View
33
Download
1
Category
Preview:
DESCRIPTION
Debreceni Egyetem Fizikai Tudományok Doktori Iskola. Heterogén anyagok károsodása és törése. Halász Zoltán. Doktori értekezés előzetes vita. Témavezető: Dr. Kun Ferenc. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Doktori értekezés előzetes vita
Heterogén anyagok károsodása és törése
Témavezető: Dr. Kun Ferenc
Debreceni EgyetemFizikai Tudományok Doktori Iskola
Halász Zoltán
A prezentáció elkészítését a TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
Miért érdekes a törés?
- Nagyon régóta kutatott - Nagyon sok tudományterület által kutatott- Nagyon sokrétű- Erősen alkalmazott tudomány- Terra incognita ...
Célok- Az anyagok realisztikus leírása- A mikroszerkezet és a feszültségtér
kapcsolatának leírása- Az anyag ,,előélete’’ és a mikroszkópikus
szerkezet kapcsolatának feltárása
- A statisztikus fizika alkalmazása, illetve alkalmazhatósága
- Anyagfüggetlen leírás- Kísérleti adatok és szimulációk kiértékelése
Realisztikus modellek
Univerzális modellek
- Sztochasztikus modellek kidolgozása
- A heterogén mikroszerkezet és a lokális mechanikai jellemzők reprezentáiója
- A rendszerek makroszkópikus válaszának és a válasz függése a mikroszkópikus
paraméterektől.
- A kapott eredményeket és a szakirodalomban található eredmények
kapcsolata.
2/27
- Párhuzamos szálak elrendezve valamilyen rácson- Terhelés párhuzamos a szálakkal (nem rúdmodell!)- A Hooke-törvénynek megfelelő viselkedés (tökéletesen rideg szálak)- A kölcsönhatás (a terhelés újraosztódásának) távolsága - Egyenletes újraosztódás - Lokális újraosztódásás- A törési küszöbök valamilyen eloszlásból származnak
A szálkötegmodell
E
ϭthϭ
εth
ε
3/27
A szálkötegmodell kiterjesztése: Szálas szerkezetű kompozitok
Üvegszál erősítésű műanyag Fa ?
Kompozitok:- Beágyazó anyag- Szálak
A szálak a mátrixban megcsúsznak, majd a terhelésüklecsökkenése után pozíciójuk stabilizálódik.
Csúszva – tapadás (Stick - slip) dinamika!
Ez a viselkedés azonban ismert!
4/27
A csúszva – tapadás (stick - slip) mechanizmusa
ElmozdulásR
ugó deform
áció
4
1 3
2
1
3
4
2
5/27
Titin (34.350 aminosav)
A csúszva – tapadás (stick - slip) mechanizmusa
A rendszer a tárolt hossz felszabadításával kerüli el a károsodást!
? -> A rendszer elemei között erőlánc!
6/27
A csúszva – tapadás makroszkópikus mechanizmusa
Az egyedi szál viselkedése: - Fagyott rendezetlenség- Felkeményedő szál
A modell újdonsága: A szálat képessé kell tenni a többszöri megcsúszásra!
ϭth
ϭ
ε3ε2ε1
ε
7/27
A csúszva – tapadás makroszkópikus mechanizmusa
Az egyedi szál viselkedése: - Fagyott rendezetlenség- Felkeményedő szál
A modell újdonsága: A szálat képessé kell tenni a többszöri megcsúszásra!
ϭth
ϭ
ε3ε2ε1
ε
8/27
A csúszva – tapadás makroszkópikus mechanizmusa
Az egyedi szál viselkedése: - Fagyott rendezetlenség- Felkeményedő szál
A modell újdonsága: A szálat képessé kell tenni a többszöri megcsúszásra!
ϭth
ϭ
ε3ε2ε1
ε
9/27
A csúszva – tapadás makroszkópikus mechanizmusa
Az egyedi szál viselkedése: - Változó rendezetlenség- Felkeményedő szál
ϭth2
ϭ
ε3ε2
εε1
ϭth3
ϭth1
10/27
A csúszva – tapadás makroszkópikus mechanizmusa
A továbbiakban legyen a törésiküszöbök eloszlása Weibull-eloszlás!
11/27
Monoton
-nek több maxiuma van
Kis rendezetlenségű fázis
-nek 1 maxiuma van
Nagy rendezetlenségű fázis
A csúszva – tapadás fázisdiagramja
F-J. Perez-Reche at al, PRL 101, 230601 (2008).(Driving-Induced Crossover: From Classical Criticality to Self-Organized Criticality)
12/27
A csúszva – tapadás mikroszkópikus mechanizmusa
: az egy csúszási lavinában megcsúszott elemek száma: a csúszás során megnövekedett hossz (elemi deformáció): a csúszáshoz tartozó feszültség-növekmény (elemi feszültség)
Terhelésnövelés az első szál
megcsúszásáig
Terhelés-újraosztódás
Esetleges újabb csúszások
Az összes szál megcsúszása
δεδσ
Δ
Δδεδσ
13/27
Analitikusan megadható a lavina-méret eloszlás:
Ha van kvadratikus maximum:
De mi van akkor, ha nincs:
T=5/2
T=9/4
14/27
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.
• Z. Halasz and F. Kun, Fiber Bundle Model with stick-slip dynamics,Physical Review E 80. 7102 (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).
15/27
1. Mi is az a szub-kritikus terhelés?- Ha a terhelés kisebb, mint a teherbíró-
képesség- Ha állandó -> Creep.- Ha periódikus -> Fatigue.
2. Makroszkópikusan?- Megjósolhatatlan- Gyors- Zajos
3. Mikroszkópikusan? - Megjelenik benne valamiféle nukleáció (termikus) - Repedés - terjedés - Relaxáció - Öngyógyulás (polimerek)
Teherbírás
Szakítószilárdság
Yield Point
Folyamatok versengése
A szálkötegmodell kiterjesztése: Szubkritikus terhelés
16/27
17/27
1. Ha a szál terhelése nagyobb, mint a törési küszöb:
A klasszikus modellből származó feltétel
Ha a felhalmozódott károsodás nagyobb, mint a károsodási küszöb:
Két esemény között:
A teljes életidő alatt:
2.
Versengés, de hogyan?
A két törési küszöb származhat ugyanazon eloszlásból, de független:
A rendszer makroszkópikus válasza:
18/27
Makroszkópikus válaszEgyenletes terhelés – újraosztódás- F. Kun at al, Fatigue failure of disordered materials, JSTAT P02003 (2007).- F. Kun at al, Universality behind the Basquin-law of fatigue, PRL 100, 094301 (2008). Lokális terhelés – újraosztódás
Makroszkópikusan azonban megegyeznek!
19/27
20/27
Mi befolyásolja a klaszterstruktúrát?- A kezdeti (külső) terhelés növelése
- A károsodás – halmozódás exponense=0, a károsodás független a szál terhelésétől
=1, Palmgreen – Miner lineáris károsodáselmélet
>1, ez az érdekes!
γ
γ
γ
γ
- A törési küszöbök rendezetlensége
21/27
Mivel tudjuk befolyásolni a klaszter-struktúrát?
Az analitikus megoldás kedvéért származzanak az károsodás miatti törési küszöbök egyenletes eloszlásból!
Egy szál életideje:
Mikor lesz korrelált növekedés?
1
22/27
Mivel tudjuk befolyásolni a klaszter-struktúrát?
Az analitikus megoldás kedvéért származzanak az károsodás miatti törési küszöbök egyenletes eloszlásból!
Egy szál életideje:
Mikor lesz korrelált növekedés?
2
23/27
Mivel tudjuk befolyásolni a klaszter-struktúrát?
Az analitikus megoldás kedvéért származzanak az károsodás miatti törési küszöbök egyenletes eloszlásból!
Egy szál életideje:
Mikor lesz korrelált növekedés?
3
24/27
Mikroszkópikus jellemzők és törési zaj
Globális
újraosztódásEgyenletes újraosztódás
ELS: ξ=2.5
LLS: ξ=1.8 LLS: Z=1.4
ELS: Z=1.0
25/27
Mérések papíron:
Az energia hatványkitevője:Hagyományos szakítás preparált mintán: ξ=-1.2Out-of-Plane szakítás: ξ=-1.8Creep: ξ=-1.5 … -1.6Fatigue: ξ=-1.7
Az várakozási idő hatványkitevője:Creep and Fatigue: z=-1.3
Egyéb anyagok: Gutenberg―Richter törvény: z=-1.3A jég creep energia exponense: z=-1±0.3A gránit creep energia exponense: z=-1.2 … -1.5
A szimuláció eredményei:
Az energia hatványkitevője (nem szélsőséges terhelés esetén):ELS: ξ=-2.5 LLS: ξ=-1.8
Az várakozási idő hatványkitevője:ELS: Z=-1.0LLS: Z=-1.4
A modell relevanciája
A várakozásoknak megfelelően a modell exponensei nagyságrendilegmegegyeznek és ,,valahol’’ a két határeset között vannak. Az igazság sem ELS, sem LLS!
26/27
Tézispontok a szubkritikus terhelés tárgyköréből
3. A szálköteg modell keretében heterogén anyagok szubkritikus terhelés alatti viselkedését vizsgáltam figyelembe véve a mehanikai 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 számítógép es szimuláiók azt mutatják, hogy a modell képes a szubkritikus rendszerek realisztikus leírására.
4. Számítógép es szimuláiókkal vizsgáltam a kúszó törés mikroszkópikus 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, 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, 385-399 (2010).• F. Kun, Z. Halasz and Zs. Danku, The competition of strenght and stress disorder in creep rupture Physical Review E 85, 016116 (2012).
27/27
Köszönöm a figyelmet!
Recommended