесконечной в плане плиты. (Горбачёв В.И.) 3.5. Разработана методика получения пористых 3-D конструкций заданной архитектуры на основе фосфатов кальция для замещения поврежденных участков костной ткани совместным использованием аддитивных технологий и коллоидного формования. (Филиппов Я.Ю., Ковальков В.К.) 3.6. Предложено решение проблемы получения керамических материалов на основе пирофосфата кальция путем введения добавок, обеспечивающих образование расплава и, как, следствие, обеспечивающих жидкофазное спекание. (Филиппов Я.Ю., Ковальков В.К.) 3.7. Проведены испытания плотных керамических материалов, полученных с использованием жидкофазного спекания, на основе приофосфата кальция, а также 3-D конструкции аналогичного состава. (Филиппов Я.Ю., Ковальков В.К.) 3.8. Проведена модернизация испытательной установки ИМЕХ-ВТР4 (высокотемпературное растяжение, при нагрузке до 50кН и температуре до 1600⁰ С) в части управления скоростью деформирования, определены динамические параметры управления для данной установки для блока БУСД. (Ковальков В.К., Соколов А.В., КоткинА.И.). 3.9. Проведена модернизация испытательной установки ИМЕХ-БИО ( при нагрузке до 10кН в нормальных условиях)) в части управления скоростью деформирования, определены динамические параметры управления для данной установки для блока БУСД. (Ковальков В.К., Филиппов Я.Ю.). 3.10. Разработана и изготовлена система температурной стабилизации и управления для муфельной печи СНОЛ-1,6.2,0.0,8/9-М1 для температур до 900⁰ С. (Ковальков В.К., Соколов А.В., Филиппов Я.Ю., Коткин А.И.). 3.11. Проведены экспериментальные исследования механических свойств образцов (более 50 шт из плотных полимерных материалов, изготовленные на 3-Д принтере) в опытах на сжатие с различной скоростью нагружения (Ковальков В.К., Филиппов Я.Ю.) 3.12. Проведены экспериментальные исследования механических свойств берцовой кости крысы линии Vistar c устройством временной фиксации (10 к-тов) в опытах на изгиб на установке ИМЕХ-БИО (Ковальков В.К., Филиппов Я.Ю., Коткин А.И.)
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Деформирование и разрушение изотропных и анизотропных материалов в широком диапазоне температур
Результаты этапа: 1. Трибология. 1.1. Решена контактная задача о взаимодействии системы штампов с различной формой контактирующей поверхности (вытянутые параллелепипеды, в виде полусферы) с упругим полупространством. Проведен анализ зависимости нагрузки от внедрения при разных геометрических размерах штампов и их пространственных расположениях. Изучено влияние плотности расположения штампов на фактическую площадь контакта при заданной нагрузке, действующей на систему штампов (Горячева И.Г.).. 1.2. Построены модели торможения упругого цилиндра на упругом основании в условиях трения качения с проскальзыванием и торможения жесткого цилиндра, скользящего по вязкоупругому полупространству. Изучено влияние механических характеристик основания на зависимость скорости движения от времени. (Горячева И.Г.). 2. Ползучесть и длительная прочность металлов, специальная тема. 2.1. Рассмотрен вопрос влияния коррозионных процессов на длительное разрушение растягиваемого стержня, находящегося в условии ползучести. Разработана механико-математическая модель, включающая модифицированное уравнение диффузии, кинетическое уравнение накопления повреждений и соотношение для параметра химического взаимодействия. Параметры указанной модели определены на базе экспериментальной зависимости толщины коррозионной пленки от времени. Предлагаются два варианта постановки задачи: с учетом многостадийного распространения диффузионно-коррозионного процесса на всю толщину стержня, и с учетом сопряжения решений на границе коррозионного слоя и основного материала. (Фомин Л.В., Локощенко А.М., Басалов Ю.Г.). 2.2. Решена задача об установившейся ползучести длинной прямоугольной мембраны в стесненных условиях внутри жесткой матрицы при кусочно-постоянной зависимости скорости поперечного давления от времени. Получены зависимости толщины различных частей мембраны от времени, а также интенсивности напряжений в мембране от времени. Применительно к данной постановке задачи рассмотрены отклонения времен заполнения матрицы от правила суммирования парциальных времен (Локощенко А.М., Абросимова Е.А.). 2.3. Получены новые результаты по исследованию возникновения и развития локализации деформации ползучести. Обработаны результаты экспериментов по ползучести титанового сплава (Терауд В.В.). 2.4. Для определения характеристик установившейся ползучести и длительной прочности предложено использовать два варианта дробно-степенной функции. Данная методика использована при моделировании известных экспериментальных данных (Назаров В.В.). 2.5. Получены результаты по специальной теме (Коршунов А.Б.). 3. Прочность и ползучесть при высоких температурах. Поисковая работа по созданию высокотемпературных кабелей (НИОКР «СКАЛА»). 3.1. Разработана методика представления решение линейных обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка с переменными коэффициентами через решение уравнений того же типа только с постоянными коэффициентами. Методика проверена на примере уравнения Чебышева, имеющего точные решения при любом числовом индексе уравнения. В настоящее время идёт работа по приспособлению методики к решению нелинейных уравнений (В.И. Горбачев). 3.2. Проведены экспериментальные исследования устойчивости электрических кабелей к повышенной температуре. В настоящее время разработаны добавки модификаторы к кремний органической резине (защитная оболочка кабелей с медной жилой), позволяющие кабелю выдерживать воздействие температуры 750-850 °С в течение 3 часов (требование ГОСТ), но и сохранять без ограничения времени работоспособность при температуре до 1029°С (ГОСТ 30247.0-94) (Филиппов Я.Ю., Ковальков В.К.). 3.3. Выполнена модернизация силовой части испытательной установки ИМЕХ-ВТС-1 предназначенной для испытание на сжатие(изгиб) при воздействии высоких температур до 1600 С по заданному закону изменения температуры. Произведена замена асинхронного двигателя на шаговый двигатель и разработан блок цифрового управления перемещением силовой траверсы. Проведены испытания установки ИМЕХ-ВТС-1 после модернизации с усилием нагружения в 50 кН с различными скоростями перемещения траверсы (Ковальков В.К.). 3.4. Проведены испытания различных конструкций, представляющих собой бедренную кость крысы с искусственным дефектом, заполненным или нет керамическим имплантом. Были подготовлены образцы соответствующих конструкций, которые испытывали в опытах на изгиб и кручение. Полученные данные призваны смоделировать поведение прооперированных конечностей грызунов в реальных условиях и дать рекомендации медикам по параметрам материала и геометрии внешних фиксаторов для имплантируемого участка костной ткани (Филиппов Я.Ю., Ковальков В.К.).
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Деформирование и разрушение изотропных, анизотропных и неоднородных материалов в широком диапазоне температур
Результаты этапа: Научный отчет по госбюджетной теме_лаборатория 201_2020 год 1. Научные исследования, выполненные академиком РАН И.Г. Горячевой Поставлена и решена задача о внедрении жесткого индентора в форме цилиндра в вязкоупругий слой, лежащий без трения на жестком основании или жестко закрепленный с основанием. Предполагается, что контактирующая форма цилиндра плоская, т.е. представляет собой круг заданного радиуса. Процесс взаимодействия состоит из двух стадий: внедрение цилиндра с постоянной скоростью до заданной глубины, а затем удержание его на этой глубине. Такой вид нагружения имеет место при проведении экспериментов на биологических тканях. При этом исследуется влияние скорости погружения и механических характеристик слоя на распределение контактных давлений и возникающую силу реакции основания. Для решения задачи применен принцип Вольтерра, основанный на использовании решения соответствующей задачи в упругой постановке с заменой упругих постоянных упругими операторами. Задача решается в предположении независимости от времени коэффициента Пуассона материала слоя. В качестве упругого решения берутся асимптотические приближения для тонких и толстых слоев. Для описания механического поведения слоя используются два вида функции релаксации: трехпараметрическая экспоненциальная функция и двухпараметрическая степенная. Получены аналитические зависимости контактного давления и приложенной к цилиндру нагрузки от времени для относительно тонкого и толстого слоев (по отношению к радиусу пятна контакта). Исследовано влияние на распределение контактных давлений и зависимость нагрузки от времени таких параметров, как скорость внедрения цилиндра в слой и толщина слоя. Для каждого рассмотренного вида функции релаксации изучено влияние входящих в нее параметров на зависимость контактных характеристик от времени. Результаты исследования могут быть использованы как для интерпретации данных индентирования в материалы, обладающие релаксационными свойствами, так и для решения обратной задачи определения механических характеристик материалов, в частности, биологических тканей на основе измеренных в экспериментах зависимостей. 2. Научные исследования, выполненные зав. лаб. профессором А.М. Локощенко, с.н.с. Фоминым Л.В., вед. инж. Басаловым Ю.Г. Исследована задача об установившейся ползучести длинной узкой прямоугольной мембраны при пропорциональной зависимости величины поперечного давлении от времени. Эта мембрана находится внутри высокой длинной жесткой матрицы прямоугольного сечения, у которой отношение высоты к половине ширины больше 1. Используется степенная связь интенсивностей напряжений и скоростей деформаций ползучести мембраны. Рассматриваются два варианта условий контакта мембраны и матрицы: идеальное скольжение и прилипание. Анализ проводится до времени практически полного прилегания мембраны к матрице. При всех значениях рассматриваемых параметров это время в случае идеального скольжения значительно меньше, чем в случае прилипания. (зав. лаб. Локощенко А.М., с.н.с. Фомин Л.В., вед. инж. Басалов Ю.Г.) Проведен научный обзор по влиянию активной среды на длительные деформационно-прочностные характеристики металлических материалов и элементов конструкций. Исследованы современные аспекты высокотемпературной коррозии: кинетика процессов развития коррозионного слоя и длительного разрушения, структура слоя, защита, методы испытания. Ряд публикаций посвящен диффузионному проникновению внешней активной среды в материалы и типовые элементы конструкций (стержни, пластины, оболочки) и составные элементы конструкций. Причем исследуемые задачи (соответствующие постановки задач) решаются с учетом как стационарных, так и нестационарных граничных условий по диффузионным характеристикам и внешним нагрузкам Одновременно с такого рода воздействием рассматриваются процессы накопления повреждений, моделируемые с введение как скалярного, так и векторного параметров поврежденности. При этом используется физико-механическое представление параметра поврежденности, основанное на уменьшении эффективной площади поперечного сечения образца за счет образования рассеянных по материалу микропустот, микроповреждений и микротрещин. В таком смысле параметр поврежденности учитывается в кинетической теории ползучести и длительной прочности, разработанной академиком Ю.Н. Работновым. Векторный параметр впервые ввел широко известный на Западе ученый-механик Л.М. Качанов, затем это направление развивал чл. корр. АН СССР С.А. Шестериков и профессор, д.ф.-м.н. А.М. Локощенко со своим учеником к.ф.-м.н. Фоминым Л.В. в НИИ механики МГУ. В качестве критерия разрушения принимается достижение скалярным параметром или длиной вектора поврежденности значения равного единице. Здесь, безусловно, необходимо отметить значительный вклад советских (российских), европейских, американских и японских ученых в развитие Continuum Damage Mechanics. В дальнейшем существенные результаты в рассматриваемой области были получены А.А. Ильюшиным, С.А. Шестериковым, О.В. Сосниным, А.М. Локощенко и другими отечественными учёными. Вслед за работами основоположников теорий накопления повреждений Л.М. Качановым и Ю.Н. Работновым механика континуального разрушения стала развиваться в различных странах, в основном применительно к процессам ползучести металлов. В последние годы под руководством профессора А.М. Локощенко в Институте механики МГУ имени М.В. Ломоносова проведено систематическое экспериментально-теоретическое исследование влияния агрессивной среды на ползучесть и длительную прочность металлов. При этом получены решения задач при взаимодействии диффузионного фронта и фронта разрушения, показана зависимость координаты диффузионного фронта не только от расстояния до внешней границы, но и от кривизны границы, проведена оценка погрешностей полученных решений. В отчетном периоде проведено исследование и выполнен доклад на ежегодной конференции “Ломоносовские чтения 2020” о длительной прочности стержней двухсвязного поперечного сечения, растягиваемых в агрессивной среде. Рассматриваются поперечные сечения стержней, в которых формы внешнего и внутреннего контуров подобны, кроме того, площади полой (внутренней) части составляют 25 % от площадей окаймляющей внешней, нагруженной части. Площади нагруженных частей сечений с различными формами совпадают. Для оценки влияния агрессивной среды на длительную прочность используется кинетическая теория Ю.Н. Работнова с двумя структурными параметрами (поврежденность материала и концентрация элементов окружающей среды в материале стержня). Для определения уровня агрессивной среды в стержнях используются приближенные решения уравнений диффузии, основанные на учете движения диффузионных фронтов от наружной и внутренней поверхностей стержней. (зав. лаб. Локощенко А.М., с.н.с. Фомин Л.В.) Проведен обзор [1] работ по кинетике диффузии и сорбции в процессах старения полимерных материалов (с.н.с. Фомин Л.В., д.х.н. Далинкевич А.А. (в.н.с. ИФХЭ имени А.Н. Фрумкина РАН)) В обзоре [1] последовательно рассмотрено шесть основных диффузионно-сорбционных моделей: модель Фика), модель Лэнгмюра, модель молекулярной релаксации , модель Якоба-Джонса (двухфазная модель), модель с переменным коэффициентом диффузии и диффузионно-конвективная модель. Анализ перечисленных моделей переноса представлен на примерах диффузии и сорбции влаги в эпоксидных полимерах и композитах (углепластиках). Сравнение показало, что для эпоксидного полимера одинаково хорошие совпадения расчета и эксперимента наблюдаются для двухфазной модели и модели с переменным коэффициентом диффузии, а для эпоксидных углепластиков в случае модели с переменным коэффициентом диффузии и модели Лэнгмюра. Показано, что рациональный выбор модели переноса должен опираться не только на качество аппроксимации, но прежде всего на данные физико-химических исследований о характере и интенсивности межмолекулярного взаимодействия в паре полимер-сорбированное вещество. Проведенный аналитический обзор показал, что основным видом экспериментальных данных значительном большинстве работ являются кинетические сорбционные кривые, т.е. зависимости средней концентрации диффузанта (активной среды) от времени с(t) в твердом полимерном образце. Такая ситуация вполне понятна и связана с доступностью экспериментального получения таких зависимостей (с помощью весов Мак-Бена, или, чаще всего, это просто периодическое, с определенным шагом по времени взвешивание полимерного образца после выдержки в активной среде). В данном исследовании постановка задачи о распределении диффузанта (активной среды ) в полимерном материале сформулирована как задача получения вида распределений с(х,t), соответствующих различным модельным описаниям и визуализации эволюции этих распределений в зависимости от внешних условий и соотношений входящих в них кинетических параметров. Предполагается получить (аналитически или численно) распределения с(х,t) для различных диффузионных моделей и проанализировать их эволюцию во времени. [1]. А.А Далинкевич., Л.В Фомин., В.В. Мельников., Т.А. Ненашева, И.Г. Калинина. Кинетика диффузии и сорбции в процессах старения полимерных материалов (обзор) // Коррозия: материалы, защита. Принято к опубликованию. Актуальность выбора адекватного варианта постановки задачи о влиянии коррозионных процессов на обеспечение безопасной эксплуатации материалов и элементов конструкций не подлежит сомнению. Рассматриваются варианты постановки задачи о длительном разрушении растягиваемого стержня в условиях ползучести. Предлагаются два варианта постановки задачи: с учетом многостадийного распространения диффузионно-коррозионного процесса на всю толщину стержня и с учетом сопряжения решений на границе коррозионного слоя. Для решения задачи разработана механико-математическая модель, включающая модифицированное уравнение диффузии, кинетическое уравнение накопления повреждений и соотношение для параметра химического взаимодействия. Параметры указанной модели определены на базе экспериментальной зависимости толщины коррозионной пленки от времени. Учитывается многостадийность процесса разрушения коррозионных слоев под действием увеличивающегося эффективного напряжения. Данное исследование имеет как фундаментальную направленность развития кинетической теории ползучести и длительной прочности Ю.Н. Работнова с учетом влияния коррозионно-активной среды, так и прикладной характер. Это исследование может быть применено в проектировании композитных элементов конструкции, эксплуатируемых в условиях воздействия коррозионно-активных сред, например, в энергетическом и нефтехимическом машиностроении. (с.н.с. Фомин Л.В.) Проведено исследование длительного разрушения оболочки и пластины при ползучести в активной среде в условиях нестационарного сложного напряженного состояния. Учет влияния среды на время до разрушения осуществляется с помощью введения в определяющие и кинетические дробно-линейные соотношения функции от интегрально средней концентрации среды. Проведено сравнение времен до разрушения при использовании скалярного и векторного параметров поврежденности. Определены особенности использования дробно-линейной модели для описания процессов длительного разрушения. Актуальность решения вопросов о безопасной эксплуатации материалов и элементов конструкций, несомненна. Наиболее часто ответственные элементы конструкций во время длительной эксплуатации подлежат воздействию ряда деструктивных факторов, среди них надо отметить следующие: высокая температура и активная рабочая и/или окружающая среда в сочетании с продолжительным действием внешних нагрузок. Таким воздействиям, например, подвергаются типовые элементы конструкций, такие, как оболочка и пластина. Влияние активной среды может определяться как диффузионным проникновением ее элементов внутрь материала, так и коррозионно-активным влиянием, которому присуще активные химические процессы взаимодействия рабочих и/или окружающих сред с материалами элементов конструкций. Особое значение приобретает изучение таких процессов при высокотемпературном длительном нагружении металлических материалов и конструкций в условиях ползучести [1-7]. В настоящей статье рассмотрено диффузионное влияние активной среды на оболочку и пластину, которые изготовлены из металлических материалов. Указанные типовые элементы находятся в условиях нестационарного длительного нагружения при воздействии на них высоких температур, которые вызывают в металлическом материале процессы ползучести. С учетом накопления повреждений такие процессы с течением времени приводят к разрушению элементов конструкций. Проведено сравнение времен до разрушения типовых элементов конструкций (оболочки и пластины) при использовании скалярного и векторного параметров поврежденности. Время до разрушения при использовании векторного параметра поврежденности превышает время до разрушения, полученное при использовании скалярного параметра поврежденности . Отношение времен до разрушения оболочки равно . Проведенное исследование показывает различие механизмов накопления повреждений при длительном высокотемпературном нагружении. Полученный результат подтверждает аналогичные результаты, полученные авторами статьи [6] при исследовании длительного нестационарного нагружения пластины во взаимно ортогональных плоскостях. В указанной работе [6] отношения времен до разрушения в зависимости от соотношения величин изгибающих моментов находятся в диапазоне . Настоящее исследование имеет как фундаментальный характер, так и прикладной аспект. Предлагаемые подходы и результаты исследования могут быть применены в энергетической, химической и авиационно-космической отраслях промышленности. (с.н.с. Фомин Л.В.) 1. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966. 752 с. 2. Локощенко А.М. Ползучесть и длительная прочность металлов. М.: Физматлит, 2016. 504 с. (Перевод: Lokoshchenko A.M. Creep and Long-Term Strength of Metals. CISP. CRC Press. Taylor & Francis Group. Boca. Raton. London. New York. 2018. 546 p.). 3. Локощенко А.М., Фомин Л.В. Моделирование поведения материалов и элементов конструкций, находящихся под воздействием агрессивных сред (обзор) // Проблемы прочности и пластичности. 2018. Т. 80. №2. С. 145 – 179. 4. Фомин Л.В. Описание длительной прочности растягиваемых стержней прямоугольного и круглого поперечных сечений в высокотемпературной воздушной среде // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, №3(32). 2013. С. 87-97. 5. Fomin L.V. Steady-state creep of a composite rod in tension in the presence of an aggressive environment // Mechanics of Composite Materials. 2017. Vol. 52(6). P. 741– 750. 6. Lokoshchenko A.M., Fomin L.V. Delayed fracture of plates under creep condition in unsteady complex stress state in the presence of aggressive medium // Applied Mathematical Modelling. 2018. Vol. 60. P. 478 – 489. 7. Фомин Л.В., Басалов Ю.Г., Локощенко А.М. Об учете влияния коррозионных процессов на длительное разрушение стержня, находящегося в условиях ползучести // Механика композиционных материалов и конструкций. 2019, том 25, №3, с. 327 – 335. 3. Научные исследования, выполненные в.н.с. А.Б. Коршуновым Получены новые результаты по специальной теме. 4. Научные исследования, выполненные с.н.с. В.В. Тераудом Рассмотрен механический процесс растяжения плоских алюминиевых образцов в условиях высокотемпературной (400*С) ползучести. Полученные механические характеристики моделируются градиентным бустингом и нейронными сетями по фотографиям процесса деформирования. Фотографии состоят из 24 серий, соответствующих различным экспериментам, общее число фотографий составило около 1500. Промоделированы: длина образца, деформация образца и время локализации деформаций. Моделирование методом градиентного бустинга показало, что алгоритм потерял обобщающую способность уже на уменьшенном наборе данных, поэтому в дальнейшем не рассматривался. Нейросетевой анализ продольной деформации дал общую ошибку ~10 %. Для дальнейшего снижения ошибки была построена линейная регрессия на прогнозах трех нейронных сетей с наилучшими наборами гиперпараметров. Это позволило снизить ошибку моделирования до 3,6 % на всей выборке. Времена локализации моделировались искусственной нейросетью для размерного и безразмерного значения. Использовались нейросеть с четырьмя выходами и четыре отдельных нейросети с одним выходом, показавшие лучший результат – 1.5 % на всей выборке данных. 5. Научные исследования, выполненные н.с. В.В. Назаровым Проведен анализ суммарных погрешностей разности экспериментального и теоретического значений времени в момент разрушения для различных видов эквивалентного напряжения. В качестве эквивалентных напряжений рассмотрены максимальное нормальное напряжение, напряжение Мизеса, удвоенное максимальное касательное напряжение, а также их две линейные комбинации с одним параметром. Для статистической обработки использованы экспериментальные данные [1-5], полученные либо в условиях двухосного растяжения (опыты на двухосное растяжение плоских образцов [1], а также опыты на внутреннее давление и растяжение трубчатых образцов [2]), либо опыты на одновременное кручение и растяжение трубчатых образцов [3-5]. Для описания длительной прочности в условиях двухосного растяжения рекомендуется использовать напряжение Мизеса, либо линейную комбинацию напряжения Мизеса и максимального нормального напряжения (предложено А.А. Лебедевым). Для описания длительной прочности в условиях одновременного кручения и растяжения трубчатых образцов рекомендуется использовать (нет однозначности для базового эквивалентного напряжения) линейную комбинацию удвоенного максимального касательного напряжения и максимального нормального напряжения (предложено В.В. Назаровым). Кроме этого, предложена модель описания процесса ползучести до момента появления шейки. Приведен пример применения этой модели для экспериментальных данных, полученных при одноосном растяжении цилиндрических образцов из титанового сплава ВТ5 при 600 градусах Цельсия. В рассмотренных экспериментальных данных наблюдались большие предельные осевые деформации. Показано удовлетворительное соответствие теоретических и экспериментальных кривых ползучести. 1. H. Kobayashi, R. Ohki T. Itoh, M. Sakane. Multiaxial creep damage and lifetime evaluation under biaxial and triaxial stresses for type 304 stainless steel. Engineering Fracture Mechanics, 2017, Vol. 174, 30−43. 2. T. Himeno, Y. Chuman, T. Tokiyoshi, T. Fukahori, T. Igari. Creep rupture behaviour of circumferentially welded mod. 9Cr–1Mo steel pipe subject to internal pressure and axial load. Materials at High Temperatures, 2016, Vol. 33, 6 636−643. 3. B.F. Dyson, D. Mclean. Creep of Nimonic 80A in torsion and tension. Journal Metal Science, 1977, Vol. 11, 2 37−45. 4. B.J. Cane. Creep damage accumulation and fracture under multiaxial stresses. International Conference on Fracture “Advances in Fracture Research” (ICF5), Cannes, 1981. – Proceedings: Oxford, Pergamon Press, 1982, Vol. 3., 1285–1293. 5. В.В. Назаров. Определение характеристик ползучести при растяжении и кручении медных трубчатых образцов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2013, Т. 79, 8 60−61.
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Деформирование и разрушение изотропных, анизотропных и неоднородных материалов в широком диапазоне температур
Результаты этапа:
7 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Деформирование и разрушение изотропных и анизотропных материалов в широком диапазоне температур
Результаты этапа:
8 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Деформирование и разрушение изотропных и анизотропных материалов в широком диапазоне температур
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы


Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. project_report_gost.pdf project_report_gost.pdf 139,2 КБ 24 декабря 2018 [Lokoshchenko]