ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭВОЛЮЦИИ ДЕФОРМАЦИОННОГО РЕЛЬЕФА В ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОМ ТИТАНЕ В УСЛОВИЯХ ОДНООСНОГО РАСТЯЖЕНИЯ
|
Аннотация
Введение 4
1 Экспериментальное исследование и методы аттестации деформационного рельефа 14
1.1 Подготовка образцов и анализ микроструктуры 14
1.2 Одноосное растяжение образца 17
1.3 Методика исследования деформационного рельефа 18
1.3.1 Традиционные параметры измерения шероховатости 18
1.3.2 Фрактальная размерность как характеристика
деформационного рельефа 20
1.3.3 Безразмерный параметр интенсивности деформационного
рельефа 24
2 Численное исследование 27
2.1 Математическая постановка задачи 27
2.1.1 Динамическая постановка краевой задачи 27
2.1.2 Определяющие соотношения для описания
упругопластического деформационного поведения гексагональных кристаллов на основе физической теории пластичности кристаллов 28
2.1.3 Граничные условия 35
2.1.4 Генерация трёхмерных поликристаллических структур.... 37
2.2 Особенности численного решения краевой задачи в конечноэлементном пакете ABAQUS 39
2.3 Моделирование деформационного поведения монокристаллов
титана 44
2.4 Модель поликристалла, условия нагружения и особенности
численной реализации 48
2.4.1 Особенности численной реализации 48
2.4.2 Определение представительного объёма 52
2.4.3 Модель поликристалла и условия нагружения 55
2.5 Исследование вкладов различных систем скольжения в
деформационный отклик модельного поликристалла 57
3 Результаты 63
3.1 Анализ напряженно-деформированного состояния модельных
поликристаллов 63
3.2 Исследование деформационного рельефа экспериментальных
образцов 66
3.3 Амплитудно-частотный анализ деформационного рельефа 72
Заключение 77
Список используемой литературы 79
Введение 4
1 Экспериментальное исследование и методы аттестации деформационного рельефа 14
1.1 Подготовка образцов и анализ микроструктуры 14
1.2 Одноосное растяжение образца 17
1.3 Методика исследования деформационного рельефа 18
1.3.1 Традиционные параметры измерения шероховатости 18
1.3.2 Фрактальная размерность как характеристика
деформационного рельефа 20
1.3.3 Безразмерный параметр интенсивности деформационного
рельефа 24
2 Численное исследование 27
2.1 Математическая постановка задачи 27
2.1.1 Динамическая постановка краевой задачи 27
2.1.2 Определяющие соотношения для описания
упругопластического деформационного поведения гексагональных кристаллов на основе физической теории пластичности кристаллов 28
2.1.3 Граничные условия 35
2.1.4 Генерация трёхмерных поликристаллических структур.... 37
2.2 Особенности численного решения краевой задачи в конечноэлементном пакете ABAQUS 39
2.3 Моделирование деформационного поведения монокристаллов
титана 44
2.4 Модель поликристалла, условия нагружения и особенности
численной реализации 48
2.4.1 Особенности численной реализации 48
2.4.2 Определение представительного объёма 52
2.4.3 Модель поликристалла и условия нагружения 55
2.5 Исследование вкладов различных систем скольжения в
деформационный отклик модельного поликристалла 57
3 Результаты 63
3.1 Анализ напряженно-деформированного состояния модельных
поликристаллов 63
3.2 Исследование деформационного рельефа экспериментальных
образцов 66
3.3 Амплитудно-частотный анализ деформационного рельефа 72
Заключение 77
Список используемой литературы 79
Актуальность темы
Титан и его сплавы являются важными конструкционными материалами, широко использующимися в разных отраслях промышленности, благодаря своим уникальным свойствам. Среди них: лёгкость в сочетании с высокой прочностью, коррозионная стойкость, биосовместимость и устойчивость к высоким температурам [1-3]. В связи с этим, важным является разработка и исследование методик неразрушающего контроля, основным объектом которого является поверхность материала.
Формирование в процессе пластического деформирования деформационного рельефа на свободной поверхности является общей особенностью поликристаллических металлов и сплавов. Экспериментально известно [4, 5], что эти процессы происходят на разных масштабных уровнях. Наиболее мелкий масштаб связан с формированием дислокационных ступенек в зёрнах, выходящих на поверхность. На микроуровне формирование деформационного рельефа происходит из-за смещения отдельных зёрен перпендикулярно свободной поверхности материала. В англоязычной литературе данный феномен называют эффектом апельсиновой корки (orange peel pattern) [6, 7]. На макроуровне деформационный рельеф обуславливается формированием локализации пластической деформации, видимой невооружённым взглядом, и ведёт за собой потерю устойчивости материала. Связующим звеном между этими структурными уровнями является мезоуровень, общее понимание которого в России было заложено академиком В. Е. Паниным в работе 1982 года [8]. В контексте формирования деформационного рельефа, мезоуровень характеризуется смещением групп зёрен относительно свободной поверхности.
В большом количестве работ [9-11], деформационный рельеф рассматривается как нежелательное явление, влекущее за собой ухудшение физико-механических и эксплуатационных характеристик материала. Однако, несмотря на это, качественное и количественное изучение процессов на поверхности материала может способствовать лучшему пониманию внутреннего состояния [12-23], что обуславливает актуальность темы исследования.
Несмотря на значительное количество экспериментальных работ по исследованию эволюции деформационного рельефа в металлах [4, 5, 7, 2432], роль текстуры и внутренней структуры не до конца ясна. Для получения полной картины напряженно-деформированного состояния (НДС) необходимо дополнительно исследовать взаимосвязь процессов на поверхности и в объёме материала, используя численное моделирование.
Ключевой проблемой численного моделирования в рамках механики сплошной среды является построение моделей, реалистично описывающих деформационное поведение материала. Чтобы описать деформационное поведение титана и его сплавов, характеризующихся гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решеткой и ограниченным набором систем скольжения, необходимо учитывать физические механизмы пластичности, связанные с геометрией скольжения [24, 33-36]. В связи с этим, в данной работе в рамках физической теории пластичности кристаллов разрабатывается модель деформационного поведения а-титана с учетом особенностей дислокационного скольжения.
На данный момент физическая теория пластичности кристаллов (crystal plasticity) имеет 2 типа подходов описания упругопластического поведения. Первый тип [37-42] в отечественной науке развивается в научной школе П. В. Трусова [38, 43-45] и имеет целью построение определяющих соотношений для описания осреднённого макроскопического отклика с учётом зёрен различной ориентации. Данные модели широко используются для расчёта изменения текстуры в процессе деформирования и расчёта отклика текстурированного материала в процессе формовки. Однако они не позволяют оценить локальные характеристики НДС.
Второй тип моделей предполагает численное решение краевых задач с явным учётом микроструктуры в виде распределения физико-механических характеристик по объёму. Большой вклад в развитие таких моделей принадлежит работам Д. Раабе, Ф. Ротерса, C. Фореста и др. [4, 40, 46-50]. Преимуществом этого подхода является рассмотрение структурной неоднородности в явном виде, что позволяет оценивать локальные характеристики на микроуровне и прогнозировать поведение материалов в условиях эксплуатации. В отечественной науке разработкой таких моделей занимается группа учёных Института физики прочности и материаловедения: Р. Р. Балохонов, П. В. Макаров, И. Ю. Смолин, В. А. Романова и др. [1317, 36, 51]. Следует отметить, что в 2021 году П. В. Трусов и др. в своей обзорной работе, посвящённой многоуровневым моделям, продемонстрировали процесс нагружения образца, с явным учетом геометрии зёрен [52].
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы является изучение закономерностей формирования деформационного рельефа поликристаллического а-титана в условиях одноосного растяжения в экспериментальных и модельных образцах.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
1. Изучить существующие методики количественной оценки деформационного рельефа и написать программу для расчета параметров оценки деформационного рельефа;
2. Провести эксперимент по одноосному растяжению образцов технически чистого титана с регистрацией профилей поверхности для различных степеней деформации;
3. Проанализировать НДС модельных поликристаллов;
4. Установить корреляцию между количественными параметрами оценки деформационного рельефа и степенью деформации образца и провести амплитудно-частотный анализ для профилей, полученных экспериментально и численно.
Методы исследования
Для количественной оценки деформационного рельефа было выбрано несколько параметров:
1. Стандартные параметры оценки деформационного рельефа, среди которых арифметическое среднее (Ra) и среднеквадратичное (Rms), широко использующиеся в экспериментальных работах [18, 53-59];
2. Фрактальная размерность, широко использующаяся количественная величина в различных областях науки, таких как биология [60, 61], геология [62, 63], материаловедение [21, 23, 64, 65], химия [66] и т.д.;
3. Безразмерный параметр интенсивности деформационного рельефа, предложенный в коллективе лаборатории механики структурнонеоднородных сред ИФПМ СО РАН, В. А. Романовой и Р. Р. Балохоновым [13].
Подсчёт данных параметров производился в оригинальной программе, разработанной магистрантом на языке Python с графическим интерфейсом пользователя.
Для численного исследования в рамках подходов микромеханики и физической теории пластичности кристаллов [40, 47, 50, 52] была использована модель, построенная научном коллективе лаборатории механики структурно-неоднородных сред ИФПМ СО РАН на основе экспериментальных данных о размере и форме зёрен и их кристаллографической ориентации. Это позволяет анализировать деформационное поведение материала на всех масштабных уровнях и установить корреляцию между характеристиками рельефных образований и эволюцией внутренней структуры и деформируемым состоянием материала. Трёхмерные геометрические модели поликристаллов генерировались методом пошагового заполнения, разработанным в научном коллективе лаборатории механики структурно-неоднородных сред ИФПМ СО РАН [67]. Это полуаналитический метод, позволяющий генерировать трёхмерные микроструктуры на сетках с заданным разрешением в соответствии с аналитически заданными геометрическими законами. Основными параметрами, влияющими на геометрические особенности результирующих структур являются распределение центров зарождения и законы роста структурных элементов. Варьирование этих параметров позволяет генерировать структуры практически с любой заданной геометрией структурных элементов.
Построенные геометрические модели и определяющие соотношения импортировались в конечно-элементный пакет ABAQUS [68] с помощью разработанной пользовательской процедуры для проведения численных экспериментов. Верификация разработанных моделей выполнялась на основе сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными и имеющимися аналитическими оценками дислокационного скольжения в кристаллах с различной ориентацией оси нагружения.
Теоретическая и практическая значимость исследования
Обсуждаемые модели и подходы могут быть использованы в научных исследованиях и инженерных расчётах для моделирования деформации титановых сплавов с ГПУ решёткой с различной зёренной структурой и текстурой, характерной для различных видов термомеханической обработки. Выводы о влиянии кристаллографической текстуры на процессы локализации пластической деформации в микрообъёмах материала способствуют более глубокому пониманию деформационных процессов на микро- и мезоуровнях.
Разработанная для вычисления параметров программа может быть использована для быстрого анализа экспериментальных и численных профилей. Реализованное в программе выравнивание наклона экспериментальных профилей может помочь существенно сократить время, необходимое для подсчёта параметров оценки деформационного рельефа.
Программа «Модуль для расчёта определяющих соотношений гексагональных кристаллов в конечно-элементном пакете ABAQUS/Explicit», используемая в расчётах, зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ (номер регистрации: 2020664165).
Программа «Аттестация мезоскопического деформационного рельефа методами статистического анализа» и «Программа расчета безразмерного параметра интенсивности деформационного рельефа по профилограммам поверхности», используемые для подсчёта параметров, зарегистрированы в реестре программ для ЭВМ (номера регистрации № 2022682243 и № 2021668487).
Апробация работы
Данная работа является продолжением цикла исследований, проведенных в рамках выпускной квалификационной работы бакалавра [69]. Значимость результатов работы подтверждается победой в 10 конкурсах различного уровня, в том числе присуждением по итогам конкурса 2021 года медали РАН для студентов высших учебных заведений России за лучшую научную работу в области проблем машиностроения, механики и процессов управления.
Результаты работы докладывались и обсуждались на 16 международных и всероссийских конференциях:
• Всероссийская школа-конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», Новосибирск- Шерегеш, 2020 г.;
• Всероссийская школа-конференция «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь, 2020 г.;
• Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», Томск, 2020 г.;
• Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики - 2020», Томск, 2020г.;
• Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», Новосибирск- Шерегеш, 2021 г.;
• Всероссийская молодежная научная конференция студентов «Все грани математики и механики», Томск, 2021 г.;
• Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», Томск, 2021 г.;
• Всероссийская школа-конференция «Математическое моделирование в естественных науках - 2021», Пермь, 2021 г.;
• Всероссийская научная конференция с международным участием "Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики", Томск, 2021 г.;
• Международный онлайн симпозиум «Материалы во внешних полях», Новокузнецк, 2022 г.;
• Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» Екатеринбург, 2022 г.;
• Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», Томск, 2022 г.;
• Международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2022 г.;
• Всероссийская школа-конференция «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь, 2022 г.;
• Всероссийская конференция молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям, Новосибирск, 2022 г;
• Международная конференция «Физическая мезомеханика материалов. Физические принципы формирования многоуровневой структуры и механизмы нелинейного поведения», Томск, 2022 г.
Публикация в статьях
Результаты магистерской диссертации были опубликованы в 35 статьях, из которых 15 входит в международные базы цитирования Scopus и Web of Science. 3 статьи опубликованы в журналах «Engineering Failure Analysis», «Computers and Structures» и «Metals», входящих в первый квартиль (Q1).
Участие в проектах
Работа была выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в рамках проекта «Закономерности формирования и эволюции деформационного рельефа в пластически деформируемых поликристаллах на разных масштабных уровнях», поддержанного Российским научным фондом (грант № 20-19-00600) и в рамках проекта государственного задания «Научные основы создания цифровых двойников материалов и сред с иерархической композиционной структурой и программные средства для их виртуального тестирования в условиях статических и динамических термомеханических воздействий», тема номер FWRW-2021-0002.
Структура диссертации
Выпускная квалификационная работа магистра состоит из введения, 3 разделов, заключения и списка используемой литературы. Объем работы составляет 92 страницы, включая 37 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 117 библиографических ссылок....
Титан и его сплавы являются важными конструкционными материалами, широко использующимися в разных отраслях промышленности, благодаря своим уникальным свойствам. Среди них: лёгкость в сочетании с высокой прочностью, коррозионная стойкость, биосовместимость и устойчивость к высоким температурам [1-3]. В связи с этим, важным является разработка и исследование методик неразрушающего контроля, основным объектом которого является поверхность материала.
Формирование в процессе пластического деформирования деформационного рельефа на свободной поверхности является общей особенностью поликристаллических металлов и сплавов. Экспериментально известно [4, 5], что эти процессы происходят на разных масштабных уровнях. Наиболее мелкий масштаб связан с формированием дислокационных ступенек в зёрнах, выходящих на поверхность. На микроуровне формирование деформационного рельефа происходит из-за смещения отдельных зёрен перпендикулярно свободной поверхности материала. В англоязычной литературе данный феномен называют эффектом апельсиновой корки (orange peel pattern) [6, 7]. На макроуровне деформационный рельеф обуславливается формированием локализации пластической деформации, видимой невооружённым взглядом, и ведёт за собой потерю устойчивости материала. Связующим звеном между этими структурными уровнями является мезоуровень, общее понимание которого в России было заложено академиком В. Е. Паниным в работе 1982 года [8]. В контексте формирования деформационного рельефа, мезоуровень характеризуется смещением групп зёрен относительно свободной поверхности.
В большом количестве работ [9-11], деформационный рельеф рассматривается как нежелательное явление, влекущее за собой ухудшение физико-механических и эксплуатационных характеристик материала. Однако, несмотря на это, качественное и количественное изучение процессов на поверхности материала может способствовать лучшему пониманию внутреннего состояния [12-23], что обуславливает актуальность темы исследования.
Несмотря на значительное количество экспериментальных работ по исследованию эволюции деформационного рельефа в металлах [4, 5, 7, 2432], роль текстуры и внутренней структуры не до конца ясна. Для получения полной картины напряженно-деформированного состояния (НДС) необходимо дополнительно исследовать взаимосвязь процессов на поверхности и в объёме материала, используя численное моделирование.
Ключевой проблемой численного моделирования в рамках механики сплошной среды является построение моделей, реалистично описывающих деформационное поведение материала. Чтобы описать деформационное поведение титана и его сплавов, характеризующихся гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решеткой и ограниченным набором систем скольжения, необходимо учитывать физические механизмы пластичности, связанные с геометрией скольжения [24, 33-36]. В связи с этим, в данной работе в рамках физической теории пластичности кристаллов разрабатывается модель деформационного поведения а-титана с учетом особенностей дислокационного скольжения.
На данный момент физическая теория пластичности кристаллов (crystal plasticity) имеет 2 типа подходов описания упругопластического поведения. Первый тип [37-42] в отечественной науке развивается в научной школе П. В. Трусова [38, 43-45] и имеет целью построение определяющих соотношений для описания осреднённого макроскопического отклика с учётом зёрен различной ориентации. Данные модели широко используются для расчёта изменения текстуры в процессе деформирования и расчёта отклика текстурированного материала в процессе формовки. Однако они не позволяют оценить локальные характеристики НДС.
Второй тип моделей предполагает численное решение краевых задач с явным учётом микроструктуры в виде распределения физико-механических характеристик по объёму. Большой вклад в развитие таких моделей принадлежит работам Д. Раабе, Ф. Ротерса, C. Фореста и др. [4, 40, 46-50]. Преимуществом этого подхода является рассмотрение структурной неоднородности в явном виде, что позволяет оценивать локальные характеристики на микроуровне и прогнозировать поведение материалов в условиях эксплуатации. В отечественной науке разработкой таких моделей занимается группа учёных Института физики прочности и материаловедения: Р. Р. Балохонов, П. В. Макаров, И. Ю. Смолин, В. А. Романова и др. [1317, 36, 51]. Следует отметить, что в 2021 году П. В. Трусов и др. в своей обзорной работе, посвящённой многоуровневым моделям, продемонстрировали процесс нагружения образца, с явным учетом геометрии зёрен [52].
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы является изучение закономерностей формирования деформационного рельефа поликристаллического а-титана в условиях одноосного растяжения в экспериментальных и модельных образцах.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
1. Изучить существующие методики количественной оценки деформационного рельефа и написать программу для расчета параметров оценки деформационного рельефа;
2. Провести эксперимент по одноосному растяжению образцов технически чистого титана с регистрацией профилей поверхности для различных степеней деформации;
3. Проанализировать НДС модельных поликристаллов;
4. Установить корреляцию между количественными параметрами оценки деформационного рельефа и степенью деформации образца и провести амплитудно-частотный анализ для профилей, полученных экспериментально и численно.
Методы исследования
Для количественной оценки деформационного рельефа было выбрано несколько параметров:
1. Стандартные параметры оценки деформационного рельефа, среди которых арифметическое среднее (Ra) и среднеквадратичное (Rms), широко использующиеся в экспериментальных работах [18, 53-59];
2. Фрактальная размерность, широко использующаяся количественная величина в различных областях науки, таких как биология [60, 61], геология [62, 63], материаловедение [21, 23, 64, 65], химия [66] и т.д.;
3. Безразмерный параметр интенсивности деформационного рельефа, предложенный в коллективе лаборатории механики структурнонеоднородных сред ИФПМ СО РАН, В. А. Романовой и Р. Р. Балохоновым [13].
Подсчёт данных параметров производился в оригинальной программе, разработанной магистрантом на языке Python с графическим интерфейсом пользователя.
Для численного исследования в рамках подходов микромеханики и физической теории пластичности кристаллов [40, 47, 50, 52] была использована модель, построенная научном коллективе лаборатории механики структурно-неоднородных сред ИФПМ СО РАН на основе экспериментальных данных о размере и форме зёрен и их кристаллографической ориентации. Это позволяет анализировать деформационное поведение материала на всех масштабных уровнях и установить корреляцию между характеристиками рельефных образований и эволюцией внутренней структуры и деформируемым состоянием материала. Трёхмерные геометрические модели поликристаллов генерировались методом пошагового заполнения, разработанным в научном коллективе лаборатории механики структурно-неоднородных сред ИФПМ СО РАН [67]. Это полуаналитический метод, позволяющий генерировать трёхмерные микроструктуры на сетках с заданным разрешением в соответствии с аналитически заданными геометрическими законами. Основными параметрами, влияющими на геометрические особенности результирующих структур являются распределение центров зарождения и законы роста структурных элементов. Варьирование этих параметров позволяет генерировать структуры практически с любой заданной геометрией структурных элементов.
Построенные геометрические модели и определяющие соотношения импортировались в конечно-элементный пакет ABAQUS [68] с помощью разработанной пользовательской процедуры для проведения численных экспериментов. Верификация разработанных моделей выполнялась на основе сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными и имеющимися аналитическими оценками дислокационного скольжения в кристаллах с различной ориентацией оси нагружения.
Теоретическая и практическая значимость исследования
Обсуждаемые модели и подходы могут быть использованы в научных исследованиях и инженерных расчётах для моделирования деформации титановых сплавов с ГПУ решёткой с различной зёренной структурой и текстурой, характерной для различных видов термомеханической обработки. Выводы о влиянии кристаллографической текстуры на процессы локализации пластической деформации в микрообъёмах материала способствуют более глубокому пониманию деформационных процессов на микро- и мезоуровнях.
Разработанная для вычисления параметров программа может быть использована для быстрого анализа экспериментальных и численных профилей. Реализованное в программе выравнивание наклона экспериментальных профилей может помочь существенно сократить время, необходимое для подсчёта параметров оценки деформационного рельефа.
Программа «Модуль для расчёта определяющих соотношений гексагональных кристаллов в конечно-элементном пакете ABAQUS/Explicit», используемая в расчётах, зарегистрирована в реестре программ для ЭВМ (номер регистрации: 2020664165).
Программа «Аттестация мезоскопического деформационного рельефа методами статистического анализа» и «Программа расчета безразмерного параметра интенсивности деформационного рельефа по профилограммам поверхности», используемые для подсчёта параметров, зарегистрированы в реестре программ для ЭВМ (номера регистрации № 2022682243 и № 2021668487).
Апробация работы
Данная работа является продолжением цикла исследований, проведенных в рамках выпускной квалификационной работы бакалавра [69]. Значимость результатов работы подтверждается победой в 10 конкурсах различного уровня, в том числе присуждением по итогам конкурса 2021 года медали РАН для студентов высших учебных заведений России за лучшую научную работу в области проблем машиностроения, механики и процессов управления.
Результаты работы докладывались и обсуждались на 16 международных и всероссийских конференциях:
• Всероссийская школа-конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», Новосибирск- Шерегеш, 2020 г.;
• Всероссийская школа-конференция «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь, 2020 г.;
• Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», Томск, 2020 г.;
• Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики - 2020», Томск, 2020г.;
• Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», Новосибирск- Шерегеш, 2021 г.;
• Всероссийская молодежная научная конференция студентов «Все грани математики и механики», Томск, 2021 г.;
• Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», Томск, 2021 г.;
• Всероссийская школа-конференция «Математическое моделирование в естественных науках - 2021», Пермь, 2021 г.;
• Всероссийская научная конференция с международным участием "Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики", Томск, 2021 г.;
• Международный онлайн симпозиум «Материалы во внешних полях», Новокузнецк, 2022 г.;
• Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» Екатеринбург, 2022 г.;
• Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», Томск, 2022 г.;
• Международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2022 г.;
• Всероссийская школа-конференция «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь, 2022 г.;
• Всероссийская конференция молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям, Новосибирск, 2022 г;
• Международная конференция «Физическая мезомеханика материалов. Физические принципы формирования многоуровневой структуры и механизмы нелинейного поведения», Томск, 2022 г.
Публикация в статьях
Результаты магистерской диссертации были опубликованы в 35 статьях, из которых 15 входит в международные базы цитирования Scopus и Web of Science. 3 статьи опубликованы в журналах «Engineering Failure Analysis», «Computers and Structures» и «Metals», входящих в первый квартиль (Q1).
Участие в проектах
Работа была выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в рамках проекта «Закономерности формирования и эволюции деформационного рельефа в пластически деформируемых поликристаллах на разных масштабных уровнях», поддержанного Российским научным фондом (грант № 20-19-00600) и в рамках проекта государственного задания «Научные основы создания цифровых двойников материалов и сред с иерархической композиционной структурой и программные средства для их виртуального тестирования в условиях статических и динамических термомеханических воздействий», тема номер FWRW-2021-0002.
Структура диссертации
Выпускная квалификационная работа магистра состоит из введения, 3 разделов, заключения и списка используемой литературы. Объем работы составляет 92 страницы, включая 37 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 117 библиографических ссылок....
В выпускной квалификационной работе магистра были исследованы закономерности формирования деформационного рельефа поликристаллического а-титана в условиях одноосного растяжения для экспериментальных и модельных образцов.
Анализ картин деформации позволил выделить масштабные уровни, отвечающие за неровности поверхности в процессе нагружения. Показано, что на начальной стадии деформации распределения интенсивностей напряжений oeq подчиняются нормальному распределению точно так же, как и диагональные компоненты тензора напряжений. При дальнейшем нагружении распределение oeq становится мультимодальным: с одним пиком соответствующим среднему значению напряжений <д> и двум другим, расположенным справа и слева от него. При анализе полей напряжений для компонент тензора напряжений, было выявлено, что ненулевые значения напряжений в самом верхнем слое поликристаллической модели наблюдаются в основном вдоль границ зёрен. Однако на глубине половины диаметра зерна большинство зёрен испытывают сжимающие или растягивающие напряжения, нормальные к оси растяжения. Области положительных и отрицательных напряжений компенсируют друг друга, обеспечивая в среднем нулевое напряжение, что соответствует условиям равновесия. Ненулевые локальные напряжения, действующие из основной массы перпендикулярно плоскости поверхности, связаны с соответствующими деформациями и смещениями, что приводит к образованию выраженного рельефа поверхности.
Выбранные параметры количественной оценки деформационного рельефа были подсчитаны при помощи оригинальной программы для всех профилей участков экспериментальных образцов и построены относительно деформации образца и деформации участков мониторинга. Получено, что стандартные параметры шероховатости (R и Rms) и безразмерный параметр интенсивности деформационного рельефа (Rd) показывают схожий характер распределения относительно деформации всего образца. До 10% деформации кривые растут линейно, после чего они начинают расходиться. Причем параметр Rd продолжает свой рост линейно в участке образования шейки, а рост параметра Ra в этом же участке имеет резкий характер. Вместе с тем, какой-либо четкой корреляции между степенью пластической деформации образца и измеренной в них фрактальной размерностью (DF) выявлено не было, за исключением области шейки, где на стадии формирования выраженного макроскопического прогиба фрактальная размерность резко падала. Амплитудно-частотный анализ экспериментальных и численных профилей показал, что амплитуды высокочастотных компонент, связанных со смещениями на микроуровне, растут примерно до 7% деформации для всех образцов. Затем их рост прекращается и начинают расти амплитуды компонент с меньшей частотой, расположенных в левой части оси абсцисс, связанных с формированием рельефа на мезоуровне.
Анализ картин деформации позволил выделить масштабные уровни, отвечающие за неровности поверхности в процессе нагружения. Показано, что на начальной стадии деформации распределения интенсивностей напряжений oeq подчиняются нормальному распределению точно так же, как и диагональные компоненты тензора напряжений. При дальнейшем нагружении распределение oeq становится мультимодальным: с одним пиком соответствующим среднему значению напряжений <д> и двум другим, расположенным справа и слева от него. При анализе полей напряжений для компонент тензора напряжений, было выявлено, что ненулевые значения напряжений в самом верхнем слое поликристаллической модели наблюдаются в основном вдоль границ зёрен. Однако на глубине половины диаметра зерна большинство зёрен испытывают сжимающие или растягивающие напряжения, нормальные к оси растяжения. Области положительных и отрицательных напряжений компенсируют друг друга, обеспечивая в среднем нулевое напряжение, что соответствует условиям равновесия. Ненулевые локальные напряжения, действующие из основной массы перпендикулярно плоскости поверхности, связаны с соответствующими деформациями и смещениями, что приводит к образованию выраженного рельефа поверхности.
Выбранные параметры количественной оценки деформационного рельефа были подсчитаны при помощи оригинальной программы для всех профилей участков экспериментальных образцов и построены относительно деформации образца и деформации участков мониторинга. Получено, что стандартные параметры шероховатости (R и Rms) и безразмерный параметр интенсивности деформационного рельефа (Rd) показывают схожий характер распределения относительно деформации всего образца. До 10% деформации кривые растут линейно, после чего они начинают расходиться. Причем параметр Rd продолжает свой рост линейно в участке образования шейки, а рост параметра Ra в этом же участке имеет резкий характер. Вместе с тем, какой-либо четкой корреляции между степенью пластической деформации образца и измеренной в них фрактальной размерностью (DF) выявлено не было, за исключением области шейки, где на стадии формирования выраженного макроскопического прогиба фрактальная размерность резко падала. Амплитудно-частотный анализ экспериментальных и численных профилей показал, что амплитуды высокочастотных компонент, связанных со смещениями на микроуровне, растут примерно до 7% деформации для всех образцов. Затем их рост прекращается и начинают расти амплитуды компонент с меньшей частотой, расположенных в левой части оси абсцисс, связанных с формированием рельефа на мезоуровне.
