Heterogén anyagok károsodása és törése

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Heterogén anyagok károsodása és törése"

Bertalan Hegedüs
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Debreceni Egyetem Fizikai Tudományok Doktori Iskola Heterogén anyagok károsodása és törése Halász Zoltán Doktori értekezés védése Témavezető: Dr. Kun Ferenc A prezentáció elkészítését a TÁMOP-4.2.2/B-10/ számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

Kun Ferenc A prezentáció elkészítését a TÁMOP-4.2.

2 A nagy célok... Realisztikus modellek Univerzális modellek - Az anyagok realisztikus leírása - A mikroszerkezet és a feszültségtér kapcsolatának leírása - Az anyag,,előélete és a mikroszkopikus szerkezet kapcsolatának feltárása - A statisztikus fizika alkalmazása, illetve alkalmazhatósága - Anyagfüggetlen leírás - Kísérleti adatok és szimulációk kiértékelése És a rideg valóság... Specifikus, de minél univerzálisabb sztochasztikus modellek kidolgozása: 1. A heterogén mikroszerkezet és a lokális mechanikai jellemzők reprezentációja 2. A rendszerek makroszkopikus válaszának és a válasz függése a mikroszkopikus paraméterektől. 3. A kapott eredményeket és a szakirodalomban található eredmények kapcsolata. 2/27

mikroszkopikus szerkezet kapcsolatának feltárása - A statisztikus fizika alkalmazása, illetve alkalmazhatósága - Anyagfüggetlen leírás - Kísérleti adatok és szimulációk

3 A károsodás szálkötegmodellje ϭ ϭth E εth ε - Párhuzamos szálak elrendezve valamilyen rácson - Terhelés párhuzamos a szálakkal (nem rúdmodell!) - A Hooke-törvénynek megfelelő viselkedés (lineárisan rugalmas szálak) - A kölcsönhatás (a terhelés újraosztódásának) távolsága - Egyenletes újraosztódás (ELS) - Lokális újraosztódás (LLS) - A törési küszöbök valamilyen eloszlásból származnak 3/27

) - A Hooke-törvénynek megfelelő viselkedés (lineárisan rugalmas szálak) - A kölcsönhatás (a

4 A szálkötegmodell kiterjesztése: Szálas szerkezetű kompozitok Kompozitok: - Beágyazó anyag -Szálak A szálak megcsúsznak, terhelésük lecsökken, pozíciójuk stabilizálódik... Csúszva tapadás (Stick -slip)! A gyakorlatban nem ilyen egyszerű: A struktúra átrendeződése Erőláncok átrendeződése 4/27

lecsökken, pozíciójuk stabilizálódik... Csúszva tapadás (Stick -slip)!

5 A stick-slip mechanizmus szálkötegmodellje A valóságban az elemek többszöri átrendeződésre képesek A szálat képessé kell tenni a többszöri megcsúszásra! ϭ ϭth ϭ ϭth3 ϭth2 ϭth1 ε1 ε2 ε ε3 ε1 ε2 ε ε3 5/27

képesek A szálat képessé kell tenni a többszöri

6 A csúszva tapadás mechanizmusa Fagyott rendezetlenség esetén: : Egy szál megcsúszásához tartozó feszültség-növekmény : a terhelés-növekedés által kiváltott hossznövekedés DE! Lehet valamit mondani a lavinák megjelenéséről? 6/27

feszültség-növekmény : a terhelés-növekedés által

7 A csúszva tapadás mechanizmusa Legyen a csúszási küszöbök eloszlása Weibull-eloszlás! m: a csúszási küszöbök rendezetlenségének mértéke 7/27 Deformáció-kontrollált eset! A szimulációk képesek a konstitutív görbe teljes hosszát végigjárni.

m: a csúszási küszöbök rendezetlenségének mértéke 7/27

8 A csúszva tapadás fázisdiagramja Kis rendezetlenségű fázis Nagy rendezetlenségű fázis 8/27

9 A csúszva tapadás mikroszkopikus mechanizmusa Analitikusan megadható a lavina-méret eloszlás: R.C.Hidalgo et al., PRE 80, (2009). Ha van kvadratikus maximum: De mi van akkor, ha nincs: 9/27 F-J. Perez-Reche et al., PRL 101, (2008). (Driving-Induced Crossover: From Classical Criticality to Self-Organized Criticality)

Ha van kvadratikus maximum: De mi van akkor, ha nincs: 9/27 F-J. Perez-Reche et al.

10 Tézispontok a stick slip dinamika vizsgálata tárgyköréből 1. A klasszikus szálkötegmodell olyan kiterjesztését dolgoztam ki, amelynek segítségével lehetővé vált a külső terhelésre a csúszva tapadás dinamikájával válaszoló rendszerek realisztikus vizsgálata. A modell újszerűsége a szálak egyedi viselkedésében rejlik: növekvő terhelés hatására a szálak egy véletlen terhelési küszöb elérésekor nem törnek el, hanem megcsúsznak, ezért újra képesek terhelés felvételére az eredeti rugalmassági modulusz megtartása mellett. A csúszási eseményt követően a az anyag lokálisan átstrukturálódhat, amit a modell a csúszási küszöbök változásával vesz figyelembe. 2. Analitikus számolásokkal és számítógépes szimulációkkal vizsgáltam a csúszva tapadás mechanizmussal rendelkező rendszerek deformációjának és törésének mikroszkópikus dinamikáját. 10/27 Z. Halasz and F. Kun, Fiber Bundle Model with stick-slip dynamics, Physical Review E (2009). Z. Halasz and F. Kun, Slip avalanches in a fiber bundle model, Europhysics Letters 89, 6008 (2010). Z. Halasz and F. Kun, Fiber Bundle Model with stick-slip dynamics, 3rd International Conference on Multiscale Material Modelling, Freiburg, Germany (2006). F. Kun, Z. Halasz and Zs. Danku, Slip avalanches in a fiber bundle model, 5th International Conference on Multiscale Material Modelling, Freiburg, Germany (2010).

A modell újszerűsége a szálak egyedi viselkedésében rejlik: növekvő terhelés hatására a szálak egy véletlen terhelési küszöb elérésekor nem törnek el, hanem megcsúsznak, ezért újra képesek terhelés

11 A szálkötegmodell kiterjesztése: Szubkritikus terhelés Szubkritikus terhelés - A terhelés nem okoz azonnali törést -Két időskála: Gyors azonnali törés,,lassú egyéb folyamatok Makroszkopikusan - Megjósolhatatlan -Zajos 11/27 Mikroszkopikusan - Repedés nukleáció (termikus) - Repedésterjedés -Relaxáció - Öngyógyulás (polimerek) Folyamatok versengése Cél: Meghatározni, hogyan függ a szubkritikus törés a mikroszkopikus jellemzőktől!

-Zajos 11/27 Mikroszkopikusan - Repedés nukleáció (termikus) - Repedésterjedés -Relaxáció - Öngyógyulás

12 Károsodás-halmozódás a szálkötegmodellben 1. Ha a szál terhelése nagyobb, mint a törési küszöb: 2. Ha a felhalmozódott károsodás nagyobb, mint a károsodási küszöb: Két esemény között: A klasszikus modellből származó feltétel A teljes életidő alatt: A két törési küszöb származhat ugyanazon eloszlásból, de mivel függetlenek: A rendszer makroszkopikus válasza: Klasszikus FBM! A modell újdonsága: Szálak törése károsodás-halmozódás miatt! 12/27

származó feltétel A teljes életidő alatt: A két törési küszöb származhat ugyanazon eloszlásból, de mivel

13 Klaszter-növekedés és fázisdiagram Hogyan lehet garantálni az egyklaszter fejlődést? 2 Egy szál életideje: 13 13/27

14 Mikroszkopikus jellemzők és törési zaj Nagyobb lavinák, de gyorsabb folyamat! Lavinaméret-eloszlás Várakozási idő-eloszlás Mi okozza a zajt? Lokális újraosztódás T: Várakozási idő (két lavina között eltelt idő) E: Jelnagyság (az egy lavinában eltört elemek száma) Egyenletes újraosztódás 14/27

Lokális újraosztódás T: Várakozási idő (két lavina között eltelt idő) E:

15 A model relevanciája A modell csupán két mikroszkopikus folyamatra lett leszűkítve, de tudjuk hogy sokkal több van! *Analitikusan meghatározható *Saját mérések A várakozásoknak megfelelően a model exponensei nagyságrendileg megegyeznek és,,valahol a két határeset között vannak. Az igazság sem ELS, sem LLS! 15/27

*Analitikusan meghatározható *Saját mérések A várakozásoknak megfelelően a

16 Tézispontok a szubkritikus terhelés tárgyköréből 3. A szálköteg modell keretében heterogén anyagok szubkritikus terhelés alatti viselkedését vizsgáltam figyelembe véve a mechanikai feszültség lokális újraosztódását a száltöréseket követően. Állandó nagyságú szubkritikus terhelés alatt időfüggő viselkedést az eredményez, hogy a még épen maradt terhelt elemek egy öregedési folyamaton mennek keresztül, ami károsodás - halmozódást okoz. Az átlagtér közelítésben végzett analitikus számítások és a számítógépes szimulációk azt mutatják, hogy a modell képes a szubkritikus rendszerek realisztikus leírására. 4. Számítógépes szimulációkkal vizsgáltam a kúszó törés mikroszkopikus dinamikáját. A sztohasztikus törési folyamat jellemzésére az időfejlődés mellett a repedések térbeli szerkezetét is elemeztem. F. Kun, Z. Halasz, S. Andrade Jr. and H. J. Herrmann, Cracklingnoise in sub-criticalfracture of heterogenousmaterials, Journal ofstatisticalmechanics: Theory and Experiment, P01:21(15) (2009). Z. Halasz, G.Timar and F. Kun, The effect of disorder on cracklingnoise in fracturephenomena, Progress of Theoretical Physics Supplement 184, (2010). F. Kun, Z. Halasz and Zs. Danku, The competition of strength and stress disorder in creep rupture, Physical Review E 85, (2012). 16/27

Állandó nagyságú szubkritikus terhelés alatt időfüggő viselkedést az eredményez, hogy a még épen maradt terhelt elemek egy öregedési folyamaton mennek keresztül, ami károsodás - halmozódást okoz.

17 Referált közlemények Z. Halasz and F. Kun, Fiber Bundle Model with stick-slip dynamics, Physical Review E (2009). Z. Halasz and F. Kun, Slip avalanches in a fiber bundle model, Europhysics Letters 89, 6008 (2010). F. Kun, Z. Halasz, S. Andrade Jr. and H. J. Herrmann, Crackling noise in sub-critical fracture of heterogenous materials, Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, P01:21(15) (2009). Z. Halasz, G. Timar and F. Kun, The effect of disorder on crackling noise in fracture phenomena, Progress of Theoretical Physics Supplement 184, (2010). F. Kun, Z. Halasz and Zs. Danku, The competition of strength and stress disorder in creep rupture, Physical Review E 85, (2012). Z. Halasz and F. Kun, Fiber Bundle Model with stick-slip dynamics, 3rd International Conference on Multiscale Material Modeling, Freiburg, Germany (2006). F. Kun, Z. Halasz and Zs. Danku, Slip avalanches in a fiber bundle model, 5th International Conference on Multiscale Material Modeling, Freiburg, Germany (2010).

$Timar and F. Kun, The effect of disorder on crackling noise in fracture phenomena, Progress of Theoretical Physics Supplement 184, 385-399 (2010). F. Kun, Z. Halasz and Zs.$

19 Mennyire tipikus ez a viselkedés? 13/27

20 A szöveges válaszokból, illetve a magyarázatokból nem egyértelmű, hogy az 5.6 ábrán bemutatott gyakorlati példákat melyik elvi ábrákkal kell összehasonlítani? (a) Titin óriásmolekula szakítódiagramja (b) Burridge-Knopoff modell deformáció-idő diagramja

21 A fázisátalakulásnak nevezett jelenség előfordulhat-e egy adott anyagkombináció esetén? Pl. Az adott kompozitban az erősítő szálak arányának változtatásával át lehet-e lépni egyik fázistérből a másikba? R.C.Hidalgo et al., Universality classs of fiber bundles with strong heterogenity, EPL 81, (2008).

22 Az 5.4-es ábrán látható, hogy az analitikusan meghatározott konstitutív görbékkel le lehet írni azt az esetet is, amikor a szálak a maximális csúszás elérésekor eltörnek, és nem végtelen teherbírású elemként viselkednek. Hogyan néz ki ebben az esetben a lavinák méreteloszlása? Ebben az esetben is megadható-e fázisdiagram? Ha a szálak eltörnek:

Hasonló dokumentumok

Heterogén anyagok károsodása és törése

Debreceni Egyetem Fizikai Tudományok Doktori Iskola Heterogén anyagok károsodása és törése Halász Zoltán Doktori értekezés előzetes vita Témavezető: Dr. Kun Ferenc A prezentáció elkészítését a TÁMOP-4.2.2/B-10/1-20100024