Процессы структурообразования при ударном нагружении материалов

08.07.2015

Известно, что при динамическом нагружении прочность материалов связана с процессами структурообразования, а именно с их интенсивностью. Под структурообразованием обычно понимают зарождение различного рода вихревых структур, дислокационной структуры, полос локализованного сдвига и других дефектов на мезоуровне. Существуют различные подходы к описанию процессов структурообразования в материалах при динамических нагрузках. Подход, предложенный П.В. Макаровым, основан на моментной теории упругости. Однако определяющие уравнения моментной теории на сегодняшний день отсутствуют, а использование подгоночных коэффициентов не позволяет говорить о предсказательности данного подхода. Широкое распространение в последнее время получили методы молекулярной динамики, которые применяются и для создания моделей динамического структурообразования. В данных моделях учитывается парное взаимодействие отдельных частиц друг с другом (на базе центральных потенциалов типа Леннарда-Джонса или Морзе), а в более поздних моделях — также сдвиговое взаимодействие, трение и др. Ho, к сожалению, и для этих моделей отсутствуют экспериментальные данные для определения значений некоторых используемых коэффициентов. В этой связи результаты, полученные с применением таких подходов, можно рассматривать лишь как качественные.
Одним из перспективных подходов к моделированию процессов динамического структурообразования является подход, основанный на работах Д.Н. Зубарева по неравновесной статистической механике. В данном подходе уравнения законов сохранения замыкаются определяющим уравнением, в которое входят интегральные характеристики деформируемой среды: динамическая вязкость, масштаб нелокальности, степень поляризации среды из-за нелокальности взаимодействия структурных элементов. Эти интегральные характеристики имеют строго определенный физический смысл и могут быть определены с помощью метода «скоростного градиента динамической переменной», развитого в работах.
Еще один подход к решению задачи структурообразования при динамическом воздействии предложен Ю.И. Мещеряковым. В данном подходе основные уравнения законов сохранения замыкаются кинетическим уравнением релаксационного типа, записанным для функции распределения частиц по скоростям. Уравнения записываются на разных масштабных уровнях: балансные уравнения — на макроуровне, а кинетическое — на микроуровне. Взаимодействие частиц при этом рассматривается как полевое, по аналогии с известным подходом в электродинамике, где кинетическое уравнение для заряженных частиц замыкается уравнением Максвелла. При определенных условиях может произойти смена однородного режима деформирования на турбулентный, означающая изменение режима энергообмена между микро- и макроуровнями деформирования. При переходе к такому нестационарному режиму динамические характеристики претерпевают резкое пороговое изменение, что приводит к формированию субструктуры материала. Критерий, отвечающий смене режима энергообмена, включает в себя статистические динамические характеристики среды: дисперсия скорости частиц, средняя скорость частиц в ударной волне, темп изменения дисперсии и скорости частиц.