Механика твердого тела, физика и механика деформирования и разрушения, механика композиционных и наноматериалов, а также трибология
|
Построена молекулярно-динамическая модель движения краевой дислокации в монокристалле. Для монокристалла алюминия получены зависимости скорости краевой диссоциировавшей дислокации от сдвигового напряжения при различных температурах. Определена температурная зависимость коэффициента фононного трения краевой дислокации. Результаты согласуются с экспериментальными данными по температурной зависимости предела текучести алюминия при высокоскоростной деформации в предположении, что температура не оказывает влияния на плотность дислокаций за фронтом ударной волны.
ОИВТ.
Проведено квантово-механическое и молекулярно-динамическое моделирование структуры, потенциалов взаимодействия компонентов композиционных материалов на основе гибкоцепной полимерной матрицы и наноразмерных наполнителей (аморфный углерод, силикат, минерал шунгит). Рассчитаны микроскопические механические характеристики модельных кластеров полимерных нанокомпозитов при их деформировании (растяжении) вплоть до разрыва. Проведен расчет коэффициента всестороннего сжатия К для композита (полимерная матрица с нановключением). Моделирование проводили в NPT-ансамбле с периодическими граничными условиями при нормальных условиях в рамках разработанной программы MDPOL. Использовали вычислительные мощности многопроцессорного кластера ИПРИМ РАН.
Проведены расчеты микромеханических свойств межфазных (приграничных) слоев композита. Предсказаны величины потенциалов взаимодействия поверхности наполнителя с сегментами полимерных макромолекул различной природы в зависимости от расстояния до активной поверхности и от наличия на ней активных центров, а также прочностные свойства нанокомпозитов в зависимости от плотности упаковки макромолекул и величины внешнего воздействия. По результатам моделирования проведены оценки активности каждого из изученных наполнителей на увеличение прочности композита на его основе. Проанализирована возможность целенаправленного подбора наполнителей для получения композитов с заданными полезными свойствами. По результатам моделирования даны рекомендации по технологии физико-химической модификации поверхности частиц рассматриваемых наполнителей (будет проводиться на следующих этапах работы).
ИПРИМ.
Построена механико-математическая модель, описывающая демпфирующую роль водородосодержащей аморфной границы в материале с нано частицами. Показано, что последняя приводит к повышению термодинамической устойчивости связующей матрицы. Экспериментально подтверждено повышение стабильности материала при нагреве до 300C.
Решена динамическая задача о растяжении двухфазного стержня под действием динамических внешних нагрузок, приложенных по обе стороны от фазовой границы (ФГ). Движение ФГ вызвано падающей на нее упругой волной. Задача решена аналитически, найден закон движения ФГ. Проведено сравнение результатов с результатами, найденными в рамках квазистатического (кинетического) подхода.
Исследовано влияние вязкости и сжимаемости жидкости на волнообразование поверхностных волн в стратифицированной жидкости при движении в ней вихря.
Исследовано поведение жидкости в нано каналах, стенки которых имеют кристаллическую и аморфную структуры. Показано, что в нано зазорах размером 3-20 нм кристаллическая структура ( в отличии от аморфной) вызывает упорядочение прилегающих к стенкам слоев жидкости, в виде определенных структур. Показано, что различными типами вибрации стенок каналов можно управлять расходом и вязкими свойствами жидкости.
Для стратифицированной тяжелой жидкости определены профили волн, возникающих на поверхности при наличии вибрирующего объекта на дне.
Построена модель, предсказывающая возникновение, распространение и остановку динамического ударного разрушения, применимая как для предсказания поведения разрушаемых тел без начальных дефектов, так и тел с макротрещинами.
На основе моделирования классических экспериментов Рави-Чандара и Кнаусса на динамический старт, распространение и остановку трещин показана адекватность разработанного подхода при предсказании старта, продвижения и остановки ударно нагружаемых трещин
Повторены условия удара спутника SMART1 о поверхность луны, произведенного Европейским космическим агентством в 2006 году. Размеры кратера, полученные в результате моделирования методом конечных элементов с использованием специального критерия разрушения на основе понятия инкубационного времени хрупкого разрушения, совпадают с экспериментально наблюдаемыми астрономами.
На основе введенного понятия инкубационного времени детонации газовой среды и понятия пороговой скорости подвода энергии , построена модель, предсказывающая возникновение детонации в газовых средах под воздействием импульсно подводимой энергии.
На основе разработанного подхода инкубационного времени процесса детонации исследованы известные экспериментальные работы Книстаутаса и Ли по детонированию газовых смесей кратковременными импульсными электрическими разрядами Показано, что используя введенный критерий детонации возможно предсказывать экспериментально наблюдаемые зависимости пороговой минимальной энергии, необходимой для вызывания детонации газовой смеси от длительности прикладываемого электрического разряда.
Проведены сравнительные экспериментальные исследования ударно-волнового поведения поликристаллического алюминий-литиевого сплава 1420 с разным размером исходной зеренной структуры:
- крупнозернистый материал типа (а) - средний размер зерна 24 μm ;
- мелкозернистый материал типа (б) - средний размер зерна 1,6 μm.
Второй материал был получен в результате равно-канального углового прессования (РКУП) первого материала.
Путем сравнения временных профилей массовой скорости для двух структурных состояний материала установлена разница в отклике на ударное нагружение. В крупнозернистом материале (а) зарождение мезоуровня связано разделением зерен на блоки, что требует затрат энергии. Для мелкозернистого материала (б) эти потери отсутствуют, так как этот материал имеет структуру мезоуровня уже в исходном состоянии. Образование в материале (а) нового структурного уровня, не связанного с исходной зеренной структурой материала, в сущности, представляет собой фрагментацию материала. Поэтому последующие разгрузка на заднем фронте импульса и растяжение в зоне откола протекают в отчасти ослабленном материале, что приводит к снижению величины откольной прочности по сравнению с мелкозернистым материалом. Время, в течение которого подготавливается структурный переход (т.н. инкубационное время структурного перехода) в сплаве 1420 составляет ~ 150 нс.
Для исследования возможности управления структурными переходами при ударном нагружении с целью создания материала с заданной структурой и прочностными характеристиками проведены т.н. дуплетные ударно-волновые нагружения алюминия Д16. Нагружение мишеней осуществляли с помощъю составного ударника: первый слой – из алюминия Д16 , а второй из стали Ст3. Дуплетное нагружение полностью устраняет структурный переход на плато импульса сжатия и стабилизирует величину откольной прочности материала.
Теоретически разработан и экспериментально подтвержден новый подход, позволяющий получать высокоориентированные бездефектные и механически ненапряженные нанопленки различных материалов на подложках при большом рассогласовании решеток пленки и подложки (~15-25%). На основе теоретических предсказаний практически реализован новый метод осаждения карбида кремния на кремнии, отличающийся от всех существующих методик. Были выращены монокристаллические нанопленки карбида кремния кубического и ряда гексагональных политипов. В настоящий момент времени завершается этап научно-исследовательских работ по этой тематике. Работа готова к проведению НИОКР для дальнейшего ее внедрения в производство. 2. Теория нуклеации обобщена на случай с химическими реакциями данного типа; построена микроскопическая кинетическая теория процессов, протекающих как в подложке, так и в пленке; рассчитаны зависимости от времени основных характеристик процесса роста пленки методом твердофазной эпитаксии: химического сродства, поверхностной концентрации островков пленки, их распределения по размерам.
Построена нелинейная математическая модель периодических явлений, протекающих в процессе изнашивания двух контактирующих тел при трении без смазочного материала. Модель описывает совмесные флуктуации скоростей изнашивания приповерхностных слоев и величин, характеризующих изменения шероховатости каждой из контактирующих поверхностей.
Рассмотрена модель трения, в которой учитывается образование вторичных структур, улучшающих триботехнические характеристики узлов трения. Скорость производства энтропии в такой модели определяется процессами диффузии и теплопроводности. Из условия минимального производства энтропии в стационарном состоянии в явном виде была найдена величина коэффициента переноса, который пропорционален интенсивности износа. Было получено соотношение для зависимости интенсивности линейного износа от величины pv, где p – контактное давление,v- скорость скольжения и других термодинамических параметров. Из соотношения вытекает принципиальная возможность эффекта снижения интенсивности износа при росте величины pv. Проверка этого эффекта проводилась на полимерных композитах посредством экспериментальных исследований износа и показала правильность теоретических выводов.
Предложен подход к оценке поверхностной усталости хрупких тел, основанный на обработке экспериментальных данных, полученных по стандартным методикам, применяемых при изучении трения и изнашивания. Для оценки поверхностной усталости при известном среднем напряжении необходимо определить путь трения до начала отделения частиц износа (факт начала отделения устанавливается по данным акустической эмиссии) и среднюю плотность шероховатостей на единице этого пути. Исследовались образцы поликристаллического и монокристаллического оксида алюминия. Проверка показала, что предел поверхностной усталости для призматической плоскости монокристалла сапфира в 5 раз больше чем для поликристаллического материала.
Предложен и теоретически исследован новый механизм зарождения трещин в нанокомпозитных материалах. В рамках предлагаемого теоретического описания трещины зарождаются на дислокациях с большими векторами Бюргерса, образующихся в результате наноскопического идеального сдвига, который происходит под действием высокого растягивающего внешнего напряжения. Показано, что предлагаемый механизм образования трещин (путем комбинации процессов нормального отрыва и наноскопического идеального сдвига) в нанокомпозитных материалах может реализовываться при высоких значениях внешнего напряжения, достигаемых при ударных нагрузках.
Разработано теоретическое описание пластической деформации в аморфной межкристаллитной фазе в аморфно-кристаллических нанокомпозитах. Особое внимание уделено процессам переноса пластической деформации из аморфной фазы в кристаллическую (нанозерна) и из кристаллической фазы в аморфную. Рассчитаны энергетические характеристики этих процессов и критические значения приложенного напряжения, необходимые для безбарьерного зарождения зернограничных и внутризеренных петель. В качестве примера рассмотрен аморфно-кристаллический керамический нанокомпозит на основе кубического карбида кремния. Показано, что процессы прямого и обратного переноса пластической деформации между кристаллической и аморфной фазами в таком нанокомпозите являются энергетически выгодными и могут проходить атермически в широком диапазоне значений приложенного напряжения и структурных характеристик материала.
Предложена теоретическая модель, которая описывает процессы зарождения и эволюции дислокационных петель на цилиндрических нановключениях (в частности, углеродных нанотрубках), а также влияние таких процессов на рост трещин в деформируемых нанокомпозитных материалах. В рамках модели проскальзывание полого цилиндрического нановключения в нанокомпозите осуществляется путем зарождения и скольжения по границе волокна призматической круговой дислокационной петли. Рассчитаны энергетические характеристики такого процесса и критические значения приложенного напряжения, которые необходимы для безбарьерного зарождения и скольжения круговой дислокационной петли.
Все результаты являются новыми и значимыми для мировой науки о процессах разрушения, деформации и диффузии в нанокомпозитных материалах. Работа выполнялась при поддержке научной Программы РАН «Структурная механика материалов и элементов конструкций. Взаимодействие нано-, микро-, мезо- и макромасштабов при деформировании и разрушении» и грантов РФФИ 08-01-00225-а и 08-02-00304-а.
ИПМаш.
Разрабатываются комбинированные методы определения динамических параметров тонких полимерных волокон при использовании измерений электромагнитного излучения (ЭМИ) при распространении волн в волокнах антенной и высокоскоростной съемки видеокамерой. Предложено определять волновые скорости тонких волокон и мгновенные упругие модули Юнга при разгрузке в зависимости от деформации волокна простым достаточно точным методом ЭМИ. В качестве образцов брались упруговязкие и упруговязкопластические полимерные волокна диаметром 0.3- 0.06 мм. Обнаружена сильная зависимость указанных скоростей и модуля Юнга от деформации в волокнах из сополимера. Масштабный эффект - зависимость характеристик от диаметра волокна - оказался существенным. Видеосъемка позволяет по движению кончика волокна измерять массовую скорость за фронтом продольной волны, изменение ее формы и амплитуды после отражений этой волны, аналогично методу отражения в экспериментах с ударными волнами, а также наблюдать зарождение, рост и распространение поперечных волн как результат потери устойчивости волокна после отражения волны от закрепления в виде волны сжатия (или, что тоже, после удара длинного упругого стержня о жесткую преграду). По этим данным определяются длины, амплитуды и скорости поперечных волн в волокнах и мгновенная жесткость при изгибе. Дается классификация различных сценариев развития неустойчивости в зависимости от скорости удара. Обнаружен новый эффект гашения возмущений при скорости удара выше скорости распространения поперечных волн (< 10 м/c): возмущения сносятся к точке удара и исчезают, сильные изгибные волны не развиваются. Таким образом, параллельно предложен и реализован экспериментальный метод исследования динамической потери устойчивости длинных стержней. Фундаментальные исследования по методу регистрации электромагнитного сигнала, излучаемого в процессах колебания и разрушения тел, нацелены на определение параметров и контроля явлений предразрушения материалов и элементов конструкций на макро-микро уровне.
ИПМех.
Получены условия возникновения, закономерности развития и торможения осесимметрического вязкопластического течения упруговязкопластического материала в цилиндрическом вискозиметре, вычислены уровень и распределение остаточных напряжений при остановке вискозиметра. Показан асимптотический характер продвижения упругопластической границы от внутренней цилиндрической поверхности вискозиметра.
ИАПУ ДВО РАН.
Установлена возможность придания стеклянному слою стеклометаллокомпозита пространственной наноструктуры, благодаря чему стеклометаллокомпозит приобретет исключительно высокую прочность и ударную стойкость и может быть использован для изготовления прочных корпусов глубоководной техники.
ИПМТ ДВО РАН.
Разработана пространственная математическая модель по деформации металла для сложной трехкомпонентной системы: инструмент деформирования - деформируемый металл - жидкий металл. Получены поля напряжений, перемещений и температур во времени.
Реализован численно-аналитический подход к расчету тензорных полей напряжений, скоростей, деформаций и деформаций в окрестности концентраторов, что позволило рассчитать накопление деформаций и диссипации механической энергии и учитывать их влияние на прочность различных элементов конструкций.
Разработаны математические зависимости и программы для расчета напряженно-деформированного состояния флотирующей пластины с учетом ее неоднородностей в виде сквозных трещин и переменности толщины от действия динамических нагрузок при их движении с резонансными скоростями и импульсном воздействии с учетом взаимодействия возбуждаемых изгибно-гравитационных волн.
Исследованиями напряженно-деформированного состояния пористых керамических оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям в условиях низкоскоростного нагружения с использованием аппроксимации теплового процесса установлены оптимальные параметры их структур, наиболее вероятные участки разрушения и релаксации напряжений.
ИМиМ ДВО РАН.
|
|
