Анотація до роботи:

Вербило Д.Г. Фізичні закономірності деформації та руйнування високопористих матеріалів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, 2003.

У дисертації розглянуті фізичні моделі деформації та руйнування високопористих матеріалів. Проаналізовано структурну чутливість границі текучості та граничних механічних характеристик в залежності від параметрів структури твердої фази та морфології порового простору. Запропоновано узагальнюючу схему впливу пористості на нормований модуль пружності високопористих матеріалів різних класів, а також вираз для залежності модуля пружності від пористості з урахуванням параметрів, що характеризують морфологію порового простору. Формування граничних механічних характеристик розглянуто у зв’язку з особливостями механізмів руйнування твердої фази досліджених матеріалів.

Структурно-чутливі моделі механічної поведінки високопористих матеріалів використані для розробки принципів оптимізації структури по критеріях їх працездатності як конструкційних елементів. Запропоновано методологію, що дозволяє обрати оптимальну структуру матеріалу з точки зору питомої жорсткості та демпфіруючої здатності. На прикладі спіненого алюмінію та високопористого нікелю проведена експериментальна перевірка запропонованих моделей і продемонстрована відповідність експериментальних даних теоретичним розрахункам.

Запропоновано модель, що пояснює механізм деформації та руйнування високопористого керамічного матеріалу, який виявляє квазіпластичну поведінку при випробуваннях на згин і стискання.

1. З використанням підходів теорії перколяції запропонований вираз, що описує залежність модуля пружності від пористості з урахуванням параметрів, які характеризують морфологію порового простору. Розрахункові залежності добре погоджуються з експериментом. Аналіз залежності модуля пружності від пористості біпористої системи з використанням феноменологічних характеристик b і q_с дозволяє кількісно оцінити вплив структурних факторів, зокрема відносних розмірів часток пороутворювача і порошку, на зазначену властивість.

2. Механічна поведінка пористого нікелю в області мікротекучості задовільняє принципу подібності кривих s - e_р в широкому інтервалі пористостей при умові незмінності структури твердої фази. Вплив розміру зерна на характер кривих мікропластичності виявлений для малопористих матеріалів. На стадії кооперативного ковзання зерен деформуюча напруга твердої фази зв’язана з розміром зерна співвідношенням Холла - Петча. Встановлено, що деформація, яка відповідає фізичній границі текучості e_т, також чутлива до розміру зерна по закону e 1/d.

3. Закономірності формування граничних механічних характеристик у біпористих матеріалах з різними механізмами руйнування (пластичний нікель, квазікрихке залізо і крихкий молібден) пояснені з використанням фізичних моделей руйнування порошкових матеріалів. Чутливість граничних характеристик біпористих матеріалів до морфологічного параметру l залежить від мікромеханізмів руйнування твердої фази. Встановлено, що:

- у випадку крихкого руйнування вплив матричності на міцність має складний характер: при малих пористостях вищу міцність мають матеріали з меншим l, а при великих пористостях – матеріали з великим значенням l;

- у випадку в’язко-крихкого переходу має місце виродження максимуму на залежності тріщиностійкості від пористості в матеріалах з великим l;

- при в’язкому руйнуванні міцність та гранична деформація збільшуються із збільшенням l для всього діапазону пористостей.

4. Запропоновано залежності для розрахунку параметрів питомої жорст-кості високопористих матеріалів, які враховують морфологію порового простору. На прикладі порошкових біпористих матеріалів продемонстровані можливості оптимізації структури по питомим механічним характеристикам. Максимум питомої жорсткості (k_km = 6) спостерігається для оптимального структурного стану (q = 70 % і l = 50).

5. Розрахунки, виконані для сендвіча з пористим наповнювачем, показали, що максимальний виграш у жорсткості і навантаженні загальної плинності шаруватої балки для даної пористості і структури порового простору досягається при конкретних відношеннях висот пористого і компактного шарів. Для біпористого середнього шару з пористістю 75 % оптимальне відношення цих висот для твердості m = 20.

6. Виходячи з подібності кривих деформаційного зміцнення високопористих матеріалів при стиску на стадії слабкого зміцнення, встановлена залежність щільності роботи пластичної деформації від початкової пористості. Встановлено екстремальний характер цієї залежності. Показано, що максимальне значення щільності роботи пластичної деформації високопористого матеріалу визначається параметрами деформаційного зміцнення твердої фази і морфологією порового простору.

7. Запропоновано моделі і розроблені комп'ютерні програми, що дозволяють вибрати оптимальну структуру демпфіруючого матеріалу або по необхідному рівню демпфіруючої напруги, або по заданій величині сумарної поглиненої роботи деформації. Розрахунковий метод дозволяє визначити оптимальні структури, що мають максимальну схильність до демпфірування. Розраховані значення оптимальної пористості для матеріалів на основі піноалюмінію і високопористого порошкового нікелю лежать у діапазоні 75-80 %.

8. Досліджено механічну поведінку «сендвічевих» композитів з оксиду алюмінію з пористою серцевиною. Встановлено, що при пористості центрального шару 60 % питома жорсткість композиту підвищується в 2,5 рази в порівнянні з компактною балкою тієї ж маси. У результаті нанесення тонких компактних шарів на пористу серцевину міцність композита підвищується в 2,5-3,5 рази.

9. Пористі керамічні зразки з оксиду алюмінію і «сендвічеві» композити демонструють непружню поведінку при випробуваннях на згин і стискання. Запропоновано модель, що пояснює механізм деформації та руйнування високопористого керамічного матеріалу, що виявляє квазіпластичне поводження. У моделі використовуються уявлення про стохастичну природу руйнування з урахуванням того, що розтріскування міжпорових перемичок відбувається без втрати стійкості макрозразка в цілому.