УДК 539.3

DOI 10.24411/1683-805X-2020-16003

 

Создание новых конструкционных материалов (в первую очередь металлов и сплавов) и технологий их обработки с целью получения изделий с высокими эксплуатационными характеристиками остается и еще долго будет оставаться одной из важнейших проблем многих областей знания и отраслей промышленности. Для решения возникающих весьма сложных задач проектирования материалов и процессов их обработки в последние десятилетия широко привлекаются разнообразные математические модели, значительная часть которых базируется на макрофеноменологических континуальных теориях упругопластичности. В то же время известно, что физико-механические свойства металлических материалов и рабочие характеристики изделий из них практически полностью определяются мезо- и микроструктурой, изменение которых не описываются указанными теориями. В связи с этим в последние 15-20 лет для решения отмеченных проблем весьма интенсивно развиваются и применяются многоуровневые модели, в которых явным образом описываются физические механизмы неупругого деформирования и их носители, обусловливающие изменения структуры материала на различных структурно-масштабных уровнях. В этом смысле многоуровневые модели можно считать эффективным инструментом для реализации основных положений, подходов и методов физической мезомеханики, разработанной в трудах В.Е. Панина, его учеников и последователей. В предлагаемой статье рассматриваются структура и основные соотношения, используемые гипотезы, классификация, области применения и ограничения многоуровневых моделей, применяемых для описания процессов термомеханической обработки металлов и сплавов. Поскольку значительное число технологических процессов изготовления деталей с высокими рабочими характеристиками осуществляется методами интенсивной пластической деформации, отдельно рассматриваются вопросы учета геометрической нелинейности в соотношениях, входящих в модели. Приведены примеры применения разработанных авторами моделей, в частности, для описания сверхпластического деформирования, рассмотрения процессов рекристаллизации, исследования влияния внешних и внутренних границ кристаллитов на деформирование поликристаллических образцов, анализа сложного нагружения. Обсуждаются вопросы дальнейшего развития многоуровневых моделей, основанного на включении в структуру моделей более глубоких структурно-масштабных уровней.

Ключевые слова: физическая мезомеханика, многоуровневые упруговязкопластические модели, сверхпластические деформации, рекристаллизация, поверхностные эффекты

 

Multilevel models in physical mesomechanics of metals and alloys: Results and prospects

The creation of new structural materials (primarily metals and alloys) and material processing technologies for the manufacture of high-performance products is and will be the focus of many research areas and industries. In recent decades, the complex problems of designing materials and their processing techniques have been solved using various mathematical models, many of which are based on macrophenomenological continuum theories of elastoplasticity. However, it is known that the physical and mechanical properties of metallic materials as well as the performance characteristics of metallic products are almost completely determined by the meso- and microstructures, whose evolution is not described by the above theories. This gap has been successfully filled during the last 15-20 years by multilevel models that explicitly describe the physical mechanisms of inelastic deformation and their carriers causing structural changes in the material at various structural scale levels. Multilevel models can be considered an effective tool for the implementation of the main principles, approaches and methods of physical mesomechanics, developed in the works of V.E. Panin and his colleagues. This paper examines the structure and basic relationships, hypotheses, classification, applications and limitations of multilevel models used to describe the thermomechanical processing of metals and alloys. Since a large number of technological processes for the manufacture of high-performance parts and components are based on severe plastic deformation techniques, special attention is paid to taking into account geometric nonlinearity in the relationships included in the model. Application examples of our developed models are given, in particular, for describing superplastic deformation, recrystallization processes, the effect of external and internal crystallite boundaries on the deformation of polycrystalline samples, and for analysis of complex loading. The further development of multilevel models with the inclusion of deeper structural scale levels into the models are discussed.

Keywords: physical mesomechanics, multilevel elastic-viscoplastic models, superplastic deformations, recrystallization, surface effects

 

 

П.В. Трусов, А.И. Швейкин, Н.С. Кондратьев, А.Ю. Янц  Многоуровневые модели в физической мезомеханике металлов и сплавов: результаты и перспективы // Физ. мезомех. - 2020. - Т. 23. - № 6. - С. 33-62