36. П.Н. Майер. Модели динамического разрушения металлов и расплавов
13 мая состоялось 36-е заседание общероссийского научного семинара "Реология, вязкоупругость, ползучесть, пластичность и разрушение". Доклад ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И РАСПЛАВОВ сделала П.Н. Майер, к.ф.-м.н., доцент кафедры общей и теоретической физики Челябинского государственного университета Аннотация Разрушение металлов при высокоскоростной деформации имеет существенное значение для ряда важных приложений, включая целостность различных изделий и конструкций при динамических воздействиях, а также задачи высокоскоростной обработки металлов резанием и лазерной ударной проковкой. В докладе представлен блок работ по построению моделей процесса динамического разрушения, как твердых металлов, так и расплавов. Большой блок работ посвящен исследованию методом молекулярной динамики (МД) процессов разрушения на атомарном уровне [1-7], включая расчет откольной прочности [1], исследование поздних стадий растяжения, когда расплав превращается в пену [2,3], исследование статистики ансамбля полостей [3,4], событий нуклеации, коллапса и коалесценции полостей [5], а также влияния включений и других неоднородностей [6,7]. В частности показано, что на этапе нуклеации полостей их размеры описываются экспоненциальным распределением, а после частичной релаксации напряжений и схлопывания самых мелких полостей, ставших подкритическими, распределение трансформируется в нормальное [3,4]. Показано, что сам по себе растворенный водород не оказывает существенного влияния на откольную прочность, но его выделения в виде пузырьков существенно ее снижают [6]. МД моделирование позволяет непосредственно исследовать только сверхвысокие скорости деформации, экспериментально достижимые при облучении тонких фольг фемтосекундными лазерными импульсами. С другой стороны, наличие таких экспериментальных данных позволяет верифицировать результаты МД моделирования. Экспериментальные данные свидетельствуют о ненулевой откольной прочности расплавов, а МД моделирование показывает, что ставшие пеной растянутые расплавы еще долго продолжают сопротивляться дальнейшему растяжению [2,3]. Для описания в рамках МСС разрушения при соударении [8] или интенсивном облучении [1] требуется разработка моделей разрушения. Физически обоснованным подходом является описание разрушения через эволюцию ансамбля полостей, т.е. их нуклеацию/активацию и рост, а также вызванную этим ростом релаксацию растягивающих напряжений. Подобная модель позволяет воспроизвести данные МД не только в части эволюции напряжений, но и в части концентрации пор и распределения пор по размерам [9]. Учет начальных дефектов (несмачиваемых включений) позволяет расширить область применимости модели на умеренные скорости деформации и воспроизвести скоростные зависимости откольной прочности в широком диапазоне скоростей деформации [10,11]. При умеренных скоростях деформации основным механизмом инициирования разрушения является активация полостей на существующих дефектах, а при сверхвысоких скоростях деформации происходит переход к гомогенной нуклеации полостей. Показана связь начального спектра дефектов со скоростной зависимостью откольной прочности [11]. Построена модель поздних стадий расширения расплава, превратившегося в пену [3]. Практически важным случаем является динамическое разрушение при совместном действии сдвиговых и растягивающих напряжений, как это имеет место при высокоскоростном соударении в тестах Тейлора [12]. МД моделирование сдвиговой деформации предварительно растянутых образцов показало, что пластическая деформация может их дестабилизировать и инициировать развитие пористости. Для описания этого процесса предложена модель каскада энергии [12]: часть пластически диссипируемой энергии тратится на образование дефектов и затравочной пористости, которая далее может механически расти под действием растягивающих напряжений, что и приводит к разрушению. Модель верифицирована по данным МД и далее перенесена на макроскопический уровень (3D моделирование методом SPH), что позволило описать результаты экспериментов по разрушению латунных образцов в тестах Тейлора. ....... [9] Mayer A.E., Mayer P.N. Evolution of pore ensemble in solid and molten aluminum under dynamic tensile fracture: Molecular dynamics simulations and mechanical models // International Journal of Mechanical Sciences. – 2019. – V. 157–158. – P. 816–832. [10] Mayer A.E., Mayer P.N. Strain rate dependence of spall strength for solid and molten lead and tin // International Journal of Fracture. – 2020. – V. 222. – P. 171–195. [11] Mayer P.N., Pogorelko V.V., Voronin D.S., Mayer A.E. Spall fracture of solid and molten copper: molecular dynamics, mechanical model and strain rate dependence // Metals. – 2022. – V. 12(11). – P. 1878. [12] Rodionov E.S., Pogorelko V.V., Lupanov V.G., Fazlitdinova A.G., Mayer P.N., Mayer A.E. Dynamic deformation and fracture of brass: Experiments and dislocation-based model // International Journal of Plasticity. – 2024. – V. 183. – P. 104165.
13 мая состоялось 36-е заседание общероссийского научного семинара "Реология, вязкоупругость, ползучесть, пластичность и разрушение". Доклад ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И РАСПЛАВОВ сделала П.Н. Майер, к.ф.-м.н., доцент кафедры общей и теоретической физики Челябинского государственного университета Аннотация Разрушение металлов при высокоскоростной деформации имеет существенное значение для ряда важных приложений, включая целостность различных изделий и конструкций при динамических воздействиях, а также задачи высокоскоростной обработки металлов резанием и лазерной ударной проковкой. В докладе представлен блок работ по построению моделей процесса динамического разрушения, как твердых металлов, так и расплавов. Большой блок работ посвящен исследованию методом молекулярной динамики (МД) процессов разрушения на атомарном уровне [1-7], включая расчет откольной прочности [1], исследование поздних стадий растяжения, когда расплав превращается в пену [2,3], исследование статистики ансамбля полостей [3,4], событий нуклеации, коллапса и коалесценции полостей [5], а также влияния включений и других неоднородностей [6,7]. В частности показано, что на этапе нуклеации полостей их размеры описываются экспоненциальным распределением, а после частичной релаксации напряжений и схлопывания самых мелких полостей, ставших подкритическими, распределение трансформируется в нормальное [3,4]. Показано, что сам по себе растворенный водород не оказывает существенного влияния на откольную прочность, но его выделения в виде пузырьков существенно ее снижают [6]. МД моделирование позволяет непосредственно исследовать только сверхвысокие скорости деформации, экспериментально достижимые при облучении тонких фольг фемтосекундными лазерными импульсами. С другой стороны, наличие таких экспериментальных данных позволяет верифицировать результаты МД моделирования. Экспериментальные данные свидетельствуют о ненулевой откольной прочности расплавов, а МД моделирование показывает, что ставшие пеной растянутые расплавы еще долго продолжают сопротивляться дальнейшему растяжению [2,3]. Для описания в рамках МСС разрушения при соударении [8] или интенсивном облучении [1] требуется разработка моделей разрушения. Физически обоснованным подходом является описание разрушения через эволюцию ансамбля полостей, т.е. их нуклеацию/активацию и рост, а также вызванную этим ростом релаксацию растягивающих напряжений. Подобная модель позволяет воспроизвести данные МД не только в части эволюции напряжений, но и в части концентрации пор и распределения пор по размерам [9]. Учет начальных дефектов (несмачиваемых включений) позволяет расширить область применимости модели на умеренные скорости деформации и воспроизвести скоростные зависимости откольной прочности в широком диапазоне скоростей деформации [10,11]. При умеренных скоростях деформации основным механизмом инициирования разрушения является активация полостей на существующих дефектах, а при сверхвысоких скоростях деформации происходит переход к гомогенной нуклеации полостей. Показана связь начального спектра дефектов со скоростной зависимостью откольной прочности [11]. Построена модель поздних стадий расширения расплава, превратившегося в пену [3]. Практически важным случаем является динамическое разрушение при совместном действии сдвиговых и растягивающих напряжений, как это имеет место при высокоскоростном соударении в тестах Тейлора [12]. МД моделирование сдвиговой деформации предварительно растянутых образцов показало, что пластическая деформация может их дестабилизировать и инициировать развитие пористости. Для описания этого процесса предложена модель каскада энергии [12]: часть пластически диссипируемой энергии тратится на образование дефектов и затравочной пористости, которая далее может механически расти под действием растягивающих напряжений, что и приводит к разрушению. Модель верифицирована по данным МД и далее перенесена на макроскопический уровень (3D моделирование методом SPH), что позволило описать результаты экспериментов по разрушению латунных образцов в тестах Тейлора. ....... [9] Mayer A.E., Mayer P.N. Evolution of pore ensemble in solid and molten aluminum under dynamic tensile fracture: Molecular dynamics simulations and mechanical models // International Journal of Mechanical Sciences. – 2019. – V. 157–158. – P. 816–832. [10] Mayer A.E., Mayer P.N. Strain rate dependence of spall strength for solid and molten lead and tin // International Journal of Fracture. – 2020. – V. 222. – P. 171–195. [11] Mayer P.N., Pogorelko V.V., Voronin D.S., Mayer A.E. Spall fracture of solid and molten copper: molecular dynamics, mechanical model and strain rate dependence // Metals. – 2022. – V. 12(11). – P. 1878. [12] Rodionov E.S., Pogorelko V.V., Lupanov V.G., Fazlitdinova A.G., Mayer P.N., Mayer A.E. Dynamic deformation and fracture of brass: Experiments and dislocation-based model // International Journal of Plasticity. – 2024. – V. 183. – P. 104165.