Число пластичности и показатель текучести: Показатель текучести

Показатель текучести

В грунтовой лаборатории компании ООО «ГеоЭкоСтройАнализ» работают исключительно специалисты высокой квалификации, оснащенные самым современным оборудованием, что позволяет нам давать точные и оперативные оценки состояния грунтов. Среди физических свойств грунтов одним из самых важных считается показатель текучести.

Определенным типам грунтов соответствуют конкретные физические состояния. Например, такая характеристика, как показатель текучести, присущ исключительно пылевато-глинистым грунтам, среди которых выделяют следующие: глины, супеси, суглинки.

В зависимости от количества воды в объеме грунта его определения называют текучим, пластичным или твердым. Для определения пластичности грунта пользуются косвенным методом, который основан на том, что определяют диапазон влажности, на границе раскатывания и текучести. Именно в этом диапазоне происходит проявление пластичных свойств грунта.

Существует соответствие границы текучести и влажности.

Если граница будет незначительно превышена, грунт оказывается в текучем состоянии. Для определения границы текучести глинистых грунтов применяют следующую методику. Под собственным весом вдавливается балансирный конус (вес 76 грамм, высота 22 мм, угол заострения 30 градусов). Границу текучести определяют по весовой влажности теста, которое изготовлено из воды и грунта. За пять секунд должно произойти погружение балансирного конуса на глубину в 10 миллиметров.

Числом пластичности называют разницу между влажностью на границе текучести и границе раскатывания.

При выполнении инженерно-геологических изысканий на территории, где предполагается проведение строительных работ, с преобладанием глинистых грунтов, невозможно получить качественную оценку свойств грунта без расчета показателя текучести, так как он напрямую связан с другими важными характеристиками грунта.

Какую характеристику называют показателем текучести разновидности глинистого грунта? Для определения данной характеристики образец грунта исследуют в лабораторных условиях, чтобы получить детальную информацию по изучаемому образцу. Данную характеристику вычисляют по отношению разности двух влажностей, соответствующих двум различным состояниям, к индексу пластичности. Одно состояние является природным, а второе состояние отмечается на границе раскатывания.

Получив величину показателя текучести, можно вычислить такие важные характеристики глинистого грунта, как густота и вязкость. Следует заметить, что параметры данной консистенции напрямую связаны с природной влажностью грунта, которая в итоге может иметь как отрицательную, так и положительную величину. Если данный показатель характеризуется отрицательным значением, то мы имеем дело с твердым исследуемым грунтом, если же показатель положительный, то грунт обладает текучей консистенцией.

На основании подобных геологических изысканий можно точно определиться с наименованием исследуемого грунта и его состоянием. Перед принятием проектных решений (выбором строительных материалов, выбором и расчетом фундамента основания, защитных мероприятий) от изучения данной информации очень многое зависит.

Консистенция (показатель текучести) влияет на то, к какому подвиду относится глинистый грунт.

К супесям относится грунты с твердой консистенцией (показателем текучести ниже ), пластичностью от 0 до 1, текучестью более 1.

К глинам и суглинкам относятся глинистые грунты с твердой консистенцией менее 0, полутвердой от 0 до 0,5; тугопластичной от 0,25 до 0,5; мягкопластичной от 0,5 до 0,75; текучепластичной от 0,75 до 1; текучей более 1.

Предел пластичности (граница текучести) определяется на основании лабораторных исследований. Величина данного предела соответствует процентному содержанию воды в грунте, в момент его перехода из между двумя консистенциями. Изменение показателя текучести зависит от содержания воды в конкретном виде грунта.

Показатель несущей способности грунта, который находится в довольно текучем (размягченном) состоянии существенно снижен, поэтому проектировщикам не обойтись без особых мер безопасности.

Показатель текучести грунта — ГЕОЛОГ

Проведение лабораторных испытаний позволяет определить не только физические, но и химические свойства образцов грунта. Физическое состояние у них разное. Из-за этого выполнение вычисления некоторых видов показателей возможно не у всех грунтов. Показатель текучести грунта можно вычислить при работе с пылевато-глинистыми почвами, то есть глинами, суглинками и супесями.

Если на территории изысканий преобладает один из этих типов грунта, нужно правильно рассчитать его текучесть, потому что это сильно влияет на его характеристики.

Показатель текучести

Показатель текучести грунта – различие влажностей между природным состоянием материала, а также на границе его раскатывания, и индекса пластичности. Определение этого показателя возможно только в лабораториях. Он дает более детальные сведения по грунту. Измерение этого показателя позволяет правильно охарактеризовать грунтовые вязкость и густоту.

На этот показатель оказывает сильное влияние природная влажность грунта. В итоге он может быть как отрицательным (твердый грунт), так и положительным (текучая консистенция).

Такие геологические изыскания для коттеджа или иного объекта точно определяют, в каком состоянии находится грунт. Это очень важно при создании проектов, при выборе подходящего материала, проведения изыскания для фундамента и так далее. Цена вовремя проведенных анализов – надежность сооружения.

Степени текучести

По показателю текучести грунта все глинистые грунты делятся на подвиды супесей, глины и суглинков.

Супеси могут обладать тремя степенями текучести: твердой, пластичной и текучей консистенциями. А вот у глин и суглинков таких степеней шесть: твердая, полутвердая, тугопластичная, мягкопластичная, текучепластичная и текучая.

Результаты лабораторных исследований позволяют найти и предел пластичности грунта. Он помогает выяснить, какое количество воды в грунте содержится при изменении консистенции. То есть, влияние воды на показатель текучести грунта.

Геология для проекта строительства содержит множество изысканий.

Важно, чтобы смета включала все пункты исследований: полевых, и лабораторных.

Грунты с текучим состоянием обладают очень слабой несущей способностью. Такой грунт в дальнейшем приведет к смещению конструкции здания или же к сильной усадке фундамента. Следует заказать проведение этого исследования до начала проектных работ. Если нет возможности строиться в другом месте, заказчик должен предпринять все возможные меры безопасности. Стоимость профилактических мер окупится крепостью и надежностью фундамента здания.

В грунтовой лаборатории ООО «Геолог» вы можете заказать любые виды исследований грунта. Наши специалисты, прежде чем поместить образец в лабораторию, специально выезжают на исследуемую строительную площадку и берут образцы грунт и воды из подготовленных скважин. Если площадь строительной площадки велика, то берется несколько образцов по всей площади изучаемой местности.

Услуги геодезиста стоят недорого, и заказать их в нашей компании очень просто. Воспользуйтесь контактными данными на сайте и свяжитесь с нашими операторами.

Консультация по самым сложным вопросам в области инженерных изысканий бесплатна.

Чтобы получить точный расчет предстоящих исследований рекомендуем прислать на наш электронный адрес техническое задание. В ближайшее время наши специалисты подготовят точную смету предстоящих расходов. Мы успешно работаем по многим регионам России, а также в Москве и Московской области

Пластичность грунта – описание, формула

Главная > Часто задаваемые вопросы > Свойства грунтов > Физические свойства грунтов > Пластичность грунта

Пластичность грунта – это физическое свойство связных дисперсных грунтов менять свою форму без разрыва под воздействием внешних нагрузок. После снятия давления форма сохраняется. Характеристика в большинстве своем зависит от влажности.

Пластичность свойственна глинистым и лёссовидным грунтам с мелкими частицами. Определяется свойство по верхнему и нижнему пределу пластичности. Цифровым выражением показателя является число пластичности.

Что такое пластичность грунта

В любом грунте присутствует влага.

Она бывает:

  • Связанной
    Молекулы воды связываются с глинистыми минералами, гумусом и другими веществами. Чаще всего такой тип встречается в глинистых и пылеватых грунтах, плодородных почвах, торфе. Связанная влага с трудом удаляется при высушивании.
  • Капиллярной
    Эта вода находится в мелких порах с размерами 0,001-1 мм. Она способна подниматься из нижних горизонтов в верхние под влиянием силы поверхностного натяжения. Жидкость может отжиматься и удаляться из открытых капилляров, из закрытых – только после их разрушения.
  • Осмотической
    Вода проникает в микроагрегаты и глинистые зерна под влиянием осмотических сил. Она связывается с минералами, отвечает за набухание грунта и его пластические свойства.
  • Свободной
    Вода находится в крупных порах с размерами больше 1 мм. Она не связана с химическими элементами грунта, свободно удаляется под давлением или при высушивании.

Пластические свойства проявляются, когда в материале преобладает капиллярная и осмотическая влаги. Такая вода накапливается в микропорах глинистого грунта и внутри его зерен.

Существует две основные теории, объясняющие механизм возникновения пластичности:

  • Коллоидная
    В глинистых грунтах всегда присутствуют коллоиды – мелкие твердые частицы, распределенные в жидкости. Они связывают между собой глинистые зерна грунта, при этом не препятствуют их перемещению относительно друг друга. Коллоиды выступают своеобразной смазкой, позволяющей грунту деформироваться без потери связности.
  • Гидратная
    Согласно этой теории, пластичность обеспечивает тонкая прослойка воды между глинистыми частицами. Она связывает между собой элементы грунта, но при этом они могут перемещаться относительно друг друга.

Обе теории дополняют друг друга. Скорее всего пластичность обеспечивается как коллоидами, так и водными прослойками.

При снижении влажности связь между частицами ослабевает, грунт твердеет или начинает распадаться на куски. Повышение влажности ведет к появлению большого количества свободной воды. Глинистый грунт в таком случае переходит в текучее состояние (превращается в эмульсию).

По показателю влажности определяют основные параметры пластичности:

  • Нижний предел пластичности (Wp) – влажность, при которой грунт становится твердым или теряет связность
  • Верхний предел пластичности (Wl) – влажность, при которой грунт становится текучим (превращается в жидкую эмульсию)
  • Число пластичности (Ip) – разница между верхним и нижним пределом (Ip=Wl-Wp)

Именно на числе пластичности основывается классификация глинистых грунтов (ГОСТ 25100-2011 и новый ГОСТ 25100-2020). Она дана в таблице.

Пластичность, даже при определенной влажности, есть не у всех грунтов.

Она зависит от ряда характеристик:

  • Гранулометрического состава
    Площадь поверхности мелких глинистых частиц очень большая, что позволяет конденсироваться на их поверхности большему количеству воды.
  • Минерального состава
    Глины на основе монтмориллонита (слоистого глинистого минерала, обладающего способностью впитывать большое количество воды и набухать) обладают большей пластичностью, чем на основе каолинита (глинистого минерала класса водных силикатов алюминия с меньшей склонностью к набуханию).
  • Молекулярного состава
    Пластичность падает при возрастании в грунте трехвалентных ионов (алюминия, трехвалентного железа) и увеличивается при появлении одно- и двухвалентных (лития, калия, натрия, двухвалентного железа).
  • Состава воды
    В естественных условиях вода представляет собой раствор солей разной концентрации. Чем больше в ней соли, тем меньше пластичность грунта при определенных параметрах влажности.

Дальше мы опишем, как определяются все показатели пластичности.

Определение пластичности грунта

Верхний и нижний предел пластичности определяют экспериментально по влажности на границе раскатывания и текучести. Затем по полученным данным вычисляют число пластичности.  Методики описаны в ГОСТ 5180-2015. Подробно о каждой читайте в соответствующей части статьи.

Определение верхнего предела пластичности

Чтобы определить верхний предел пластичности (или влажность на границе текучести), понадобятся:

  • Сушильный шкаф
  • Аналитические весы
  • Балансирный конус Васильева массой 76±2 г и с углом уклона возле вершины 30°
  • Цилиндрическая чаша (идет в наборе с конусом)
  • Металлическая или фарфоровая чаша для размельчения грунта диаметром 7-8 см
  • Шпатель
  • Фарфоровая миска с пестиком
  • Терка
  • Вазелин
  • Сито с ячейками 1 мм

Образец для испытания может иметь нарушенное сложение. Минеральные грунты берут как с природной влажностью, так и в воздушно-сухом состоянии. Ил и почва должны иметь естественную влажность.

Пробу подготавливают следующим образом:

  1. Грунт растирают в миске или натирают на терке
  2. Органические останки с размерами больше 1 мм обязательно вынимают
  3. Материал просеивают через сито с ячейками 1 мм
  4. Отбирают пробу массой около 100 г, к ней добавляют дистиллированную воду и выдерживают массу в чаше 2 часа (тяжелые суглинки – 6 часов)
  5. Лишнюю влагу из ила удаляют фильтровальной бумагой или отжимают образец в хлопчатобумажной ткани

Проведение испытания:

  1. Подготовленную пасту из грунта выкладывают в цилиндрическую чашу. Она должна полностью заполнить емкость. Поверхность выравнивают на уровне краев чаши.
  2. Поверхность балансирного конуса смазывают вазелином и подводят его острие к поверхности грунтовой пасты.
  3. Затем конус плавно опускают, чтобы он погружался в грунт под давлением собственного веса.
  4. Влажность на границе текучести фиксируется в том случае, когда конус опускается за 5 секунд на глубину 10 мм.
  5. После этого из образца отбирают пробу 15-30 г и определяют ее влажность по стандартной методике. О ней вы можете прочитать в статье Влажность грунта.

Если за 5 секунд конус погружается на меньшую глубину, чем 10 мм, пасту вынимают из цилиндра, доливают к ней дистиллированную воду, тщательно перемешивают и повторяют опыт.

Если за такой же промежуток времени конус опускается в грунт больше, чем на 10 мм, образец следует просушить. Для этого пасту перекладывают в фарфоровую чашу и слегка просушивают ее на воздухе, постоянно помешивая шпателем.

В США для определения границы текучести используется метод Казагранде (Casagrande). В этом случае в специальную чашу накладывают грунтовую пасту. По центру делают борозду шириной 1,25 см. Затем на приборе с электрическим приводом чашу приподнимают и бросают на резиновое покрытие. На границе текучести после 25 ударов бороздка должна закрыться. Метод довольно субъективный, поэтому показатели американских, европейских и российских стандартов могут не совпадать.

В Западной Европе, Канаде, Японии, Австралии используется 2 типа цилиндров – весом 80 г и 60 г. В первом случаев угол скоса у вершины 30°, во втором – 60°. В остальном методика не отличается от предложенной российским ГОСТ 5180-2015.

Определение нижнего предела пластичности

Нижний предел пластичности – это влажность, при которой грунт начинает твердеть и распадаться на куски.

Ее определяют двумя методами:

  • Раскатыванием шнура
  • Прессованием

Их описание вы найдете в продолжении текста.

Метод раскатывания шнура

Для проведения опыта понадобятся:

  • Сушильный шкаф
  • Аналитические весы
  • Стеклянные или металлические бюксы (небольшие баночки с крышками)
  • Шпатель
  • Ступка с пестиком
  • Фарфоровая чаша
  • Мелкая терка
  • Сито с ячейками 1 мм
  • Пластиковая или стеклянная пластина

Проба готовится так же, как и при определении влажности на границе текучести. Чаще всего из предыдущего образца берут пробу 40-50 г.

Порядок проведения исследования следующий:

  1. Берут небольшую часть грунта, разминают его и раскатывают на пластине шнур. Его диаметр – 3 мм, длина – около ширины ладони.
  2. После раскатывания грунт сминают в комок и опять раскатывают. Процедуру повторяют до тех пор, пока шнур не начнет распадаться на куски по 3-10 мм.
  3. Куски собирают в бюксы и закрывают крышками.
  4. Когда масса кусочков грунта достигнет 10-15 г, определяют их влажность по стандартной методике.
Метод прессования

Для определения нижнего предела пластичности в этой методике используется прессование грунта в контакте с целлюлозой (фильтровальной бумагой). Суть опыта в том, что под прессом из грунта отжимается жидкость, пока не будет достигнута влажность на границе раската.

Для проведения опыта понадобятся:

  • Сушильный шкаф
  • Аналитические весы
  • Бюксы
  • Фарфоровая чаша и ступка с пестиком
  • Шпатель
  • Сито с ячейками 1 мм
  • Фильтровальная бумага
  • Хлопчатобумажная ткань
  • Деревянные либо металлические пластинки
  • Металлический лабораторный шаблон округлой формы толщиной 2 мм и с отверстием по центру (диаметр отверстия 5 см)
  • Пресс

Образец готовят таким же образом, как и в предыдущих методиках.

Порядок проведения исследования:

  1. Шаблон укладывают на хлопчатобумажную ткань. Отверстие заполняют грунтовой пастой и выравнивают ее поверхность на уровне его края.
  2. Далее шаблон убирают, а оставшийся образец сверху накрывают тканью.
  3. Затем на грунт снизу и сверху кладут фильтровальную бумагу в ткани.
  4. Пробу прижимают пластинками и воздействуют на нее прессом, чтобы создать давление 2 МПа (20 кг/см2). Прессуют пробу 10 минут.
  5. После образец вынимают, снимают с него фильтровальную бумагу и ткань.
  6. Грунтовую лепешку перегибают пополам. Если на сгибе появилась трещина, значит достигнута влажность на границе раската.
  7. Если трещина не появилась, берут новую порцию грунтовой пасты и повторяют опыт. Время давления при этом увеличивается на 10 минут.

При использовании метода прессования около 20% образцов нужно параллельно проверять с помощью раскатывания шнура. Результаты обоих способов должны быть сопоставимыми. Поскольку методика не является полностью самостоятельной и требует большего количества оборудования, она применяется редко.

Расчет числа пластичности

После определения влажности на границе текучести и раската рассчитывают число, или индекс пластичности (Ip) по формуле:

Число пластичности – это основной показатель, по которому оценивают это свойство. На его основе грунты разделяют на глины, суглинки и супеси. Классификация подана в таблице выше.

На основе числа пластичности также рассчитывают предполагаемую деформацию грунта под нагрузками. Поэтому показатель определяют при планировании строительства на глинистых грунтах.

Практическое значение показателя пластичности грунтов

Пластичность – это один из основных показателей, который позволяет оценивать глинистые грунты.

Он влияет на следующие важные характеристики:

Несущую способность
Пластичная и текучая глина имеет более низкую несущую способность, чем твердая. Она сильно деформируется под давлением, проседает. Поэтому следует учитывать, при какой влажности грунт перейдет в пластичное состояние. При этом также смотрят, насколько эта влажность выше, чем естественная, на том или ином участке.

  • Склонность к набуханию и усадке
    По пластичности грунта определяют его активность. Чем выше этот показатель, тем сильнее набухает глинистый грунт.
  • Структурную прочность
    Прочность грунта падает при переходе от твердого к пластичному и от пластичного к текучему состоянию.

Для строительных грунтов высокое число пластичности – отрицательная характеристика. Это значит, что грунт находится в пластичном состоянии при широком диапазоне влажности. Высокий показатель будет полезен в керамической промышленности, при производстве цемента и в ряде других сфер. В них используются пластичные глины, из которых делают посуду, фарфор и другие материалы.

Также отметим, что с пластичностью связано несколько других показателей, которые характеризуют состояние грунтов при разной влажности. О них вы узнаете дальше.

Другие свойства грунтов, связанные с пластичностью

С пластичностью грунта непосредственно связаны следующие характеристики:

  • Показатель текучести
  • Консистенция
  • Активность грунта

Детальнее об их значении и способах расчета мы расскажем в продолжении этой части статьи.

Показатель текучести

Показатель, или индекс текучести (Il) – это величина, которая рассчитывается по формуле для грунтов с естественной влажностью и нарушенным сложением.

Характеристика помогает предвидеть некоторые механические свойства глинистых грунтов, такие как:

  • Влажность, при которой они переходят в текучее состояние
  • Степень усадки основания
  • Степень деформации под определенным давлением

Индекс текучести рассчитывают по формуле:

В таблице ниже вы найдете классификацию глин, суглинков и супесей в зависимости от показателя текучести. Скажем сразу, что эта типология неофициальная, не закреплена в ГОСТах.

Консистенция

Показатель, или индекс консистенции (Ic) характеризует способность грунта сохранять свою форму и состояние при механическом воздействии и без него. Он включает больше параметров грунта, зависящих от влажности, чем пластичность.

Консистенция бывает жидкой и твердой. Также выделяют ряд переходных форм:

  • Текучую
  • Текуче-пластичную
  • Мягкопластичную
  • Тугопластичную
  • Пластичную
  • Сыпучую

Консистенция определяется в илистых и глинистых грунтах, плодородных почвах. Она зависит от количества и типа влаги, которая находится в грунте. Наибольшее значение имеют связанная и капиллярная вода. При наличии большого количества свободной влаги грунт переходит в текучее состояние.

У торфа и заторфленных грунтов консистенцию не определяют. Их свойства менять свое состояние зависят не столько от воды и мелких частиц, сколько от природных восков и битумов.

Индекс консистенции определяется по формуле:

В зависимости от показателя, грунты делятся на 4 группы:

  1. Очень твердые – индекс консистенции больше 1 (литифицированные или окаменевшие глины)
  2. Твердые – 0,5-1 (сухие глины и суглинки)
  3. Мягкие – 0,05-0,5 (влажные глинистые грунты)
  4. Жидкие – меньше 0,05 (водонасыщенные глинистые грунты в текучем состоянии)

Активность грунта

Под активностью глинистого грунта (А) понимают соотношение пластичности и количества глинистых частиц. Показатель дает представление, насколько грунт склонен к набуханию и усадке.

По активности глинистые грунты разделяют на:

  • Неактивные глины со слабой склонностью к набуханию (А меньше 0,75)
  • Средне активные (А больше 0,75 и меньше 1,25)
  • Активные с выраженной склонностью к набуханию (А больше 1,25)

Показатель активности зависит не только от гранулометрического, но и от химического состава.

В таблице даны виды глинистых минералов и показатели их активности (склонности к набуханию).

Вы можете попробовать и самостоятельно определить, какой грунт у вас на участке. Для этого нужно взять комок грунта и увлажнить его до мягкого состояния. Затем необходимо скатать из него шарик и распластать его в лепешку.

Результаты могут быть следующими:

  • Глина распластывается в лепешку без трещин
  • Суглинок дает трещины по краям
  • Супесь распадается

Но такой метод, разумеется, дает очень условные результаты. Они пригодятся для определения типа грунта на вашем участке, чтобы в последующем можно было улучшить его свойства добавлением песка, перегноя или чернозема. Можно ориентироваться на приблизительные данные и при строительстве небольшого помещения для садового инвентаря. Но если вы планируете возводить жилое здание, строить капитальный гараж или сарай, лучше заказать геодезические исследования у специалистов.

Пластичность и консистенция грунтов (границы раскатывания и текучести, число пластичности и показатель текучести).

Числом (индексом) пластичности глинистого грунта называется разность между влажностями на границе текучести wL и на границе раскатывания или пластичности wp. Число (индекс) пластичности коррелятивно связано с процентным содержанием в грунте глинистых частиц и может служить классификационным показателем для отнесения глинистого грунта к супеси, суглинку или глине.

При 1<Ip £ 7 глинистый грунт называется супесью, при 7<Ip £ 17 называется суглинком и при Ip>17 — глиной. В данном случае wp и wL выражены в процентах (рис.М.3.17).

Рис.М.3.17. Классификация глинистых грунтов: а — по числу пластичности; б — по состоянию (консистенции)

От естественной влажности число пластичности Ip не зависит, поскольку влажность на границе текучести wL и раскатывания wp определяется на искусственно приготовленном из сухого размельченного высушенного порошка грунтовом тесте.

Показатель консистенции IL (индекс текучести) глинистого грунта характеризует состояние глинистого грунта (густоту, вязкость), линейно зависит от естественной влажности, может быть как отрицательным (твердые грунты), так и положительным, в том числе и более единицы (грунты текучей консистенции). При изменении IL в пределах от нуля до единицы грунты имеют пластичную консистенцию.

Показатель консистенции IL определяется в долях единицы по формуле

Для суглинков и глин диапазон изменения IL от нуля до единицы (пластичное состояние) подразделяется на четыре равных поддиапазона: грунты полутвердые, тугопластичные, мягкопластичные и текучепластичные (рис.М.3.19).

Набухание и усадка грунтов.


Набухание– способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Это может происходить при подъеме уровня грунтовых вод, обильных атмосферных осадках, затоплении местности. Этот процесс происходит в глинах и тяжелых суглинках. Набухающие грунты обычно залегают слоями и нередко встречаются на поверхности земли в сухих районах. При увеличении объема грунта возникает давление набухания (Psw), которое может достигать 0,8 – 1,2 МПа. Такая сила набухания может легко поднять и деформировать здание или сооружения.

Механизм набухания можно представить следующим образом: оно происходит при соприкосновении сухих или слабо влажных грунтов с водой, при этом вода проникает в грунт по капиллярам, пленки воды утолщаются, частицы грунта раздвигаются и его объем увеличивается. Наиболее сильно поглощает воду и «разбухает» монтмориллонит.

Способность глинистого грунта к набуханию оценивают по величине относительной деформации набухания без нагрузки — esw ( ГОСТ 25100-95 )или величине относительного набухания(Ананьев, Потапов, 2000):

esw = ( hнс — h ) / h,

где h – начальная высота образца грунта, hнс – высота образца после набухания.

По этой величине выделяют следующие разновидности глинистых грунтов:

разновидность esw, д.е.
ненабухающий < 0,04
слабонабухающий 0,04 – 0,08
средненабухающий 0,08 – 0,012
сильнонабухающий > 0,012

Усадкой грунтов называется их способность уменьшать свой объем при испарении из них влаги. Свойство усадочности наиболее характерно для дисперсных грунтов с коагуляционными структурными связями — глин (набухающих), илов, торфов и др. Причинами уменьшения объема грунтов при их обезвоживании является уменьшение толщины водных пленок вокруг частиц, постепенное сближение частиц и преобразование при этом коагуляционных контактов в точечные (переходные).

 

Показатель консистенции и показатель текучести грунта. Граница текучести wl

ГлавнаяСтенПоказатель консистенции и показатель текучести грунта

3.4. Вычисление показателя текучести и определение состояния грунта

Показатель текучести IL – отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному W и на границе раскатывания Wp, к числу пластич­ности Ip.

Показатель текучести IL рассчитывается по формуле

. (39)

В этой формуле значения WL и Wp устанавливаются в пп. 3.1 и 3.2 Естественная влажность грунта W определяется в процентах по массе согласно п. 2.4.

По показателю текучести IL глинистые грунты подразделяют согласно табл. 24.

Таблица 24

Классификация глинистых грунтов по показателю текучести il

Разновидность

глинистых грунтов

Показатель

текучести IL

Супесь:

— твердая

< 0

— пластичная

0–1

— текучая

> 1

Суглинки и глины:

— твердые

<0

— полутвердые

0–0,25

— тугопластичные

0,25–0,50

— мягкопластичные

0,50–0,75

— текучепластичиые

0,75–1,00

— текучие

> 1,00

41

Вопросы для самоконтроля к лабораторной работе

К разделу 1

1. Что называется гранулометрическим составом грунта?

2. Каким методом определяют гранулометрический состав песчаных грунтов?

3. Как определяют коэффициент неоднородности грунта?

4. Как классифицируются грунты по коэффициенту неоднородности?

5. Способы отображения результатов гранулометрического анализа?

6. Каким методом определяют гранулометрический состав в полевых условиях?

7. На чём основан принцип определения глинистых частиц в полевом методе?

8. На чём основан принцип определения песчаных частиц в полевом методе?

9. Каков диаметр (мм) песчаных, пылеватых и глинистых частиц в грунте?

10. Для анализа каких грунтов применяется ареометрический метод?

К разделу 2

1. В чем отличие основных физических характеристик от производных?

2. Где используют физические характеристики грунтов?

3. Как определяется плотность глинистого грунта?

4. Каким методом можно определить плотность частиц грунта?

5. Что такое влажность грунта и как она определяется?

6. Что такое коэффициент пористости грунта, как он определяется и где используется?

7. Что такое коэффициент водонасыщения грунта и для чего он определяется?

8. Что такое плотность сухого грунта?

9. Что такое удельный вес грунта?

10. Что такое удельный вес частиц грунта?

42

К разделу 3

1. Как определяется наименование и состояние грунта?

2. От чего зависит состояние глинистых грунтов?

3. По каким показателям определяется состояние глинистых грунтов?

4. Как определяется влажность на границе текучести?

5. Что такое граница раскатывания и как она определяется?

6. Что такое число пластичности и для чего оно определяется?

7. Для чего определяется показатель текучести?

Библиографический список

  1. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.

  2. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного составов.

  3. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

  4. СНиП 2.02.01 – 83. Нормы проектирования. Основания зданий и сооружений. – М.: Стройиздат, 1984.

  5. Лабораторные работы по грунтоведению В.А Королев, Е.Н, Самарин, С.К. Николаев и др.; под ред. В.Т. Трофимова и В.А. Королева. – М.: Высшая школа, 2008.– 519 с.

43

Приложение

studfiles.net

Граница текучести wl — это влажность, при которой глинистый грунт переходит из пластичного состояния в текучее. Определяют границу текучести балансирным конусом а.М. Васильева по гост 5180-84.

Рис.1. Схема изменения состояний глинистого грунта

в зависимости от его влажности

Граница раскатывания Wp – это влажность, при которой глинистый грунт переходит из пластичного состояния в твердое (см. рис. 1). Определяют Wp раскатыванием грунта в жгут толщиной 3 мм.

Консистенция (лат. сonsistentis – состояние) – состояние глинистого грунта, зависящее от его влажности. Консистенцию глинистого грунта оценивают показателем текучести JL согласно табл. 3.

Показатель текучести – это отношение разности естественной влажности грунта, консистенцию которого оценивают, и влажности на границе раскатывания к числу пластичности:

JL= (W — Wp)/Jp . (2)

Коэффициент пористости e — отношение объёма пор в грунте к объёму твёрдой части сухого грунта. Коэффициент пористости вычисляется по формуле

e = (1+W)-1. (3)

Таблица 2

Подразделение глинистых грунтов по числу пластичности и содержанию песчаных частиц

Разновидность

грун­тов

Число пластичности

Содержание песчаных частиц

(2 –0,05мм), % по массе

Пригодность грунтов для дорожного строительства

при возведении земляного

полотна

при укреплении вяжущими

Супесь:

— песчанистая

— пылеватая

1-7

1-7

>50

<50

Весьма пригодна

Мало пригодна

Весьма пригодна

Пригодна

Суглинок:

— лёгкий пылеватый

— тяжёлый песчанистый

— тяжёлый пылеватый

7-12

7-12

12-17

12-17

>40

<40

>40

<40

Пригоден

Мало пригоден

Пригоден

Мало пригоден

Пригоден

Пригоден

Пригоден с ограничениями

Пригоден с ограничениями

Глина:

— лёгкая песчанистая

— лёгкая пылеватая

— тяжёлая

17-27

17-27

>27

>40

<40

Не регламентируется

Пригодна

Мало пригодна

Не пригодна

Мало пригодна

Мало пригодна

Не пригодна

Таблица 3

Оценки консистенции глинистых грунтов

(Извлечение из ГОСТ 25100 [1])

Разновидность глинистых грунтов

Показатель текучести JL

Супесь:

-твёрдая

-пластичная

-текучая

< 0

0-1

> 1

Суглинки и глины:

— твёрдые

— полутвёрдые

— тугопластичные

— мягкопластичные

— текучепластичные

— текучие

< 0

0-0,25

0,25-0,50

0,50-0,75

0,75-1,00

> 1,00

studfiles.net

Показатель текучести

В грунтовой лаборатории компании ООО «ГеоЭкоСтройАнализ» работают исключительно специалисты высокой квалификации, оснащенные самым современным оборудованием, что позволяет нам давать точные и оперативные оценки состояния грунтов. Среди физических свойств грунтов одним из самых важных считается показатель текучести.

Определенным типам грунтов соответствуют конкретные физические состояния. Например, такая характеристика, как показатель текучести, присущ исключительно пылевато-глинистым грунтам, среди которых выделяют следующие: глины, супеси, суглинки.

В зависимости от количества воды в объеме грунта его определения называют текучим, пластичным или твердым. Для определения пластичности грунта пользуются косвенным методом, который основан на том, что определяют диапазон влажности, на границе раскатывания и текучести. Именно в этом диапазоне происходит проявление пластичных свойств грунта.

Существует соответствие границы текучести и влажности. Если граница будет незначительно превышена, грунт оказывается в текучем состоянии. Для определения границы текучести глинистых грунтов применяют следующую методику. Под собственным весом вдавливается балансирный конус (вес 76 грамм, высота 22 мм, угол заострения 30 градусов). Границу текучести определяют по весовой влажности теста, которое изготовлено из воды и грунта. За пять секунд должно произойти погружение балансирного конуса на глубину в 10 миллиметров.

Числом пластичности называют разницу между влажностью на границе текучести и границе раскатывания.

При выполнении инженерно-геологических изысканий на территории, где предполагается проведение строительных работ, с преобладанием глинистых грунтов, невозможно получить качественную оценку свойств грунта без расчета показателя текучести, так как он напрямую связан с другими важными характеристиками грунта.

Какую характеристику называют показателем текучести разновидности глинистого грунта? Для определения данной характеристики образец грунта исследуют в лабораторных условиях, чтобы получить детальную информацию по изучаемому образцу. Данную характеристику вычисляют по отношению разности двух влажностей, соответствующих двум различным состояниям, к индексу пластичности. Одно состояние является природным, а второе состояние отмечается на границе раскатывания.

Получив величину показателя текучести, можно вычислить такие важные характеристики глинистого грунта, как густота и вязкость. Следует заметить, что параметры данной консистенции напрямую связаны с природной влажностью грунта, которая в итоге может иметь как отрицательную, так и положительную величину. Если данный показатель характеризуется отрицательным значением, то мы имеем дело с твердым исследуемым грунтом, если же показатель положительный, то грунт обладает текучей консистенцией.

На основании подобных геологических изысканий можно точно определиться с наименованием исследуемого грунта и его состоянием. Перед принятием проектных решений (выбором строительных материалов, выбором и расчетом фундамента основания, защитных мероприятий) от изучения данной информации очень многое зависит.

Консистенция (показатель текучести) влияет на то, к какому подвиду относится глинистый грунт.

К супесям относится грунты с твердой консистенцией (показателем текучести ниже ), пластичностью от 0 до 1, текучестью более 1.

К глинам и суглинкам относятся глинистые грунты с твердой консистенцией менее 0, полутвердой от 0 до 0,5; тугопластичной от 0,25 до 0,5; мягкопластичной от 0,5 до 0,75; текучепластичной от 0,75 до 1; текучей более 1.

Предел пластичности (граница текучести) определяется на основании лабораторных исследований. Величина данного предела соответствует процентному содержанию воды в грунте, в момент его перехода из между двумя консистенциями. Изменение показателя текучести зависит от содержания воды в конкретном виде грунта.

Показатель несущей способности грунта, который находится в довольно текучем (размягченном) состоянии существенно снижен, поэтому проектировщикам не обойтись без особых мер безопасности.

zhukovsky.gesanaliz.ru

Показатель текучести грунта — ГЕОЛОГ

Проведение лабораторных испытаний позволяет определить не только физические, но и химические свойства образцов грунта. Физическое состояние у них разное. Из-за этого выполнение вычисления некоторых видов показателей возможно не у всех грунтов. Показатель текучести грунта можно вычислить при работе с пылевато-глинистыми почвами, то есть глинами, суглинками и супесями.

Если на территории изысканий преобладает один из этих типов грунта, нужно правильно рассчитать его текучесть, потому что это сильно влияет на его характеристики.

Показатель текучести

Показатель текучести грунта – различие влажностей между природным состоянием материала, а также на границе его раскатывания, и индекса пластичности. Определение этого показателя возможно только в лабораториях. Он дает более детальные сведения по грунту. Измерение этого показателя позволяет правильно охарактеризовать грунтовые вязкость и густоту.

На этот показатель оказывает сильное влияние природная влажность грунта. В итоге он может быть как отрицательным (твердый грунт), так и положительным (текучая консистенция).

Такие геологические изыскания для коттеджа или иного объекта точно определяют, в каком состоянии находится грунт. Это очень важно при создании проектов, при выборе подходящего материала, проведения изыскания для фундамента и так далее. Цена вовремя проведенных анализов – надежность сооружения.

Степени текучести

По показателю текучести грунта все глинистые грунты делятся на подвиды супесей, глины и суглинков.

Супеси могут обладать тремя степенями текучести: твердой, пластичной и текучей консистенциями. А вот у глин и суглинков таких степеней шесть: твердая, полутвердая, тугопластичная, мягкопластичная, текучепластичная и текучая.

Результаты лабораторных исследований позволяют найти и предел пластичности грунта. Он помогает выяснить, какое количество воды в грунте содержится при изменении консистенции. То есть, влияние воды на показатель текучести грунта.

Геология для проекта строительства содержит множество изысканий. Важно, чтобы смета включала все пункты исследований: полевых, и лабораторных.

Грунты с текучим состоянием обладают очень слабой несущей способностью. Такой грунт в дальнейшем приведет к смещению конструкции здания или же к сильной усадке фундамента. Следует заказать проведение этого исследования до начала проектных работ. Если нет возможности строиться в другом месте, заказчик должен предпринять все возможные меры безопасности. Стоимость профилактических мер окупится крепостью и надежностью фундамента здания.

В грунтовой лаборатории ООО «Геолог» вы можете заказать любые виды исследований грунта. Наши специалисты, прежде чем поместить образец в лабораторию, специально выезжают на исследуемую строительную площадку и берут образцы грунт и воды из подготовленных скважин. Если площадь строительной площадки велика, то берется несколько образцов по всей площади изучаемой местности.

Услуги геодезиста стоят недорого, и заказать их в нашей компании очень просто. Воспользуйтесь контактными данными на сайте и свяжитесь с нашими операторами. Консультация по самым сложным вопросам в области инженерных изысканий бесплатна.

Чтобы получить точный расчет предстоящих исследований рекомендуем прислать на наш электронный адрес техническое задание. В ближайшее время наши специалисты подготовят точную смету предстоящих расходов. Мы успешно работаем по многим регионам России, а также в Москве и Московской области

geoolog.ru

М.3. Физические свойства и классификационные показатели нескальных грунтов

М.3.1. Какие физические характеристики грунта являются основными?

Основными физическими характеристиками грунта являются:

 удельный вес грунта  ;

 удельный вес частиц грунта  s;

 природная влажность w.

Остальные физические характеристики могут быть вычислены с их использованием.

М.3.2. Что называется удельным весом грунта  (ранее назывался объемным весом грунта)? Что называется удельным весом сухого грунта (ранее назывался объемным весом скелета грунта)?

Удельным (ранее объемным) весом грунта  называется отношение полного веса образца грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор. Размерность [кН/м3]. Удельным весом сухого грунта  d называется отношение веса высушенного грунта к полному объему, который он занимает, включая объем пор.

М.3.3. Что называется удельным весом частиц грунта  s (ранее назывался удельным весом грунта)?

Удельным весом частиц грунта  s (ранее назывался удельным весом грунта) называется отношение веса частиц грунта к объему, который они занимают. Размерность [кН/м3].

М.3.4. Каким способом можно измерить объем глинистого грунта с целью определения его удельного веса?

Двумя способами:

1) по объему вытесненной воды при погружении в нее грунта, который предварительно парафинируется для предотвращения размокания и попадания воды внутрь образца;

2) с помощью режущего кольца, объем внутренней полости которого определяется замером и которое полностью заполняется грунтом.

М.3.5. Что больше  удельный вес грунта  или удельный вес частиц грунта  s и почему?

Вес высушенного образца грунта меньше, чем вес грунта, содержащего влагу, но полный объем грунта, содержащего поры, намного больше, чем объем, занимаемый частицами (то есть без учета пор), поэтому удельный вес частиц грунта больше, чем удельный вес грунта, то есть  s> .

М.3.6. Что называется пористостью грунта n? Что называется коэффициентом пористости грунта e? В каких пределах могут изменяться пористость и коэффициент пористости грунта?

Пористостью n грунта называется отношение объема пор к полному объему образца грунта. Коэффициентом пористости e или относительной пористостью называется отношение объема пор в образце к объему, занимаемому его твердыми частицами  скелетом, то есть

Теоретически пористость n изменяется в пределах от нуля (поры отсутствуют) до единицы (скелет отсутствует). Соответственно коэффициент пористости e изменяется от нуля (поры отсутствуют) до бесконечности (скелет отсутствует). Пористость не может быть больше единицы, в то время как коэффициент пористости может быть больше единицы (например у лессов, торфа). Коэффициент пористости равен единице, если объем пор равен объему, занятому твердыми частицами.

М.3.7. От чего зависит удельный вес грунта  ?

Удельный вес грунта  зависит от удельного веса частиц грунта  s, его пористости n и влажности w.

М.3.8. От чего зависит удельный вес частиц грунта  s?

Удельный вес частиц грунта  s зависит от минералогического состава скелета грунта и степени их дисперсности. У глин он больше, чем у песка при одних и тех же образующих грунт минералах. В глинистом грунте поверхность частиц намного больше, чем в песчаном, поэтому и большая возможность окисления и проявления поверхностных явлений. Удельный вес частиц грунта  s от его пористости n не зависит.

М.3.9. Что называется влажностью грунта и какой она бывает? Может ли влажность грунта быть больше единицы (100 %)?

Влажность грунта бывает весовой и объемной. Весовой влажностью называется отношение веса воды в образце грунта к весу твердых частиц грунта (скелета). Объемной влажностью называется отношение объема воды в образце грунта к объему, занимаемому твердыми частицами (скелетом грунта). Для одного и того же грунта весовая влажность меньше, чем его объемная влажность. Влажность грунта может быть больше единицы или 100 % (например у ила, торфа). Поэтому

М.3.10. Каким образом связаны между собой коэффициент пористости e, удельный вес грунта  , удельный вес частиц грунта  s и его весовая влажность w?

Эти величины связаны формулой

М.3.11. Что называется коэффициентом (индексом) водонасыщенности грунта Sr и в каких пределах он изменяется?

Коэффициентом (индексом) водонасыщенности, или степенью влажности грунта, называется отношение природной влажности грунта w к влажности, соответствующей полному заполнению пор водой, wsat. Коэффициент водонасыщенности Sr изменяется от нуля (для абсолютно сухого грунта) до единицы (для полностью водонасыщенного грунта). Он вычисляется по формуле

где  w удельный вес воды.

Грунты называются маловлажными при Sr<0,5, влажными при 0,5<Sr<0,8 и насыщенными водой при Sr.>0,8 (рис. 3.11).

Рис.3.11. Классификация грунтов по водонасыщенности

 

 

М.3.12. Чему равен удельный вес взвешенного в воде грунта?

Удельный вес взвешенного в воде грунта  sb равен удельному весу грунта в атмосфере  за вычетом удельного веса воды  w то есть

 sb=   w.

Эта формула пригодна для грунта с любой водонасыщенностью, то есть при полном и неполном заполнении пор водой (в этом случае считается, что воздух, имеющийся в грунте, не замещается водой). Удельный вес грунта, но с полностью заполненными водой порами (w=wsat), то есть когда

может быть определен по формуле

М.3.13. Для каких целей нужны классификация грунтов и классификационные показатели?

Классификация грунтов необходима для объективного присвоения грунту одного и того же наименования и установления его состояния вне зависимости от того, кем и в каких целях они производятся. Наименование и состояние грунта устанавливаются по классификационным показателям.

М.3.14. Как подразделяются крупнообломочные грунты?

Крупнообломочные грунты подразделяются в зависимости от преобладающей крупности частиц из анализа их гранулометрического состава по степени ее убывания. Они подразделяются на валунные, галечниковые и гравийные грунты. При наличии значительного количества песчаного или глинистого заполнителя пор крупнообломочного грунта (до 3040 %) должны приводиться также сведения об этом заполнителе.

По наличию в них влаги, характеризуемой величиной Sr, крупнообломочные грунты могут быть маловлажными, влажными и насыщенными водой.

М.3.15. Как подразделяются песчаные грунты?

Песчаные грунты подразделяются в зависимости от преобладающей крупности частиц по весу на:

  гравелистые;

  крупные;

  средней крупности;

  мелкие;

  пылеватые.

По состоянию песок может быть плотным, средней плотности и рыхлым. По водонасыщению он может быть маловлажным, влажным и насыщенным водой.

Состояние песка определяется по его коэффициенту пористости e. Пески гравелистые, крупные и средней крупности при e<0,55 именуются плотными, при 0,55<e<0,7 средней плотности и при e>0,7  рыхлыми. Мелкие пески при e<0,6 плотные, при 0,6<e<0,75  средней плотности и при e>0,75 рыхлые. Пылеватые пески при e<0,6 также плотные, при 0,6<e<0,8 средней плотности и при e>0,8 они считаются рыхлыми.

М.3.16. Что называется индексом плотности и в каких пределах он изменяется? Применяется ли это понятие к глинистым грунтам? Если индекс плотности равен единице плотный или рыхлый это грунт?

Индексом плотности сыпучих грунтов ID называется отношение

которое изменяется в пределах от нуля до единицы, где emax  коэффициент пористости предельно рыхлого грунта, emin  коэффициент пористости предельно плотного грунта, e  коэффициент пористости природного песка. К глинистым грунтам индекс плотности не применяется.

Если степень плотности ID изменяется в пределах от нуля до 1/3, то грунт рыхлый, если он изменяется в пределах от 1/3 до 2/3, то песок имеет среднюю плотность, а если более 2/3, то он плотный. Предельно плотный грунт имеет ID=1 (рис.М.3.16).

Рис. М.3.16. Классификация сыпучих грунтов по плотности

 

 

М.3.17. Что называется числом (индексом) пластичности Ip глинистого грунта и что оно показывает?

Числом (индексом) пластичности глинистого грунта называется разность между влажностями на границе текучести wL и на границе раскатывания или пластичности wp. Число (индекс) пластичности коррелятивно связано с процентным содержанием в грунте глинистых частиц и может служить классификационным показателем для отнесения глинистого грунта к супеси, суглинку или глине.

При 1<Ip 7 глинистый грунт называется супесью, при 7<Ip 17 называется суглинком и при Ip>17  глиной. В данном случае wp и wL выражены в процентах (рис.М.3.17).

Рис.М.3.17. Классификация глинистых грунтов:

а — по числу пластичности; б — по состоянию (консистенции)

М.3.18. Зависит ли или нет число (индекс) пластичности Ip от естественной влажности глинистого грунта w или нет и почему?

От естественной влажности число пластичности Ip не зависит, поскольку влажность на границе текучести wL и раскатывания wp определяется на искусственно приготовленном из сухого размельченного высушенного порошка грунтовом тесте.

М.3.19. Что такое показатель консистенции IL (индекс текучести) глинистого грунта и зависит ли он от естественной влажности w? В каких пределах он изменяется?

Показатель консистенции IL (индекс текучести) глинистого грунта характеризует состояние глинистого грунта (густоту, вязкость), линейно зависит от естественной влажности, может быть как отрицательным (твердые грунты), так и положительным, в том числе и более единицы (грунты текучей консистенции). При изменении IL в пределах от нуля до единицы грунты имеют пластичную консистенцию.

Показатель консистенции IL определяется в долях единицы по формуле

Для суглинков и глин диапазон изменения IL от нуля до единицы (пластичное состояние) подразделяется на четыре равных поддиапазона: грунты полутвердые, тугопластичные, мягкопластичные и текучепластичные (рис.М.3.19).

М.3.20. Где и как обычно определяются показатели физических свойств грунтов?

Показатели физических свойств определяются на образцах грунтов, отобранных из грунтового массива, в стационарных лабораториях или полевых лабораториях, находящихся близ стройплощадок, по стандартизированным методикам.

Показатели некоторых физических свойств грунтов могут определяться непосредственно в полевых условиях без отбора образцов с применением косвенных способов исследования, например зондирования.

М.3.21. Что называется зондированием грунта и для чего оно служит? Что измеряется при статическом зондировании? Что измеряется при динамическом зондировании?

Зондированием грунта называется погружение в грунт конуса стандартного размера. Зондирование служит для оценки плотности песчаных грунтов и консистенции глинистых грунтов, выявления слабых прослоек грунта. При статическом зондировании измеряется усилие погружения (задавливания домкратом) конуса, при динамическом зондировании  количество ударов, необходимое для погружения конуса также на заданное расстояние по глубине.

В результате статического зондирования строятся графики зависимости удельного сопротивления погружению конуса с углом при вершине 60 в зависимости от глубины залегания грунтов, в которые он вдавливается. При этом боковое сопротивление погружению штанги, на которую насажен конус, исключается.

В результате динамического зондирования строятся графики зависимости количества ударов для погружения стандартного конуса (на 10 см) или пробоотборника в зависимости от залегания тех или иных пластов грунта (рис.М.3.21).

Рис.М.3.21. Интерпретация результатов зондирования по глубине, м:

а — статического; б — динамического

После проведения зондирования выявляются слабые слои грунтов основания и дается не только качественная, но и количественная оценка сопротивления грунтов внедрению конуса.

М.3.22. Где и каким образом определяются характеристики (показатели) свойств грунтов?

Показатели физических свойств грунтов определяются либо на отобранных в натуре в массиве образцах грунтов, либо непосредственно путем испытания грунтов, находящихся в грунтовом массиве, то есть в полевых условиях. При испытаниях следует выполнять требования соответствующих ГОСТов, если они имеются, или ведомственных нормативных документов. Для испытаний используются стационарные либо полевые лаборатории. Предпочтительными являются прямые методы испытаний, но в ряде случаев используются результаты косвенных методов исследования.

М.3.23. Какие показатели свойств грунтов следует полагать для последующих расчетов приемлемыми?

Наиболее приемлемыми для последующего использования в расчетах следует полагать показатели (характеристики) определений, произведенных для данных конкретных разновидностей грунтов. Однако за неимением результатов таких определений можно воспользоваться результатами испытаний аналогичных грунтов, но достаточно близких к тем, которые залегают в основании сооружения. Можно иногда воспользоваться результатами, полученными в данной местности и в другое время ранее или, наконец, результатами других статистических обобщений. Все это зависит от важности, назначения и категории объекта.

М.3.24. Какое количество испытаний следует считать минимально достаточным для последующего осреднения результатов?

Минимально в математической статистике принято считать достаточным 6 определений. Однако, чем большее количество результатов определений введено в формулу для статистического нахождения среднего значения, тем «точнее» оказывается результат. В обработку вводятся результаты одной статистической совокупности, характеризующей данный массив. Если прослеживается закономерность в изменении частных интересующих нас значений показателя от точки к точки в одном направлении, то тогда их нельзя обычным путем вводить в одну статистическую совокупность.

М.3.25. Каким образом устанавливаются показатели (характеристики) физических свойств грунтов, нужные для расчетов?

Нормативными считаются средние значения показателей или характеристик, определяемые как среднеарифметические. Если характеристику обозначить через X, а Xi  ее значение, полученное в одном из опытов, число которых n, то среднее значение будет . Чтобы использовать в расчете характеристику, следует найти ее расчетное значение, где n  безразмерный коэффициент надежности. Часто принимается, что  n =1.

М.3.26. Какие виды ошибок бывают при определении показателей физических свойств грунтов?

Ошибки могут быть прямыми, связанными с применением неправильной методики определения или плохой аппаратурой  это ошибки систематические. Для грунтов характерно свойство флуктуации, то есть случайных отклонений величин характеристик, которые характеризуют систему из большого числа элементов, от их среднего значения. Ошибки, точнее отскоки, могут быть большими. Такие ошибки называются грубыми, и эти величины исключаются из дальнейшего рассмотрения.

Ошибки  i величин, включаемых в рассматриваемую совокупность, из которой исключены большие случайные отскоки, устанавливаются как разности . Относительные ошибки вычисляются по формулеСредние значения ошибок вычисляются либо как

,

либо как среднеквадратичные отклонения, равные

.

studfiles.net

Число пластичности

Число пластичности (IV) определяют как разность между верхним (№ ) и нижним (Щ ) пределами пластичности.[ …]

Числом пластичности называется разность между влажностью глины (содержанием воды) при верхнем пределе текучести (когда влажная глина растекается по плоскости) и нижнем пределе текучести (когда глина при давлении рассыпается).[ …]

По числу пластичности судят о гранулометрическом составе иочвогрунта (0 — песок, 0—7—супесь, 7—17 — суглинок, более 17 — глина).[ …]

Величину пластичности измеряют числом ил а-стичности, которое представляет собой разность между влажностью почвы при верхнем и нижнем пределах пластичности. По числу пластичности Аттерберг классифицирует все почвы на четыре категории (табл. 2).[ …]

Наивысшее число пластичности (больше 17) имеют глинистые почвы; суглинистые — 7—17; супеси — меньше 7; пески не обладают пластичностью — число пластичности близко к 0.[ …]

Верхним пределом пластичности почвы является влажность нижней границы текучести, нижним — влажность границы раскатывания почвы в шпур. Величину пластичности измеряют числом пластичности, представляющим разницу в содержании воды в процентах при нижней границе текучести и границе скатывания в шнур. В этом интервале почва деформируется с сохранением приданной ей формы, максимально набухает, обладает слабым сопротивлением при внешнем механическом воздействии, при перекатывании по ней машин образуются колеи по ходу колес.[ …]

Твердое состояние глинистых грунтов — это, по сути, обычная влажность, а пластичное — это когда обычная . влажность становится необычной, то есть глина набирает столько воды, что дальше уже некуда, хоть лопни. Это хотя и приблизительное, но для наших садово-строительных дел вполне достаточное определение. Потому как, если по-научному начинать разбираться, то мы с вами можем начисто запутаться в определениях для глины: природная влажность, число пластичности, граница текучести, граница раскатывания (есть и такая граница), весовая влажность и т. д. Пусть ими занимаются ученые, они, как говорится, за это деньги получают. Но это к слову.[ …]

Величина естественной влажности красно-бурых суглинков изменяется от 18,3 до 26,0%, число пластичности — от 10,5 до 38,2, а коэффициент пористости — от 0,56 до 0,87.[ …]

Каждая почва характеризуется своим интервалом влажности, при котором проявляется пластичность, и определенным числом пластичности.[ …]

Допустим, установлено, что влажность нижней границы текучести равна 36%, границы скатывания—18%. Тогда число пластичности № = 36—18 = 18%.[ …]

Водно-физические свойства суглинков. Желто-бурые, темно-бурые и светло-желтые суглинки имеют естественную влажность 14—20% , число пластичности 12—19. Объемная масса их в естественном состоянии равна 1,52—1,84 г/см3, пористость 40—51%, плотность 2,65—2,70 г/см3. В своем механическом составе они содержат песчаных фракций 2,2—8,8%, пылеватых 68,3—72,4%, глинистых 15— 28% и относятся к легким и средним пылеватым суглинкам. Суглинки красно-бурые, очень плотные, объемная масса их равна 1,82— 1,92 г/см3, плотность 2,68—2,74 г/см3, пористость 39—43%.[ …]

Водно-физические свойства суглинков и лёсса. Объемная масса лёссовидных суглинков и лёсса при естественном их сложении изменяется от 1,68 до 1,97 г/см3, плотность — от 2,70 до 2,72 г/см3» пористость — от 36 до 48%, коэффициент пористости — от 0,56 до 0,92, число пластичности — от 6 до 15. Консистенция их в основном полутвердая и твердая, а величина относительной просадочности составляет 0,004—0,030.[ …]

В лёссовидной супеси содержание глинистых фракций достигает 14%, песчаных — 20% и пылеватых — 88%. Объемная масса их равна 1,75—2,14 г/см3, плотность — 2,15—2,75 г/см8, естественная влажность — 3,66—24,65 %, пористость — 28,6—42,6%, коэффициент пористости — 0,40—0,72, число пластичности — 2—6,5.[ …]

Водно-физические свойства суглинков и лёссов. Суглинки и лёссы обладают преимущественно твердой и полутвердой консистенцией. Объемная масса их колеблется в пределах 1,60—1,94 г/см3, плотность — 2,70—2,72 г/см3, естественная влажность — 15—25%, пористость — 40—54%. Число пластичности 8—17.[ …]

Водно-физические свойства суглинков. Слагающие промпло-щадку № 2 лёссовидные суглинки характеризуются следующими водно-физическими свойствами: естественная влажность 17—34%, плотность 2,62—2,70 г/см3, объемная масса в естественном сложении 1,80—2,04 г/см3, пористость 40—52%, число пластичности 7—17. Содержание песка в суглинках составляет 0,25—1,2%, пыли 52—80% и глины 22—31%. Наибольшую пористость имеют макропористые светло-желтые суглинки. Они же обладают просадочными свойствами.[ …]

Водно-физические свойства суглинков. Слагающие промплощадку № 7 суглинки имеют пылевато-глинистый состав. Для них характерно отсутствие крупных песчаных фракций и высокое содержание (до 80%) пылеватых фракций. По гранулометрическому составу они относятся к легким, средним и тяжелым разностям. Естественная влажность их варьирует в широких пределах — от 11 до 32%, число пластичности — от 12 до 17, пористость — от 41 до 52%, объемная масса — от 1,60 до 2,05 г/см3.[ …]

Пластичность и текучесть грунта | СтройFAQ

В зависимости от степени увлажнения глинистые (связные) грунты могут находиться в твердом, пластичном или текучем состоянии. Переход грунта из одного состояния в другое с изменением влажности обычно происходит скачкообразно и характеризует изменение степени устойчивости грунта под нагрузкой. Поэтому влажность, соответствующая резким переходам грунта и: одного состояния в другое, называется характерной влажностью которая является одной из наиболее важных характеристик грунта.

Пластичность грунта

Пластичностью грунтаназывается его способность деформироваться по действием внешнего давления без разрыва сплошности массы и сохранять приданную форму после прекращения деформирующего усилия.

Для установления способности грунта принимать пластичное состояние определяют влажность, характеризующую границы пластичного состояния грунта текучести и раскатывания.

Граница текучести WL характеризует влажность, при которой грунт из пластичного состояния переходит в полужидкое — текучее. При этой влажности связь между частицами нарушается благодаря наличию свободной воды, вследствие чего частицы грунта легко смещаются и разъединяются. В результате этого сцепление между частицами становится незначительным и грунт теряет свою устойчивость.

Граница раскатывания WP соответствует влажности, при которой грунт находится на границе перехода из твердого состояния в пластичное. При дальнейшем увеличении влажности (W > WP) грунт становится пластичным и начинает терять свою устойчивость под нагрузкой. Границу текучести и границу раскатывания называют также верхним и нижним пределами пластичности.

Определив влажность на границе текучести и границе раскатывания, вычисляют число пластичности грунта IР. 

Число пластичности Ip — разность влажностей, соответствующая двум состояниям грунта: на границе текучести WL и на границе раскатывания Wp. Чем больше число пластичности, тем более пластичен грунт. Минеральный и зерновой составы грунта, форма частиц и содержание глинистых минералов существенно влияют на границы пластичности и число пластичности.

Число пластичности определяется как разность между границей текучести и границей раскатывания грунта: IР = WL — WP

  • где WL и Wp определяют по ГОСТ 5180-84.   
Деление грунтов по числу пластичности и процентному содержанию песчаных частиц приведено в таблице.

Грунт

Число пластичности Ip

Содержание песчаных частиц (2-0,5мм)
 % по массе

Супесь

песчанистая1 — 7≥ 50
пылеватая1 — 7< 50

Суглинок

лёгкий песчанистый7 -12≥ 40
лёгкий пылеватый7 -12< 40
тяжёлый песчанистый12- 17≥ 40
тяжёлый пылеватый12- 17< 40

Глина

лёгкая песчанистая17 — 27≥ 40
лёгкая пылеватая17 — 27< 40
тяжёлая> 27не регламентируется

Текучесть грунтов


Показать текучести IL выражается в долях единицы и используется для оценки состояния (консистенции) пылевато-глинистых грунтов. Расчитывается по формуле: IL = (W — Wp)  / Iр
  • где W — природная (естественная) влажность грунта;
  • Wp — влажность на границе пластичности, в долях единицы;
  • Ip — число пластичности.
В зависимости от показателя текучести глинистые грунты подразделяются на супеси, суглинки и глины. Показатель текучести для грунтов разной плотности приведены в таблице:
Консистенция глинистого
грунта
Косвенные признаки состоянияПоказатель текучести JL
Супесь
ТвердоеПри ударе рассыпается на куски.
При растирании пылит, ломается на куски
JL < 0
ПластичноеЛегко разминается, сохраняет форму,
ощущается влажность, иногда липкость
0 ≤ JL ≤ 1,00
ТекучееЛегко деформируется и растекается
при нажатии
JL > 1,00
Суглинок и глина
ТвердоеПри ударе распадается на куски,
при сжатии в ладони рассыпается,
при растирании пылит, тупой конец
карандаша вдавливается с трудом
JL < 0
ПолутвердоеЛомается без заметного изгиба, поверхность
излома — шероховатая, при разминании
крошится, тупой конец карандаша оставляет
неглубокий след и вдавливается при
сильном нажатии
0 ≤ JL ≤ 0,25
ТугопластичноеБрусок грунта заметно изгибается, не
ломаясь. Кусок грунта разминается с
трудом. Тупой конец карандаша
вдавливается без особого усилия
0,25 < JL ≤ 0,50
МягкопластичноеНа ощупь влажный, легко разминается,
сохраняет приданную форму, но иногда
на непродолжительное время, палец
вдавливается несколько сантиметров
0,50 < JL ≤ 0,75
ТекучепластичноеНа ощупь очень влажный, разминается
при легком нажиме, при формировании
не сохраняет форму, не раскатывается в
жгут т.к. слишком текучий, сильно
прилипает
0,75 < JL ≤ 1,00
ТекучееСтекает по наклонной плоскости толстым
слоем (языком), по поведению похож на
очень вязкую жидкость
JL > 1,00

(PDF) Идеальное течение в пластичности

关 36 兴 Александров, С., Ли, В., и Чанг, К., 2004, «Кинематика нестационарного процесса

акси-симметричного идеального пластического течения», Fibers Polym. 5. С. 209–212.

关 37 Александров, С., Ли, В., и Чанг, К., 2004, «Влияние основных законов на расчет идеального потока с плоской деформацией

: аналитический пример», Acta Mech., 173,

С. 49–63.

关 38 兴 Чанг, К., Ли, В., Ричмонд, О., и Александров, С., 2004, «Нестационарный

Идеальное пластическое течение с плоской деформацией», Int.J. Plast., 21, с. 1322–1345.

关 39 兴 Друянов Б.А., Пирумов А.Р. Оптимальные матрицы для динамической экструзии упрочняющего материала

, 1979 г. // Известия вузов. Машиностроение, 6, с.

117–122 共 на русском 兲.

关 40 兴 Хилл Р., 1985, «О кинематике устойчивых плоских течений в упругопластических средах

», Металлоформование и механика удара, изд. С. Р. Рида, Пергамон,

Оксфорд, стр. 3–17. .

关 41 兴 Койстинен Д. П. и Ван Н. М., 1978, Механика формовки листового металла:

Анализ поведения и деформации материалов, Пленум, Нью-Йорк.

42 兴 Кобаяси, С., О, С.-И., и Алтан, Т., 1989, Обработка металлов и метод конечных

элементов, Oxford University Press, Нью-Йорк.

关 43 兴 Гердин, Дж. К., 1974, «Анализ осесимметричной формовки листового металла», Pro-

ceedings NAMRC-II, стр. 350–354.

关 44 兴 Гердин, Дж. К., и Чен, П., 1989, «Компьютерный метод геометрического картирования

Моделирование формования листового металла», Труды Третьей Международной конференции

по численным методам в промышленных процессах формования (NUMI-

ФОРМА, 89), E.Г. Томпсон, изд., Балкема, Роттердам, стр. 437–444.

关 45 兴 Sowerby, R., Chu, E., and Duncan, J. L., 1982, «Определение больших

деформаций при металлообработке», J. Strain Anal. Англ. Дес., 17, с. 95–101.

关 46 兴 Леви, С., Шин, К.Ф., Уилкинсон, JPD, Стайн, П., и Маквилсон, Р.К., 1978,

«Анализ формовки листового металла до осесимметричных форм», Формуемость

Темы — Металлические материалы , ASTM, Филадельфия, ASTM STP 647, стр. 238–

260.

关 47 兴 Хенки, Х., 1924, «Zur Theorie Plastischer Deformationen und der Hierdurch

Hervorgerufenen Nachspannunger», Z. Angew. Математика. Механика. 4. С. 323–334.

关 48 兴 Чанг, К. и Ли, Д., 1984, «Компьютерный анализ листового материала

Процессы формовки», Труды Первой международной конференции по

Передовая технология пластичности

, Vol. I. С. 660–665.

关 49 兴 Склад М.П., ​​1986, «Численный анализ влияния материала

Поведение упрочнения на распределение деформации при вытяжке детали из листового металла сложной формы

», Труды Международного Конгресса по глубокой вытяжке

Исследовательская группа, стр.464–468.

关 50 兴 Batoz, JL, Duroux, P., Guo, YQ, and Detraux, JM, 1989, «Эффективный алгоритм

для оценки больших деформаций при глубокой вытяжке», Труды

Третьей международной конференции по Численные методы в промышленных процессах формовки

(NUMIFORM, 89), EG Thompson, ed., Balkema, Rotterdam, pp.

383–388.

关 51 兴 Гуо, Ю.К., Батоз, Дж. Л., Детро, ​​Дж. М., и Дуру, П., 1990, «Метод конечных элементов

Процедуры для оценки деформации деталей из листового металла», Int.J. Nu-

мер. Методы англ., 39, стр. 1385–1401.

关 52 兴 Маджлесси, С. А., и Ли, Д., 1993, «Глубокая вытяжка квадратных листов

металлических деталей, Часть 1: Анализ методом конечных элементов», ASME J. Eng. Ind., 115, pp.

102–109.

关 53 兴 Маджлесси С.А. и Ли Д., 1993, «Глубокая вытяжка квадратных листов

металлических деталей, часть 2: экспериментальное исследование», ASME J. Eng. Ind., 115, pp. 110–

117.

关 54 兴 Batoz, J. L., Guo, Y. Q., and Mercier, F., 1995, «Обратный подход, включающий эффекты изгиба

для анализа и проектирования деталей из листового металла

», Труды Пятой Международной конференции по численным методам

в промышленных процессах формования (NUMIFORM 95), С.Ф. Шен и PR

Доусон, ред., Балкема, Роттердам, стр. 661–667.

关 55 兴 Batoz, JL, Naceur, H., and Guo, YQ, 2005, «Прогнозы формуемости в

Stamping и оптимизация параметров процесса на основе обратного подхода

Code Fast គ Stamp», Труды Шестого Международного Работа конференции-

цех по численному моделированию процессов обработки листового металла в 3D (NU-

MISHEET 2005), Л.М. Смит, Ф. Поубограт и Дж. У. Юн, ред., AIP, New

York, стр. 831–836.

关 56 兴 Ayed, LB, DelaméZièRe, A., and Batoz, JL, 2005, «Оптимизация распределения заглушек

для штамповки автомобилей

Панель передней двери 共 Числовой лист, 99 兲,» Труды Шестой международной конференции

, семинар по численному моделированию процессов формовки листового металла в 3D

(NUMISHEET 2005), Л. М. Смит, Ф. Поубограт и Дж.W. Yoon,

eds., AIP, New York, pp. 849–854.

关 57 兴 Oudjene, M., Mercier, F., Penazzi, L., and Batoz, JL, 2005, «Finite Element

Analysis of Laminated Tools for Sheet Metal Stamping», Proceedings of the

Eighth Conference ESAFORM по формованию материалов (ESAFORM 2005, D.

Banabic, ed., Издательство Румынской академии, Бухарест, стр.

,

695–698.

, № 58, Hutchinson, JW, 1974, «Plastic Buckling,» Adv. Appl. Mech., 14, pp. 67–

144.

–59– Ван Н. М., Шаммами М. Р., 1969, «О пластическом выпучивании круглой диафрагмы

под действием гидростатического давления», J. Mech. Phys. Solids, 17, pp.

43–61.

关 60 兴

Чанг, К. и Ричмонд, О., 1993, «Деформационная теория пластичности

на основе минимального рабочего пути», Int. J. Plast., 9. С. 907–920.

关 61 兴 Чанг, К., Ричмонд, О., 1992, «Формирование идеалов-II. Формовка листа с оптимальной деформацией

», Int.J. Mech. Sci., 34, с. 617–633.

关 62 兴 Чанг, К. и Ричмонд, О., 1992, «Проектирование процесса формования листа на основе теории формовки Ideal

», Труды Четвертой Международной конференции по мерическим методам Nu-

в промышленных процессах формовки (NUMIFORM 92), JL

Шено, Р. Д. Вуд и О. К. Зенкевич, ред., Балкема, Роттердам, стр.

455–460.

关 63 兴 Чанг, К., Юн, Дж. У. и Ричмонд, О., 2000, «Формирование идеального листа с

фрикционными ограничениями», Int.J. Plast., 16, с. 595–610.

关 64 兴 Ziegler, H., 1977, An Introduction to Thermodynamics, North-Holland, Am-

Sterdam.

65 兴 Хилл Р., 1987, «Конститутивные двойственные потенциалы в классической пластичности», J. Mech.

Phys. Solids, 35, pp. 23–33.

关 66 兴 Хилл Р., 1948, «Теория текучести и пластического течения анизотропных металлов

», Proc. R. Soc. Лондон, сер. А. 193, с. 281–297.

关 67 兴 Hill, R., 1979, «Теоретическая пластичность текстурированных заполнителей», Math.Proc.

Cambridge Philos. Soc., 193, с. 179–191.

关 68 兴 Барлат, Ф., Леге, Д. Дж., Брем, Дж. К., 1991, «Шестикомпонентная функция выхода анизотропных материалов», Int. J. Plast., 7. С. 693–712.

关 69 兴 Барлат, Ф., Чанг, К., и Ричмонд, О., 1993, «Потенциал скорости деформации для

металлов

и его применение для расчетов минимальной пластической рабочей траектории», Int. J.

Plast., 9, с. 51–63.

关 70 兴 Барлат, Ф. и Чанг, К., 1993, «Анизотропные потенциалы для пластически деформированных металлов

», Modell.Simul. Матер. Sci. Eng., 1. С. 403–416.

关 71 兴 Барлат, Ф., Маэда, Ю., Чунг, К., Янагава, М., Брем, JC, Хаясида, Ю.,

Леге, DJ, Мацуи, К., Мурта, С.Дж., Хаттори , S., Becker, RC, and Makosey,

S., 1997, «Разработка функции текучести для листов из алюминиевого сплава», J. Mech.

Phys. Solids, 45, pp. 1727–1763.

关 72 兴 Chung, K., Barlat, F., Yoon, JW, Richmond, O., Brem, JC, and Lege, DJ,

1998, «Потенциал текучести и скорости деформации для формования листов из алюминиевого сплава

Дизайн », Met.Матер.共 Soeul, Rep. Korea 兲, 4, pp. 931–938.

关 73 兴 Барлат, Ф., Брем, Дж. К., Юн, Дж. У., Чанг, К., Дик, Р. Э., Чой, С.-Х.,

Поурбограт, Ф., Чу, Э. и Леге, DJ, 2003, «Функция плоского напряжения

для листов из алюминиевого сплава — Часть I: Теория», Int. Ж. пласт., 19, с. 1297–1319.

关 74 兴 Ким, Д., Чанг, К., Барлат, Ф., Юн, Дж. Р., и Канг, Т.Дж., 2003, «Не-

квадратичный потенциал анизотропной скорости деформации плоского напряжения», Труды

Шестой международный симпозиум по микроструктурам и механическим свойствам

новых инженерных материалов, Б.Сюй, изд., Издательство Университета Цинхуа, Пекин,

, стр. 46–51.

关 75 兴 Барлат, Ф., Арец, Х., Юн, Дж. У., Карабин, М. Э., Брем, Дж. К., и Дик, Р. Е.,

2005, «Функции анизотропной доходности на основе линейного преобразования», Int. J.

Plast., 21, с. 1009–1039.

关 76 兴 Барлат Ф. и Чанг К., 2005, «Потенциал скорости анизотропной деформации для пластичности сплава Alumi-

num», Труды восьмой конференции ESAFORM по формованию материалов

(ESAFORM 2005), D. .Банабич, изд., Издательство

Румынской Академии, Бухарест, стр. 415–418.

关 77 兴 Казаку, О., и Барлат, Ф., 2004, «Критерий для описания анизотропии

и эффектов перепада текучести в металлах, нечувствительных к давлению», Int. J. Plast., 20,

pp. 2027–2045.

关 78 兴 Казаку, О., Планкетт, Б., и Барлат, Ф., 2006, «Критерий ортотропной текучести для

гексагональных закрытых упакованных металлов

», Int. Ж. пласт., 22, с. 1171–1194.

关 79 兴 Марчиньяк, З., и Kuczynski, K., 1967, «Предельные деформации в процессах

растягиваемого листового металла», Int. J. Mech. Sci., 9. С. 609–625.

关 80 兴 Стаутон, Т. Б., 2000, «Общий предельный критерий формования для листового металла

Формовка», Int. J. Mech. Sci., 42, стр. 1–27.

关 81 兴 Барлат Ф., Чанг К. и Ричмонд О., 1994, «Анизотропные потенциалы для поликристаллов

и их применение при проектировании оптимальных форм заготовок при формовании листа

», Металл.Матер. Пер. А, 25, с. 1209–1216.

关 82 兴 Chung, K., Barlat, F., Brem, JC, Lege, DJ, and Richmond, O., 1997,

“Проект формы заготовки для плоского анизотропного листа на основе идеального листа

Forming Design Теория и анализ методом конечных элементов // Междунар. J. Mech. Наук, 39, с.

105–120.

关 83 兴 Чанг, К., Барлат, Ф., Юн, Дж. У., и Ричмонд, О., 1999, «Проектирование заготовки для

приложения для формования листа с использованием потенциала скорости анизотропной деформации

Srp98», Труды материалов, процесса и дизайна продукта, Н.Забарас,

Р. Беккер, С. Гош и Л. Лалли, ред., Балкема, Роттердам, стр. 213–219.

关 84 兴 Барлет, О., Батоз, Дж. Л., Гуо, YQ, Мерсье, Ф., Насер, Х., и Кнопф-Ленуар,

C., 1996, «Обратный подход и методы математического программирования

для оптимального проектирования листовых формовочных деталей », Труды третьей европейской совместной конференции по проектированию и анализу инженерных систем,

ASME, New York, Vol. 3. С. 227–232.

关 85 兴 Батоз, Дж. Л., Го, Ю. К., и Мерсье, Ф., 1998, «Обратный подход с

простых треугольных элементов оболочки для прогнозирования больших деформаций листового металла

Формовочные детали», англ. Вычисл., 15. С. 864–892.

关 86 兴 Ли, К. Х., Хью, Х., 1998, «Проектирование заготовки и оценка деформации для листа

Процессы формовки металла с помощью обратного метода конечных элементов с исходным

Предположение линейной деформации», J. Mater. Процесс. Technol., 82, с.145–155.

关 87 兴 Парк, С. Х., Юн, Дж. У., Ян, Д. Ю., и Ким, Ю. Х., 1999, «Оптимальное проектирование заготовки

при формовке листового металла методом итераций пути деформации»,

Int. J. Mech. Наук, 41, с. 1217–1232.

关 88 兴 Guo, YQ, Batoz, JL, Naceur, H., Bouabdallah, S., Mercier, F., and Barlet,

O., 2000, «Последние разработки в области анализа и оптимального проектирования

. Формовка деталей из листового металла с использованием упрощенного обратного подхода // Ж. вычисл.

Struct., 78, с. 133–148.

关 89 兴 Эль Муатассим, М., Томас, Б., Джаме, Дж. П., и Ди Паскуале, Э., 1995, «Промышленный код конечных элементов

для одностадийного моделирования формы листового металла —

ing, ”Труды Пятой Международной конференции по численным методам

в промышленных процессах формования (NUMIFORM 95), С.Ф. Шен и П.Р. Дау-

сын, ред., Балкема, Роттердам, стр. 761–766.

关 90 兴 Лю, С. Д., и Ассемпур, А., 1995, «Разработка FAST 3D — Design-

Ориентированный одноступенчатый МКЭ в формовке листового металла», Труды Четвертой Международной конференции

по вычислительной пластичности, DRJ Owen and E.

Onate, eds., Pineridge Press , Суонси, стр. 1515–1526.

334 / Том. 60, НОЯБРЬ 2007 г. Транзакции ASME

Загружен 21 января 2008 г. по адресу 203.88.129.4. Распространение осуществляется с соблюдением лицензии ASME или авторских прав; см. http://www.asme.org/terms/Terms_Use.cfm

Прогнозирование напряжения течения и доминирующих механизмов текучести: аналитические модели, основанные на пластичности дискретных дислокаций

  • 1.

    Сандфельд, С., Хохрайнер, Т., Гумбш, П. и Зайзер, М. Численная реализация трехмерной континуальной теории динамики дислокаций и ее применение к микроизгибам. Philosophical Magazine 90 (27–28), 3697–3728 (2010).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 2.

    Sandfeld, S., Hochrainer, T., Zaiser, M. & Gumbsch, P. Континуумное моделирование дислокационной пластичности: теория, численная реализация и подтверждение с помощью дискретного моделирования дислокаций. Журнал материаловедения 26 (05), 623–632 (2011).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 3.

    Аояги, Ю., Кобаяши, Р., Кадзи, Ю. и Шизава, К. Моделирование и моделирование сверхмелкозернистости на основе многомасштабной пластичности кристаллов с учетом дислокационного рисунка. Международный журнал пластичности 47 , 13–28 (2013).

    Артикул Google ученый

  • 4.

    Карвалью Резенде, Т., Бувье, С., Абед-Мераим, Ф., Балан, Т., Саблин, С.С. Модель на основе дислокаций для прогнозирования поведения b.c.c. материалы — размер зерен и влияние пути деформации. Международный журнал пластичности 47 , 29–48 (2013).

    CAS Статья Google ученый

  • 5.

    Sandfeld, S., Thawinan, E. & Wieners, C. Связь между эволюцией микроструктуры и макроскопическим откликом в упругопластичности: формулировка и численное приближение многомерной теории динамики дислокаций сплошной среды. Международный журнал пластичности 72 , 1–20 (2015).

    Артикул Google ученый

  • 6.

    Ся, С. и Эль-Азаб, А. Вычислительное моделирование мезомасштабного дислокационного рисунка и пластической деформации монокристаллов. Моделирование и имитация в материаловедении и инженерии 23 (5), 055009 (2015).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 7.

    Хан, А. С., Лю, Дж., Юн, Дж. В. и Намбори, Р. Влияние скорости деформации монокристаллов алюминия высокой чистоты: эксперименты и моделирование. Международный журнал пластичности 67 , 39–52 (2015).

    CAS Статья Google ученый

  • 8.

    Хансен, Б. Л., Байерлейн, И. Дж., Бронкхорст, К. А., Черрета, Э. К., Деннис-Коллер, Д. Многоскоростная модель пластичности монокристалла на основе дислокаций. Международный журнал пластичности 44 , 129–146 (2013).

    CAS Статья Google ученый

  • 9.

    Цуй, Й., Лю, З. и Чжуанг, З. Количественные исследования дислокационной дискретно-непрерывной модели пластичности кристаллов в субмикронном масштабе. Международный журнал пластичности 69 , 54–72 (2015).

    Артикул Google ученый

  • 10.

    Лин П., Лю З. и Чжуанг З. Численное исследование размерно-зависимой морфологии деформации при микростолбиковом сжатии с помощью модели пластичности кристаллов на основе дислокаций. Международный журнал пластичности 87 , 32–47 (2016).

    CAS Статья Google ученый

  • 11.

    Дженнингс А. Т., Бурек М. Дж. И Грир Дж. Р. Микроструктура в зависимости от размера: механические свойства гальванических монокристаллических наностолбиков Cu. Physical Review Letters 104 (13), 135503 (2010).

    ADS PubMed Статья CAS Google ученый

  • 12.

    Учич, М. Д., Димидук, Д. М., Флорандо, Дж. Н. и Никс, В. Д. Размеры образца влияют на прочность и пластичность кристаллов. Наука 305 , 986–989 (2004).

    ADS CAS PubMed Статья Google ученый

  • 13.

    Учич М. Д., Шейд П. А., Димидук Д. М. Пластичность монокристаллов микрометрового размера при сжатии. Ежегодный обзор исследований материалов 39 (1), 361–386 (2009).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 14.

    Чжоу, К., Бинер, С. Б. и ЛеСар, Р. Моделирование пластичности в малых масштабах в динамике дискретных дислокаций. Acta Materialia 58 (5), 1565–1577 (2010).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 15.

    Цуй, Ю., Лю, З. и Чжуан, З. Теоретические и численные исследования ограниченной пластичности микростолбиков. Журнал механики и физики твердого тела 76 , 127–143 (2015).

    ADS MathSciNet Статья Google ученый

  • 16.

    Lee, S.-W., Han, S.M. & Nix, W.D. Одноосное сжатие наностолбиков FCC Au на подложке MgO: эффекты предварительного деформирования и отжига. Acta Materialia 57 (15), 4404–4415 (2009).

    CAS Статья Google ученый

  • 17.

    Рао С. И. и др. . Атермические механизмы зависящего от размера потока кристаллов, почерпнутые из трехмерного моделирования дискретных дислокаций. Acta Materialia 56 (13), 3245–3259 (2008).

    CAS Статья Google ученый

  • 18.

    Lee, S.-W. & Nix, W. D. Размерная зависимость предела текучести металлических микростолбиков FCC и BCC с диаметром в несколько микрометров. Философский журнал 92 (10), 1238–1260 (2012).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 19.

    Шан, З. В., Мишра, Р. К., Сайед Асиф, С.А., Уоррен, О. Л. и Минор, А. М. Механический отжиг и деформация с ограничением источника в кристаллах Ni субмикронного диаметра. Природные материалы 7 (2), 115–119 (2008).

    ADS CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 20.

    Грир, Дж. Р. и Никс, В. Д. Наноразмерные золотые столбы, укрепленные за счет дислокационного голодания. Physical Review B 73 (24), 245410 (2006).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 21.

    Ryu, I., Cai, W., Nix, W. D. & Gao, H. Стохастическое поведение при пластической деформации гранецентрированных кубических микростолбиков, определяемое поверхностным зародышеобразованием и работой усеченного источника. Acta Materialia 95 , 176–183 (2015).

    CAS Статья Google ученый

  • 22.

    Клери, Ф., Вольф, Д., Ип, С. и Филпот, С. Р. Атомистическое моделирование зарождения дислокаций и их движения от вершины трещины. Acta Materialia 45 (12), 4993–5003 (1997).

    CAS Статья Google ученый

  • 23.

    Лю Ю., Ван дер Гиссен Э. и Нидлман А. Анализ зарождения дислокаций вблизи свободной поверхности. Международный журнал твердых тел и структур 44 (6), 1719–1732 (2007).

    CAS МАТЕМАТИКА Статья Google ученый

  • 24.

    Сюй, С., Го, Ю. Ф. и Нган, А. Х. У. Исследование молекулярной динамики ориентации, размера и эффектов ограничения дислокаций на пластическую деформацию наностолбиков алюминия. Международный журнал пластичности 43 , 116–127 (2013).

    CAS Статья Google ученый

  • 25.

    Чжу Т., Ли Дж., Саманта А., Лич А. и Галл К. Зависимость зарождения поверхностных дислокаций от температуры и скорости деформации. Physical Review Letters 100 (2), 025502 (2008).

    ADS PubMed Статья CAS Google ученый

  • 26.

    Рю, С., Канг, К. и Кай, В. Прогнозирование скорости зарождения дислокаций в зависимости от температуры и напряжения. Журнал материаловедения 26 (18), 2335–2354 (2011).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 27.

    Tschopp, M. A., Spearot, D. E. & McDowell, D. L. Атомистическое моделирование гомогенного зарождения дислокаций в монокристаллической меди. Моделирование и имитация в материаловедении и инженерии 15 (7), 693–709 (2007).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 28.

    Партасарати, Т. А., Рао, С. И., Димидук, Д. М., Учик, М. Д. и Тринкл, Д. Р. Вклад в размерный эффект предела текучести от стохастики длин источников дислокаций в конечных образцах. Scripta Materialia 56 (4), 313–316 (2007).

    CAS Статья Google ученый

  • 29.

    Бей, Х., Гао, Й. Ф., Шим, С., Джордж, Э. П. и Фарр, Г. М. Различия в прочности, возникающие в результате гомогенного и гетерогенного зарождения дислокаций. Physical Review B 77 (6), 060103 (2008).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 30.

    Гуо, Ю., Чжуан, З., Ли, X. Y. и Чен, З. Исследование комбинированного влияния размера и скорости на механические реакции металлов FCC. Международный журнал твердых тел и структур 44 (3–4), 1180–1195 (2007).

    CAS МАТЕМАТИКА Статья Google ученый

  • 31.

    Zhang, J. Y., Liu, G. & Sun, J. Влияние скорости деформации на механический отклик в мульти- и монокристаллических микростолбиках Cu: эффекты границ зерен. Международный журнал пластичности 50 , 1–17 (2013).

    Артикул CAS Google ученый

  • 32.

    Sandfeld, S. & Zaiser, M. Формирование структуры в минимальной модели дислокационной пластичности сплошной среды. Моделирование и имитация в материаловедении и инженерии 23 (6), 065005 (2015).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 33.

    Сонг, Х., Димидук, Д. и Папаниколау, С. Универсальный класс пластичности нанокристаллов: локализация и самоорганизация в динамике дискретных дислокаций. Physical Review Letters 122 (17), 178001 (2019).

    ADS CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 34.

    Дженнингс, А. Т., Ли, Дж. И Грир, Дж. Р. Появление чувствительности к скорости деформации в наностолбиках Cu: переход от размножения дислокаций к зарождению дислокаций. Acta Materialia 59 (14), 5627–5637 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 35.

    Ху, Дж., Лю, З., Ван дер Гиссен, Э. и Чжуанг, З. Влияние скорости деформации на пластический поток в субмикронных медных столбах: рассмотрение влияния размера образца и зарождения дислокаций. Extreme Mechanics Letters 17 , 33–37 (2017).

    Артикул Google ученый

  • 36.

    Чжоу, С., Бинер, С. и ЛеСар, Р. Моделирование влияния поверхностных покрытий на пластичность в малых масштабах. Scripta Materialia 63 (11), 1096–1099 (2010).

    CAS Статья Google ученый

  • 37.

    Девинкр, Б. и Кубин, Л.P. Мезоскопическое моделирование дислокаций и пластичности. Материаловедение и инженерия 234-236 , 8–14 (1997).

    Артикул Google ученый

  • 38.

    Ispánovity, P. D., Groma, I., Gyögeryi, G., Csikor, F. F. & Weygand, D. Субмикронная пластичность: напряжение текучести, дислокационные лавины и распределение скоростей. Physical Review Letters 105 (8), 085503 (2010).

    ADS PubMed Статья CAS Google ученый

  • 39.

    Fivel, M.C., Robertson, C.F., Canova, G.R., Boulanger, L. Трехмерное моделирование пластической зоны, вызванной вдавливанием, на мезоуровне. Acta Materialia 46 (17), 6183–6194 (1998).

    CAS Статья Google ученый

  • 40.

    Гао, Ю., Чжуан, З., Лю, З., Чжао, X. и Чжан, З. Характерные размеры для механизма упрочнения при истощении монокристаллических микростолбиков из сжатой меди. Chinese Physics Letters 27 (8), 086103 (2010).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 41.

    Цуй, Ю., Лин, П., Лю, З. и Чжуан, З. Теоретические и численные исследования пластического потока, контролируемого источником одноплечей дислокации, в микростолбах ГЦК. Международный журнал пластичности 55 , 279–292 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 42.

    Hirth, J. P. & Lothe, J.П., Теория дислокаций . 2-е изд, Нью-Йорк: издательство Krieger Publishing Company – John Wiley & Sons, Ltd. (1982).

  • 43.

    Liu, Z., Liu, X., Zhuang, Z. & You, X. Нетипичное трехступенчатое механическое упрочнение монокристаллических микростолбиков Cu. Scripta Materialia 60 (7), 594–597 (2009).

    CAS Статья Google ученый

  • 44.

    Weinberger, C. R. & Cai, W.Расчет напряжения изображения в упругом цилиндре. Журнал механики и физики твердого тела 55 (10), 2027–2054 (2007).

    ADS MathSciNet МАТЕМАТИКА Статья Google ученый

  • 45.

    Вайнбергер, К. Р. и Кай, В. Поверхностно-контролируемое размножение дислокаций в металлических микростолбах. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 105 (38), 14304–14307 (2008).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 46.

    Тан, Х., Шварц, К. и Эспиноза, Х. Размерные эффекты, связанные с вылетом дислокаций, в монокристаллических микростолбиках при одноосном сжатии. Acta Materialia 55 (5), 1607–1616 (2007).

    CAS Статья Google ученый

  • 47.

    Groh, S., Marin, E.Б., Хорстемейер, М. Ф. и Збиб, Х. М. Мультимасштабное моделирование пластичности в монокристалле алюминия. Международный журнал пластичности 25 (8), 1456–1473 (2009).

    ADS CAS МАТЕМАТИКА Статья Google ученый

  • 48.

    Ван З. К., Байерлейн И. Дж. И Лезар Р. Движение дислокаций при деформации с высокой скоростью деформации. Philosophical Magazine 87 (16), 2263–2279 (2007).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 49.

    Цуй, Ю., Лю, З., Ван, З. и Чжуан, З. Механический отжиг при низкоамплитудной циклической нагрузке в микростолбах. Журнал механики и физики твердого тела 89 , 1–15 (2016).

    ADS Статья Google ученый

  • 50.

    Motz, C., Weygand, D., Senger, J. & Gumbsch, P.Исходные дислокационные структуры в трехмерной дискретной дислокационной динамике и их влияние на микромасштабную пластичность. Acta Materialia 57 (6), 1744–1754 (2009).

    CAS Статья Google ученый

  • 51.

    Gurrutxaga-Lerma, B., Balint, D. S., Dini, D., Eakins, D. E. & Sutton, A. P. Метод динамической дискретной дислокационной пластичности для моделирования пластической релаксации при ударной нагрузке. Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки 469 (2156), 1–24 (2013).

    MathSciNet МАТЕМАТИКА Статья Google ученый

  • 52.

    Cui, Y., Po, G., Pellegrini, Y.-P., Lazar, M. & Ghoniem, N. Вычислительная трехмерная дислокационная эластодинамика. Журнал механики и физики твердого тела 126 , 20–51 (2019).

    ADS MathSciNet Статья Google ученый

  • 53.

    Nix, W. D., Greer, J.Р., Фенг, Г. и Лиллеодден, Э. Т. Деформация в масштабе нанометров и микрометров: эффекты градиентов деформации и дислокационного голодания. Тонкие твердые пленки 515 (6), 3152–3157 (2007).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 54.

    Oh, S.H., Legros, M., Kiener, D. & Dehm, G. Наблюдение in situ зарождения и исчезновения дислокаций в монокристалле алюминия субмикронного размера. Природные материалы 8 (2), 95–100 (2009).

    ADS CAS PubMed Статья Google ученый

  • 55.

    Wang, Z. et al . Влияние размера образца на большие всплески деформации в субмикронных алюминиевых столбах. Письма по прикладной физике 100 (7), 071906 (2012).

    ADS Статья CAS Google ученый

  • 56.

    Чжоу, К., Бейерлейн, И. Дж., ЛеСар, Р. Механизмы пластической деформации монокристаллов ГЦК в малых масштабах. Acta Materialia 59 (20), 7673–7682 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 57.

    Эль-Авади, Дж. А. Раскрытие физики размерно-зависимой пластичности, опосредованной дислокациями. Nature Communications 6 (5926), 1–9 (2015).

    Google ученый

  • 58.

    Дженнингс, А. Т. и др. . Более высокая прочность на сжатие и эффект Баушингера в конформно пассивированных медных наностолбиках. Acta Materialia 60 (8), 3444–3455 (2012).

    CAS Статья Google ученый

  • 59.

    Кинер, Д. и Майнор, А. М. Выход и упрочнение Cu (100), контролируемые источником, изучены с помощью просвечивающей электронной микроскопии in situ . Acta Materialia 59 (4), 1328–1337 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 60.

    Кинер, Д. и Майнор, А. М. Усечение и истощение источника: выводы из количественных испытаний на растяжение in situ TEM. Nano Letters 11 (9), 3816–3820 (2011).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 61.

    Shan, Z. In situ TEM-исследование механического поведения металлических столбов микронного размера. JOM 64 (10), 1229–1234 (2012).

    CAS Статья Google ученый

  • % PDF-1.4 % 1726 0 объект > эндобдж xref 1726 135 0000000016 00000 н. 0000003056 00000 н. 0000003298 00000 н. 0000003331 00000 н. 0000003401 00000 п. 0000004813 00000 н. 0000005130 00000 н. 0000005200 00000 н. 0000005370 00000 п. 0000005479 00000 н. 0000005589 00000 н. 0000005721 00000 н. 0000005847 00000 н. 0000006020 00000 н. 0000006156 00000 п. 0000006311 00000 н. 0000006493 00000 н. 0000006616 00000 н. 0000006726 00000 н. 0000006908 00000 н. 0000007052 00000 н. 0000007164 00000 н. 0000007342 00000 н. 0000007462 00000 н. 0000007597 00000 п. 0000007766 00000 н. 0000007940 00000 п. 0000008124 00000 н. 0000008249 00000 н. 0000008378 00000 п. 0000008504 00000 н. 0000008680 00000 п. 0000008861 00000 н. 0000008962 00000 н. 0000009063 00000 н. 0000009165 00000 н. 0000009266 00000 н. 0000009367 00000 п. 0000009467 00000 н. 0000009568 00000 н. 0000009668 00000 н. 0000009769 00000 н. 0000009869 00000 п. 0000009970 00000 н. 0000010070 00000 п. 0000010171 00000 п. 0000010271 00000 п. 0000010372 00000 п. 0000010472 00000 п. 0000010573 00000 п. 0000010673 00000 п. 0000010774 00000 п. 0000010874 00000 п. 0000010974 00000 п. 0000011073 00000 п. 0000011173 00000 п. 0000011272 00000 п. 0000011372 00000 п. 0000011471 00000 п. 0000011571 00000 п. 0000011670 00000 п. 0000011770 00000 п. 0000011870 00000 п. 0000011970 00000 п. 0000012070 00000 п. 0000012171 00000 п. 0000012271 00000 п. 0000012371 00000 п. 0000012470 00000 п. 0000012571 00000 п. 0000012670 00000 п. 0000012770 00000 п. 0000012869 00000 п. 0000012970 00000 п. 0000013070 00000 п. 0000013170 00000 п. 0000013269 00000 п. 0000013369 00000 п. 0000013468 00000 п. 0000013568 00000 п. 0000013667 00000 п. 0000013767 00000 п. 0000013866 00000 п. 0000013966 00000 п. 0000014066 00000 п. 0000014166 00000 п. 0000014265 00000 п. 0000014364 00000 п. 0000014464 00000 п. 0000014563 00000 п. 0000014662 00000 п. 0000014761 00000 п. 0000014859 00000 п. 0000014957 00000 п. 0000015059 00000 п. 0000015259 00000 п. 0000015460 00000 п. 0000016303 00000 п. 0000017028 00000 п. 0000017051 00000 п. 0000017451 00000 п. 0000017912 00000 п. 0000024324 00000 п. 0000024692 00000 п. 0000025462 00000 п. 0000026523 00000 п. 0000027012 00000 п. 0000028876 00000 п. 0000029260 00000 н. 0000029660 00000 п. 0000030558 00000 п. 0000030581 00000 п. 0000031278 00000 п. 0000031301 00000 п. 0000031565 00000 п. 0000031958 00000 п. 0000032572 00000 п. 0000036837 00000 п. 0000037210 00000 п. 0000037942 00000 п. 0000037965 00000 п. 0000038687 00000 п. 0000038710 00000 п. 0000039446 00000 п. 0000039469 00000 п. 0000039953 00000 н. 0000039976 00000 п. 0000040540 00000 п. 0000040563 00000 п. 0000040658 00000 п. 0000049360 00000 п. 0000049639 00000 п. 0000066722 00000 п. 0000003444 00000 н. 0000004789 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 1727 0 объект > эндобдж 1728 0 объект [ 1729 0 руб. ] эндобдж 1729 0 объект > >> эндобдж 1730 0 объект > эндобдж 1859 0 объект > транслировать HUmhw rMT [WG} KKWkm] 9K ޯ% A;% M% / U ܐ} 6 D6F;: e`P2aliJ ‘{^

    Кристаллов | Бесплатный полнотекстовый | Автоволны Физика пластичности материалов

    Указанный выбор автоволн предопределил применение достаточно развитой теории автоволновых процессов [34,43].Обычно автоволны в активных средах различной природы описываются параболическими дифференциальными уравнениями типа реакция-диффузия y˙ = ζ (y) + Dy ″ [34,52]. Они получаются добавлением нелинейной функции ζ (y) к правой части уравнения дифференциальной диффузии или теплопроводности y˙ = Dy ″ и позволяют объяснить генерацию автоволновых структур в макроскопическом масштабе в однородной системе [34,53] . Явный вид функции ζ (y) определяется либо физическими причинами, если известен механизм явления, либо записывается в виде кубической нелинейности.Методы решения этих уравнений [54] успешно применялись для анализа динамики структур в химических и биологических объектах.
    3.1. Автоволновые уравнения пластического течения
    Сложность физических аспектов проблемы пластичности состоит в оптимальном выборе переменных, подходящих для описания процессов пластического течения. Для локализованного пластического течения было предложено рассматривать пластическую деформацию ε как активатор, а упругое напряжение σ как ингибитор [25]. Главный аргумент в пользу такого выбора состоит в следующем.Как известно [1,55], для описания пластической деформации твердого тела тензор напряжений подразделяется на девиатор деформации и сферический тензор деформации. В этом случае девиатор деформации отвечает за пластическое изменение формы, а сферический тензор создает гидростатическое сжатие или растяжение, которое предотвращает пластическую деформацию согласно закону упругости объемной деформации [1]. Выбор пластической деформации и упругого напряжения в качестве управляющих параметров удобен тем, что позволяет экспериментально определять σ и ε из диаграммы σ (ε) и пространственно разделить упруго напряженные и пластически деформированные зоны, определяющие многомасштабный характер процесса [56] .Свидетельствами в пользу такого выбора являются адиабатическое охлаждение образца при растяжении и локальное тепловыделение в плоскостях сдвига [10]. Эти процессы противоположны. Сходной точки зрения придерживаются авторы [57] относительно природы активатора и ингибитора пластической деформации. С учетом выбора определяющих факторов уравнения для деформации (активатора) и напряжения (ингибитора) можно записать по аналогии с [34,53] (они фактически постулируются) в виде системы уравнений

    {(7) ε˙ = f (ε) + Dεεε ″, (8) σ˙ = g (σ) + Dσσσ ″,

    где первое уравнение описывает изменения кинетической деформации (активатор), а второе уравнение описывает напряжение (ингибитор).Двойные индексы коэффициентов Dε и Dσσ в уравнениях (7) и (8) поясняются ниже. Нелинейные функции f (ε) и g (σ) учитывают нелинейность деформирующей среды и описывают событие релаксации деформации, локализованной на фронте очага деформации [5,58]. Они характеризуют перераспределение деформаций и напряжений между соседними микрообъемами вблизи релаксирующего концентратора напряжений и обусловлены непрерывным движением фронта деформации. Термины диффузии Dεεε ″ и Dσσσ ″ описывают перераспределение деформации и напряжения на макроуровне.Можно считать, что правые части уравнений (7) и (8) содержат гидродинамическую (f (ε) и g (σ)) и диффузионную (Dεεε ″ и Dσσσ ″) компоненты [59], роли которых в динамика деформации не равны. Из теории параболических дифференциальных уравнений [43] хорошо известно, что скорость распространения взаимодействия в среде бесконечна, т.е. V (inter) → ∞. Такая ситуация физически нереализуема и должна быть заменена условием V (inter) ≈ Vt, ограничивающим скорость передачи сигнала в среде скоростью звука Vt.Время появления новых зародышей пластичности τ≥λ / Vt. Это порождает идею о том, что акустические свойства среды могут играть важную роль в инициировании новых дислокационных сдвигов на макроскопическом расстоянии от существующих зародышей пластичности [60]. Отметим, что производные первого порядка по времени в уравнениях (7) и (8) подчеркивают необратимость пластической деформации. Таким образом, уравнения (7) и (8) учитывают нелинейность и активность деформирующей среды, а также открытость системы и необратимость пластического течения.Уравнение (7) следует из условия непрерывности функций, описывающих кинетику деформации [61]. В этом случае,

    ε˙ = ∇⋅ (Dεε∇ε),

    (9)

    где Dεε∇ε — деформационное течение в поле его градиента. Если коэффициент Dεε зависит от координаты x, т. Е. Dεε (x), то

    ε˙ = ε′⋅D′εε + Dεεε ″ = f (ε) + Dεεε ″

    (10)

    где f (ε, σ) = ε′⋅D′εε — нелинейная функция деформации и напряжения. Ясно, что уравнение (10) эквивалентно постулированному выше уравнению (7).В свою очередь, уравнение (8) следует из уравнения Эйлера [62]

    ∂∂tρvi = −∂Πik∂xk,

    (11)

    в котором Πik = pδik + ρvivk − σvis = σik − ρvivk — тензор плотности потока импульса, δik — единичный тензор, p — давление, vi и vk — компоненты скорости потока. Тензор напряжений σik = −pδik + σvis является суммой упругой, σel = −pδik, и вязкой, σvis компонентов напряжения, то есть σ = σel + σvis и σ˙ = σ˙el + σ˙vis. Скорость релаксации упругих напряжений может быть записана следующим образом [50]: σ˙el≡g (σ, ε) = — B − 1Mρdb2σ = −MρmbVdisl ~ Vdisl, где M — модуль упругости системы «образец – испытательная машина». , B≈10 –5 –10 –4 Па · с — коэффициент сопротивления дислокации, а Vdisl = (b / B) ⋅σ — скорость движения дислокации [63].Вязкие напряжения зависят от скорости упругой волны в среде и ее динамической вязкости η как σvis = η∇Vt. Здесь Vt≈Vt0 + βσ [60], Vt0 — скорость распространения поперечных упругих волн при σ = 0 и β = const. В этом случае ∂σvis / ∂t = Vt∇⋅ (η∇Vt) = ηVt∂2Vt / ∂x2, а скорость релаксации вязких напряжений равна ∂σvis / ∂t = ηVt∂2Vt / ∂x2 = ηβVt∂2σ / ∂x2, так что

    ∂σ / ∂t = g (σ) + Dσσ∂2σ / ∂x2

    (12)

    где Dσσ = ηβVt — коэффициент передачи. Таким образом, члены σ˙e = g (σ) и σ˙vis = Dσσ⋅∂2σ / ∂x2 в уравнении (12) определяют скорости релаксации упругих и вязких напряжений соответственно, а уравнения (12) и (8 ) эквивалентны.
    3.2. Анализ уравнений автоволновой пластичности
    Чтобы оценить возможности уравнений (7) и (8) для описания локализованной пластичности, мы теперь рассмотрим явный вид нелинейных функций

    f (ε) = — εθε + ση

    (13)

    а также

    g (σ) = — (σ − σy) −σ * θσ + σεθε,

    (14)

    где η — динамическая вязкость среды, θε и θσ << θε - времена релаксации деформации и упругих напряжений, σy - предел текучести. Очевидно, уравнение (13) является уравнением Максвелла для вязкоупругой среды.Первый член в уравнении (14) описывает релаксацию напряжения до уровня σ *, а второй член описывает эффекты нелинейной обратной связи. Для качественного анализа уравнений (13) и (14) воспользуемся методом изоклины, приравняв к нулю левые части уравнений. потом а также

    σ = σ0 + σy1− (θσ / θε) ε.

    (16)

    Полученные таким образом 0-изоклины показаны на рисунке 5а. Их анализ заключается в поиске особых точек (точек пересечения 0-изоклин).N-образная форма и положение функции (16) определяются входящими в нее константами и деформацией ε. При малых напряжениях после достижения особой точки Ω любое небольшое отклонение от положения равновесия приводит к скачкообразному переходу Ω → А на устойчивую ветвь изоклины σ˙ = 0. При малых напряжениях точка делает цикл А → В → С → Ω, и система снова возвращается в состояние равновесия. При высоких напряжениях (верхняя кривая) после нарушения равновесия Ω → А изображающая точка уже не возвращается в положение равновесия и движется по замкнутой траектории А → B → С → D → E → B.Первый случай соответствует распространению переключающей автоволны (фронт Людерса). Повторение циклов во втором случае свидетельствует о формировании фазовой автоволны. Функцию f (ε) можно определить и по-другому. Например, для термоактивационного характера релаксационного процесса эта зависимость может иметь логарифмический характер, что следует из кинетики термоактивированной пластической деформации [64]. потом

    f (ε) = Aθσlnε + σ − σϑθσ,

    (17)

    где постоянная A определяется механизмом пластической деформации, а σϑ — функция напряжений.Уравнение для 0-изоклины в этом случае имеет вид, показанный на рисунке 5b. Последующий анализ также демонстрирует изменение режимов пластического течения. При малых напряжениях (кривая 1) изображающая точка на пути Ω 1 → A → B → C возвращается в положение равновесия. При высоких напряжениях (кривая 2) изображающая точка после перехода Ω 2 → A движется по траектории B → C → D → E → B, что соответствует образованию фазовой автоволны.

    Таким образом, уравнения (7), (8), (10) и (12) применимы для описания формирования автоволн.С их помощью можно объяснить наличие коммутационных автоволн и фазовой локализованной пластичности на стадиях плато текучести и линейного деформационного упрочнения соответственно.

    3.3. О применении автоволновых представлений
    В физике дефектов решетки одна из первых попыток использовать уравнение (7) принадлежит Донту [65,66], который объяснил с его помощью вклад движения дислокационного кинка в амплитудно-зависимые внутренние трение. В дальнейшем подобные представления были использованы непосредственно для описания самоорганизации дислокационных ансамблей при пластической деформации.Например, ситуация с распространением фронтов деформации изучалась в [67,68], где была получена правильная оценка скорости распространения автоволны неоднородного пластического сдвига (переключающей автоволны) для движения полосы Людерса. В [69,70,71,72] представления автоволн были использованы для решения проблемы скачкообразной деформации и анализа образования полос скольжения. Для этих целей авторы написали динамические уравнения для дислокационных ансамблей и рассмотрели условия образования полос скольжения из изначально хаотического распределения дефектов.Предсказана сложная структура волн деформации, распространяющихся в деформирующей среде и состоящих из головной части солитонного типа и колеблющегося хвоста, постепенно отстающего от головной части при движении. Этот эффект можно рассматривать как один из механизмов генерации автоволн в деформируемых средах. Общий анализ проблемы устойчивости дислокационного ансамбля показал, что флуктуации плотности дислокаций приводят к возникновению концентраторов напряжений в деформирующей среде.По-видимому, наиболее последовательными и строго рассмотрены механизмы самоорганизации и образования дислокационных ансамблей [73,74,75,76]. Так, в [74] связь между прочностью и пластичностью анализировалась на примерах кривых наклепа для некоторых металлов и сплавов с решеткой гранецентрированного куба (ГЦК). В основу анализа положен критерий образования шейки в образце при растяжении и кривая деформационного упрочнения, иллюстрирующая динамику плотности дислокаций в материале с увеличением степени деформации и влияние структурных факторов этих процессов.Влияние напряжения Пайерлса на прочность и деформацию до образования шейки исследовалось в [75] для металлов и сплавов при растяжении. В основе анализа лежало уравнение динамики плотности дислокаций с деформацией, определяющее характер деформационного упрочнения материала и влияние напряжения Пайерлса на параметры этого уравнения через коэффициент аннигиляции винтовых дислокаций. В [76] на основе уравнений кинетики дислокаций обсужден механизм деформационного упрочнения и образования фрагментированных дислокационных структур в металлах, подвергающихся интенсивной пластической деформации.Авторам [77,78] на основе автоволнового подхода удалось объяснить переход автоволновых деформационных мод к пластическому течению от фронта Людерса к фазовой автоволне и квадратичную зависимость автоволновой дисперсии на стадии линейной упрочнение. Авторы [79,80] подробно рассмотрели возможность самоорганизации дислокационных структур пластическим течением, обосновали введение гидродинамической составляющей деформационного течения и показали, как такой процесс влияет на кинетику и динамику наклепа.Они продемонстрировали, что динамика деформационных процессов подчиняется законам синергетики.
    3.5. Пластическая деформация как процесс самоорганизации в среде.
    Хакен [12] заявил, что «система называется самоорганизующейся, если она приобретает какую-либо пространственную, временную или функциональную структуру без определенного внешнего воздействия». В этом случае динамика локализации, то есть самопроизвольное расслоение среды на деформирующий и недеформирующий объемы, эквивалентна ее самоорганизации, то есть упорядочению (структуризации).Объяснение таких процессов — традиционная проблема синергетики. Олемской [11,81,82,83] применил синергетический аппарат для детального описания задач физики конденсированного состояния. В частности, ему впервые удалось с этих позиций рассмотреть закономерности образования одиночных дефектов и локализационных автоволн в пластическом течении при активном нагружении. В [84,85,86,87,88,89,90,91] проанализированы проблемы структурирования конденсированных сред; в частности, формирование автоволн локализованной пластичности и природа гидродинамических и диффузионно-подобных режимов пластического течения.Применение этих идей непосредственно к решению проблемы пластичности обозначило новый взгляд на пластическую деформацию как на процесс самоорганизации дефектной структуры на различных масштабных уровнях. Баланкин [84,85] успешно применил синергетический подход для описания природы деформации и процессов разрушения на основе механизмов возбуждения кристаллической решетки. В [86,87,88,89,90,91] авторы описали процесс пластической деформации как неравновесный кинетический переход, приводящий к локализации пластического течения.В рамках этого подхода деформирующий материал рассматривался как система, способная генерировать диссипативные структуры, более эффективные по сравнению с движением одиночных дислокаций, в частности автоволны пластического течения. Это согласуется с результатами исследования дислокационных структур в пластическом течении. Так, например, авторы [92] установили закономерности зарождения новых дислокационных субструктур в процессе деформации и показали, что новая структура возникает на фоне старой и сопровождается ее деградацией.Важно, что появление новых подструктур соответствует изменению механизма деформационного упрочнения.
    3,6. Структура модели
    автоволнового пластического течения. Новый подход потребовал разработки модели самоорганизации, ориентированной на проблему пластичности твердых тел. Это согласуется с идеей Кадомцева [45], считавшего, что «при самоорганизации сложных открытых физических систем могут возникать тенденции к их расслоению на информационные и динамические подсистемы».

    Это утверждение согласуется с представлениями о конкуренции между автокаталитическими и демпфирующими факторами, обсужденными выше, и можно увидеть взаимосвязь между динамической и информационной подсистемами с ними. Поэтому, чтобы разработать модель, мы определяем специфику информационной и динамической подсистем в деформирующейся среде, имея в виду, что

    — Структура информационной и динамической подсистем должна быть тесно связана с процессами, которые управляют пластическим потоком,

    — Должен быть механизм взаимодействия подсистем такой мощности, чтобы события в одной подсистеме могли вызывать отклики в другой.

    Деформация включает упругие и пластические компоненты. Упругое состояние при номинальных (средних) напряжениях σном <σy характеризуется наличием в материале набора концентраторов напряжений с амплитудой σc >> σном, случайно распределенных по объему, что характерно для активной среды. При σnom> σy среда переходит в пластическое состояние, в котором часть концентраторов остается в состоянии ожидания, а другая часть релаксирует. Это учтено в двухкомпонентной модели пластичности, блок-схема которой показана на рисунке 6а.В этом случае динамическая подсистема образована набором релаксирующих концентраторов — актами релаксации элементарных пластических деформаций, где термически активированная релаксация (разрушение) концентратора рассматривается как элементарное событие пластического течения дислокационного сдвига, двойникования и т. Д. Подсистема включает набор упругих импульсов акустической эмиссии, генерируемых во время релаксационных событий. Состояние деформирующей среды в этой модели характеризуется блужданием акустических импульсов в системе концентраторов упругих напряжений.Накладываясь на поля упругого концентратора, они увеличивают вероятность релаксации пластических деформаций. Автоволновые режимы генерируются за счет взаимодействия динамической и информационной подсистем, обеспечиваемых, с одной стороны, генерацией импульсов акустической эмиссии в каждом релаксационном событии, а с другой — их поглощением жилыми концентраторами. Таким образом, в системе наблюдается либо спонтанная, либо вынужденная релаксация по условию σnom> σy; последнее вызвано активацией концентраторов жилых помещений импульсами акустической эмиссии [93,94,95].Сценарий пластического течения, показанный на рисунке 6b, включает два этапа. Прежде всего, преобразования в динамической подсистеме, то есть самопроизвольный или индуцированный пластический сдвиг (превращение ожидающего концентратора в расслабляющий и снова в жилой; точки A и B). После этого происходят преобразования в информационной подсистеме, то есть излучение акустического импульса в процессе разрушения концентратора (точка A ) и его поглощение другим жилым концентратором (точка C ).Затем эти шаги повторяются. Таким образом, два эффекта, обычно изучаемые отдельно, объединяются в двухкомпонентной модели. Первый эффект — это акустическая эмиссия, сопровождающая события пластического течения и обычно используемая для неразрушающего контроля состояния материала [93,96]. Второй эффект — это пластичность с акустической поддержкой, механизм которой, описанный в [94,95], состоит в пластификации материала путем приложения напряжений, колеблющихся с ультразвуковой частотой, на деформируемый объект. Очевидно, что описанный выше механизм возможен благодаря известному свойству нелинейно деформирующей среды генерировать гармоники при распространении упругого сигнала.В этом случае элементы среды могут быть связаны с этими гармониками [45]. Таким образом, в частности, если акустический сигнал, содержащий гармонику определенной частоты, генерируется в процессе разрушения концентратора напряжений A, такая гармоника может быть поглощена принимающим концентратором C аналогичной структуры и спектра с соответствующим увеличением влияние.
    3,7. Количественные оценки возможностей модели
    Сравним времена ожидания термически активированных релаксационных событий [64] в отсутствие акустического импульса (спонтанная релаксация)

    ϑsp≈ωD − 1exp (U0 − γσkBT),

    (19)

    и после его наложения (индуцированная релаксация)

    ϑind≈ωD − 1exp [U0 − γσ − δUackBT] ≈ωD − 1exp [U0 − γ (σ + εacE) kBT].

    (20)

    В этих уравнениях ωD — частота Дебая, U0 — потенциальный барьер, который необходимо преодолеть во время релаксации, γ≈b2l≈104b3 — активационный объем этого события [64], l — размер зоны сдвига, kB — постоянная Больцмана, Т — температура, Е — модуль упругости. С помощью расчетов по уравнениям (19) и (20) мы установили энтальпию активации процесса разрушения равной U0 − γσ ≈ 0,5 эВ [64], а акустический импульс с амплитудой упругой деформации εac уменьшает этот параметр на δU≈γεacE ≈ 0.1 эВ. Расчет для kBT≈ 1/40 эВ дает ϑsp≈ 5 × 10 −5 с и ϑind≈ 9 × 10 –7 с << ϑsp. Такие оценки объясняют принципиальную возможность ускорения пластического течения под действием акустических импульсов и подтверждают правильность модели. Уравнения (19) и (20) демонстрируют возможность индуцированного разрушения концентраторов напряжений. Представляется вероятным, что скорость динамики автоволны локализованной пластичности определяется временем роста зародыша пластичности из зародыша, который можно идентифицировать с прорастанием полосы Людерса через образец (τL≈10 с >> ϑsp, рисунок 7).Основная проблема в объяснении природы автоволн независимо от природы системы совмещает макроскопический масштаб автоволн с микромасштабом внутренних взаимодействий. В контексте разрабатываемой модели это можно объяснить следующим образом. Пусть сдвиг излучает импульс поперечных акустических волн с частотой ωm≈ 10 6 Гц, соответствующий максимуму спектра [93]. Как показано в [97], пройдя упругонапряженную область, такой импульс разбивается на две ортогонально поляризованные акустические волны, распространяющиеся со скоростями v1 и v2 ≠ v1.Разница между их длинами волн

    δL = L2 − L1≈v2 − v1ωm≈σ2 − σ12ωmρ0Vt

    (21)

    достигает ~ 10 –4 м при условии, что разница между главными нормальными напряжениями σ2 − σ1≈ 10 2 МПа в уравнении (21), плотность материала ρ0≈ 5 × 10 3 кг / м 3 , а скорость звука Vt ≈ 10 3 м / с. Вероятность активации нового сдвига увеличивается, когда максимумы σ2 совпадают в обеих волнах, то есть когда упругая энергия максимальна.Это соответствует условию L2 / δL≈λ≈ 10 –2 м, что близко к наблюдаемой длине автоволны и объясняет происхождение зародышей пластичности на расстоянии ~ λ от существующего фронта деформации за счет процесса. акустического инициирования деформации. Другой вариант оценки основан на анализе распространения акустического сигнала через фрагмент с неоднородной плотностью дислокаций типа существующего зародыша пластического течения (рис. 8а). Если плотность дислокаций в фрагменте уменьшается от ядра к периферии, внутренние напряжения σi≈Gbρd1 / 2 [6] распределяются неоднородно.Такой фрагмент можно рассматривать как акустическую линзу диаметром C. Вместе с зависимостью Vt ~ σi [60] это вызывает поворот плоского волнового фронта А – А, проходящего в этой области, на небольшой угол α.

    Волны из соседних областей, играющие роль линз, фокусируются на оси симметрии, где уровень упругих напряжений увеличивается, тем самым увеличивая вероятность событий релаксационной пластичности.

    Это инициирует образование нового очага деформации на том же расстоянии ~ λ от первоначального.Простой геометрический расчет, детали и обозначения которого поясняются на рисунке 8а, показывает, что

    λ≈C2sinα≈C2tanα≈1ΔVtδ / CVt≈C⋅C2δ⋅VtΔVt.

    (22)

    Количественно эффект удобно оценить для поликристаллического Al, скорость которого составляет Vt≈ 3⋅10 3 м / с, а экспериментально определенный диапазон ее изменения интервала пластической деформации, соответствующего стадии параболического упрочнения, ΔVt≤ 10 м / с [43]. Для размера фрагмента δ ≈ 10 –7 м и отношения C / 2δ ≈ 10 получаем λ ≈ 10 –2 м, что близко к наблюдаемому расстоянию между очагами локализованной деформации (длина автоволновой деформации).Поскольку λ >> C> b, можно считать, что уравнение (22) связывает микромасштаб дислокационных субструктур и макромасштаб автоволновой деформации. Возможен более простой вариант такой оценки. Поскольку скорость упругих волн зависит от деформации и дислокации обычно распределены неоднородно. Зону неоднородности размером ld можно рассматривать как акустическую линзу с радиусом кривизны R≈ld. Его фокусное расстояние ξ (рис. 8b) равно [49], где κ = V0 / V — показатель преломления звуковых волн в деформирующей среде.Из экспериментальных данных, представленных в [60], следует, что κ≤1.002 практически до разрушения; при деформировании Al R≈ld ≈ 10 –5 м. Тогда согласно уравнению (23) ξ≈λ≈ 5 × 10 –3 м. На этом расстоянии увеличивается вероятность разрушения концентратора напряжений и образуется новый очаг локализации деформации. Поскольку параметры κ и R определяются структурой материала, динамика зародышей деформации в пластическом потоке может управлять реорганизацией картины локализации автоволновой деформации.Дислокационные ансамбли с неоднородным распределением дефектов в объеме — фрагменты дислокаций, ячейки и т. Д. — могут играть роль акустических линз [4,7,98].

    В этих случаях варианты распространения и поведения макроскопических зон локализованной деформации могут быть вызваны изменением геометрии акустической линзы (параметры C и δ и их отношение C / 2δ) или распределения дислокаций при пластическом течении. Согласно уравнению (22) увеличение размера фрагмента инициирует рост λ и может вызвать движение зародыша пластического течения вдоль оси растяжения на стадии линейного деформационного упрочнения.

    Приведенные выше оценки показывают, что наиболее сложной проблемой физики пластического течения является возникновение макроскопических автоволновых масштабов ~ 10 –2 м в реальном деформируемом материале, структурные дефекты (дислокации) которого имеют гораздо меньший пространственный масштаб порядка вектора Бюргерса ~ 10 –10 м, находит непротиворечивое объяснение в контексте предложенной двухкомпонентной модели динамики локализованного пластического течения.

    4.3. Зависимая от скорости пластичность (включая ползучесть и вязкопластичность)

    Модель пластичности, зависящая от скорости, включает четыре варианта: Perzyna ([297]), Peirce et al.([298]), EVH ([245]) и Ананд ([159]). Параметры определяются через поле TB , RATE TBOPT команды RATE (где TBOPT = PERZYNA, PEIRCE, EVH и ANAND соответственно) и доступны с большинством современных технологий. элементы.

    Поведение материала при отверждении считается изотропным. Интегрирование материальных материальных уравнений основано на процедура обратного сопоставления (Simo and Hughes ([253])) для обеспечения соблюдения как напряжения, так и матрицы тангенциальной жесткости материала согласованы в конце временного шага.Типичное применение этого модель материала — это моделирование деформации материала при высокой деформации. скорость, например, удар.

    Опция Perzyna имеет следующий вид:

    (4–127)

    где:

    = эквивалентная скорость пластической деформации
    m = параметр скорости деформации упрочнения (вводится как C1 через команду TBDATA )
    γ = параметр вязкости материала (вводится как C2 через команду TBDATA )
    σ = эквивалентное напряжение
    σ o = статический предел текучести материала (определяется через TB , BISO или TB , команды NLISO)

    Примечание: σ o является функцией некоторого упрочнения параметры в целом.


    Поскольку γ стремится к , либо m стремится к нулю или стремится к нулю, решение сходится к статическому (не зависящему от скорости) решение. Однако для этого варианта материала, когда m очень мало (< 0.1), решение показывает трудности сходимости (Перик и Оуэн ([299])).

    Вариант Пирса имеет следующий вид:

    (4–128)

    Подобно модели Perzyna, решение сходится к статическое (не зависящее от скорости) решение, поскольку γ стремится к , либо m стремится к нулю, либо стремится к нулю.При небольшом значении m эта опция показывает гораздо лучшую сходимость, чем вариант PERZYNA (Peric и Оуэн ([299])).

    4.3.2.4. Опция по вязкопластичности Ананда

    Металл при повышенной температуре, например при горячей металлообработке проблемы, материальное физическое поведение становится очень чувствительным к скорость деформации, температура, история скорости деформации и температуры, деформационное упрочнение и разупрочнение. Систематический эффект всех эти сложные факторы могут быть учтены и смоделированы с помощью Ананда. вязкопластичность ([159], [147]).Вариант Ананда относится к категории группа унифицированных моделей пластичности, где неупругое деформирование относится ко всей необратимой деформации, которая не может быть просто или конкретно распадается на пластическую деформацию, полученную из не зависящей от скорости теории пластичности и часть возникла из-за эффекта ползучести. Сравнивать к традиционному подходу к ползучести вариант Ананда вводит один скалярная внутренняя переменная «s», называемая сопротивлением деформации , которая используется для представляют собой изотропное сопротивление неупругому течению материала.

    Хотя вариант Ананда изначально разрабатывался для металла формируя приложение ([159], [147]), тем не менее, он применим для общих приложений включая воздействие деформации и температуры, включая, но не ограничиваясь к таким, как анализ паяных соединений, ползучесть при высоких температурах и т. д.

    Скорость неупругой деформации описывается уравнением потока следующим образом:

    (4–129)

    где:

    = тензор скорости неупругой деформации
    = скорость накопленной эквивалентной пластической деформации

    S , девиатор Коши тензор напряжений, равен:

    (4–130)

    и q, эквивалентное напряжение, составляет:

    9113 9113
    –131)

    где:

    p = одна треть следа тензора напряжений Коши
    σ = тензор напряжений Коши
    I = идентичность второго порядка тензор
    «:» = внутреннее произведение двух тензоров второго порядка

    Скорость накопленной эквивалентной пластической деформации, , определяется следующим образом:

    (4–132)

    Эквивалентная скорость пластической деформации связана с эквивалентной напряжение q и сопротивление деформации, s, по:

    (4–133)

    A = константа с той же единицей измерения, что и скорость деформации
    Q = энергия активации с единицей энергии / объема
    R = универсальная газовая постоянная с единицей энергии / объема / температуры
    θ = абсолютная температура
    ξ = безразмерная скалярная постоянная
    s = переменная внутреннего состояния
    m = безразмерная постоянная

    Из уравнения 4–133 следует, что неупругая деформация возникает при любом уровне стресса (точнее, отклонения стресса).Эта теория отличается от других пластических теорий тем, что функции, в которых пластическая деформация развивается только при определенном напряжении уровень выше предельного напряжения.

    Изменение сопротивления деформации зависит от скорость эквивалентной пластической деформации и текущая деформация сопротивление. Это:

    (4–134)

    , где:

    a = безразмерная константа
    h
    с * = насыщение сопротивления деформации с единицей напряжения

    Знак, , определяется по:

    (4–135)

    Насыщение сопротивления деформации s * контролируется эквивалентная скорость пластической деформации следующим образом:

    (4–136)

    где:

    = постоянная с единицей измерения напряжения
    n = безразмерная постоянная

    Из-за , Уравнение 4–134 может учитывать как деформационное упрочнение, и смягчение деформации.Под смягчением деформации понимается уменьшение на сопротивление деформации. Происходит процесс смягчения деформации когда скорость деформации уменьшается или температура увеличивается. Такой изменения приводят к значительному снижению насыщенности s *, так что ток значение сопротивления деформации s может превышать насыщение.

    Материальные константы и их единицы, указанные для Ананда. опции перечислены в Таблице 4.3: Единицы измерения параметров материала для опции Ананд. Все константы должны быть положительным, кроме константы «а», которая должна быть равна 1.0 или больше. Скорость неупругой деформации в определении материала Анандом зависит от температуры и напряжения, а также от скорости загрузки. Выполняется определение параметров материала. путем аппроксимации кривой ряда данных напряжения-деформации при различных температурах и скорости деформации, как у Ананда ([159]) или Брауна и др. ([147]).

    Таблица 4.3: Единицы измерения параметров материала для опции Anand

    911 911 930 911 930 911 911 930 911 930 911 постоянная упрочнения / разупрочнения
    TBDATA Константа Параметр Значение Единицы
    1 с o Начальное значение деформации сопротивление стресс, e.грамм. psi, МПа
    2 Q / R Q = активация энергия энергия / объем, например кДж / моль
    R = универсальная газовая постоянная энергия / (объемная температура), например кДж / (моль — K
    3 A предэкспоненциальный множитель 1 / время, например 1 / сек
    4 ξ множитель напряжения безразмерный
    5 м скорость деформации чувствительность к напряжению безразмерная
    напряжение e.грамм. фунт / кв. дюйм, МПа
    7 коэффициент для значения насыщения сопротивления деформации напряжения напр. psi, МПа
    8 n чувствительность к скорости деформации значения насыщения (сопротивления деформации) безразмерный
    9 a деформация скоростная чувствительность упрочнения или размягчения безразмерная

    где:

    кДж = килоджоули
    K = кельвин

    Если h 0 устанавливается равным нулю сопротивление уходит, и вариант Ананда сводится к традиционному модель ползучести.

    Межфазная пластичность определяет чувствительность к скорости деформации и пластичность наноструктурированных металлов

    Реферат

    Нано-двойниковая медь демонстрирует необычное сочетание сверхвысокой прочности и высокой пластичности, а также повышенной чувствительности к скорости деформации. Мы разрабатываем механистическую основу для прогнозирования чувствительности к скорости и выяснения происхождения пластичности с точки зрения взаимодействия дислокаций с границами раздела. Используя расчеты пути атомистических реакций, мы показываем, что реакции передачи скольжения, опосредованные двойниковой границей, являются механизмами управления скоростью пластического течения.Мы связываем относительно высокую пластичность нанодвойниковой меди с упрочнением двойниковых границ, поскольку они постепенно теряют когерентность во время пластической деформации. Эти результаты дают представление о возможных средствах оптимизации прочности и пластичности с помощью межфазной инженерии.

    Нанокристаллические металлы с размером зерна менее 100 нм обычно демонстрируют до пяти раз более высокую прочность, чем их крупнозернистые аналоги, но страдают от значительно меньшей пластичности (1–3).Lu et al. (4–6) показали, что введение когерентных нанодвойников, обычно толщиной в десятки нанометров, в ультрамелкозернистую медь (с размером зерна несколько сотен нанометров) приводит к необычному сочетанию сверхвысокой прочности (≈1 ГПа) и высокая пластичность (удлинение до разрушения 14%). Характеристики пластической деформации нанокристаллических металлов ранее были рационализированы на основе ряда механизмов (7), включая скольжение по границам зерен (8, 9), вращение зерен (10) и диффузионную ползучесть (11).Эффективный экспериментальный метод исследования механизма активной деформации состоит в измерении чувствительности напряжения течения к скорости нагружения, , поскольку как индекс чувствительности м , так и связанный с ним активационный объем v * могут варьироваться на порядки величины. для различных процессов с ограничением скорости. Для гранецентрированных кубических металлов, таких как медь, измельчение зерна до нанокристаллического режима приводит к увеличению м на порядок величины по сравнению с микрокристаллическими металлами с размером зерна в диапазоне микрометров и сопутствующим уменьшением активации. volume v * на два порядка (14, 15).Нанодвойниковая медь демонстрирует те же характеристики повышенной скоростной чувствительности и уменьшенного активационного объема, что и нанокристаллическая медь без двойников (4, 5, 12, 13), даже когда средний размер зерна составляет несколько сотен нанометров. Однако он обеспечивает очень высокую прочность без серьезного снижения пластичности (4, 5).

    Обычно используемой моделью упрочнения для нанокристаллических металлов является соотношение Холла – Петча (7, 16), которое представляет собой масштабную функцию, связывающую прочность с размером зерна. Соотношение Холла – Петча основано на механизмах упрочнения (17) на внутренних границах раздела, которые распространяются в нанокристаллах.Однако это ничего не говорит о пластичности. Чтобы смоделировать пластичность, необходимо пересмотреть подробные физические процессы на границах раздела материалов, в частности те, которые связаны с дислокациями, которые являются носителями пластической деформации. Дислокационные процессы на внутренних границах раздела обычно включают передачу скольжения от одной системы неупругого сдвига к другой (18–21). Различные экспериментальные наблюдения, включая просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения, показывают, что участие объемных дислокаций необходимо для пластической деформации большинства нанокристаллических металлов при низких температурах (13).Обоснование состоит в том, что для поддержания общей пластичности при низкой температуре необходимы пять независимых систем неупругого сдвига, которыми могут быть объемное скольжение, объемное двойникование, скольжение ГБ, миграция ГБ и т. Д. Механизмы, такие как скольжение или миграция ГБ, хотя и предпочтительны на местном уровне [ представимые движением дислокаций ГБ (22, 23)], обычно геометрически недостаточны для поддержания общей пластичности сами по себе. Вклад объемной дислокации требуется в отсутствие диффузии посредством таких процессов, как передача объемной дислокации через ГБ, скольжение за счет эмиссии объемных дислокаций в тройных стыках ГБ и т. Д.Эти процессы можно назвать «реакциями передачи скольжения», потому что векторы Бюргерса (степени геометрической несовместимости) объемных или GB дислокаций должны сохраняться между реагентом (ами) и продуктом (ами). Для общего обсуждения, по крайней мере, один из реагентов или продуктов должен быть объемной дислокацией. Рассмотрим ГБ, разделяющие объемные кристаллы 1 и 2. Простейшие реакции переноса скольжения являются бинарными: поглощение объемной дислокации в ГБ с превращением в ГБ-дислокацию b bulk1 b GB или реакция обратной десорбции b GB b навалом2 ; но также распространены тройные реакции, такие как b bulk1 b bulk2 + b GB или b GB1 b GB2 + 9 b b bulk.

    Здесь мы моделируем несколько прототипов реакций передачи скольжения, как бинарных, так и тройных, вблизи границы Σ3 {111} двойников (TB) (сингулярный GB) (24, 25) с помощью атомистических расчетов пути реакции (26, 27). Используемый нами метод, метод эластичной ленты с натягивающимся изображением (CINEB) (28), представляет собой атомистический подход цепочки состояний (29), который не страдает от жестких ограничений скорости деформации, связанных с моделированием молекулярной динамики. Было показано, что он чрезвычайно полезен для количественной оценки термически активируемых скоростных процессов (26, 27), т.е.е. атомистически рассчитанные энергию активации и объем активации можно напрямую сравнить с лабораторными экспериментами, проводимыми в масштабе времени в секунды или часы. Мы внесли важное улучшение в исходный метод CINEB, допустив подвижное конечное состояние, как подробно описано в методах . Благодаря этому усовершенствованию эффективность вычислений значительно повышается для точной характеристики седловых точек наномеханических процессов.

    Результаты и обсуждение

    Рассмотрим винтовую дислокацию 〈11̄0〉, показанную на рис.1 a и b , первоначально в верхней половине бикристалла чистой меди (объем 1), подвергнутого действию антиплоскостного напряжения сдвига, которое толкает его к TB. Учитывая заданную деформацию сдвига γ, мы сначала получаем расслабленную атомную конфигурацию, используя одноточечную минимизацию энергии. При γ = 0,02 ведущая частичная дислокация Шокли удерживается прямо у ТБ, а за ней следует задняя частичная дислокация Шокли ≈4 b . Разрешенное напряжение сдвига в дальней зоне составляет τ = 252 МПа ≈ 0.006 G , где G = 42 ГПа — модуль сдвига {111} 〈11̅0〉. Мы также находим из одноточечных расчетов, что, когда τ больше, чем атермическое пороговое напряжение для передачи τ tms ath = 340 МПа, дислокация проходит через ТВ в объем 2 без помощи термической активации. Это согласуется с экспериментально измеренным пределом текучести σ ∼ 1 ГПа нанодвойниковой меди при комнатной температуре, поскольку коэффициент преобразования M ≈ 3.1 (фактор Тейлора) между макроскопическим растягивающим напряжением σ в поликристалле и разрешенным напряжением сдвига в системе скольжения (30). Расчетное пороговое атермическое напряжение для поглощения также очень близко к 340 МПа.

    Рисунок 1.

    Атомистическое моделирование опосредованных границей раздела реакций переноса скольжения. ( a ) Симметричный бикристалл Cu с когерентным TB в середине, подвергнутый антиплоскому сдвигу. Бикристалл разрезают, чтобы обнажить пару симметричных плоскостей скольжения (111), наклоненных под углом θ = 70.5 ° по отношению к ТБ. ( b ) Схема двух конкурирующих путей реакции переноса скольжения, обнаруженных на основе расчетов CINEB. Первый путь представляет собой двухэтапный процесс, включающий абсорбцию входящего винта в TB с последующей десорбцией. Второй предполагает прямую передачу винта по ТБ. ( c ) Атомные конфигурации абсорбции, десорбции и прямой передачи; для каждого состояния показаны два представления. Атомы имеют цветовую кодировку в соответствии с параметром центральной симметрии, показывая дефект упаковки и TB.

    Мы исследуем кинетические пути реакции передачи скольжения с помощью метода CINEB, когда приложенное напряжение сдвига ниже атермического порога. Два конкурирующих пути идентифицированы, как показано на фиг. 1 b , с соответствующими атомными конфигурациями, показанными на фиг. 1 c . Первый путь представляет собой двухэтапный процесс, включающий абсорбцию поступающей винтовой дислокации в ТВ с последующей десорбцией. Из-за особой геометрии в TB не остается остаточного содержимого вектора Бюргерса после двух шагов.Мы обнаружили, что и абсорбция, и десорбция происходят по механизму поперечного скольжения типа «Фриделя – Эскейга» (31), где две частичные части сначала сжимаются до полной винтовой дислокации, а затем распространяются на TB (абсорбция) или объем 2 (десорбция). ). Напротив, второй путь включает прямую передачу входящей винтовой дислокации посредством поперечного скольжения типа «Флейшера» (32), когда ведущая часть проникает в объем 2, не дожидаясь, пока задняя часть еще находится в объеме 1. Этот процесс временно оставляет сидячий вывих стержня лестницы на TB, который освобождается только тогда, когда задняя часть его догоняет.Таким образом, ТБ действует как сток или источник дислокаций, а также как барьер против прямой передачи.

    Согласно теории переходного состояния, скорость реакции передачи скольжения определяется выражением v exp (- Q / k B T ), где v — частота попыток, Q — энергия активации, k B — постоянная Больцмана, а T — температура. Мы вычислили энергию активации Q , связанную с каждой седловой точкой.При τ = 252 МПа расчет CINEB дает Q abs = 0,49 эВ (поглощение) и Q tms = 0,67 эВ (прямое пропускание) соответственно. Напротив, барьер десорбции Q des намного выше, со значением> 5 эВ. Большое значение Q des возникает из-за того, что чистые ТБ являются очень глубокими ловушками для винтовых дислокаций. В частности, в отличие от случая, когда они находятся в объеме, эти частичные Шокли в TB не связаны энергией дефекта упаковки, потому что их векторы Бюргерса совпадают с решеткой полного сдвига смещения (DSC) TB.При наложении периодических граничных условий на моделирующую суперячейку два TB Shockley всегда разделяются ровно на половину ширины суперячейки, чтобы минимизировать их упругую энергию. В действительности, однако, они разойдутся до бесконечности на бесконечном чистом TB (и одновременно TB переместится на один атомный интервал в 〈111〉). Таким образом, большая энергия активации необходима для сжатия двух широко разделенных частиц TB Shockley во время десорбции.

    Чтобы продемонстрировать, что опосредованные TB реакции переноса скольжения действительно являются этапами пластического течения, регулирующими скорость, мы затем вычисляем истинный активационный объем, Ω ≡ −∂ Q / ∂τ, который можно принять как кинетическую сигнатуру деформации. механизм (33, 34).Находим Ω abs ≈ 43 b 3 при τ = 252 МПа. Аналогично рассчитываем Ω tms ≈ 79 b 3 для прямой передачи. Эти истинные активационные объемы из атомистических расчетов выгодно отличаются от экспериментально измеренных кажущихся активационных объемов. v * ≡3kBT∂lnε̇ / ∂σ ≈10–20 b 3 для нанодвойниковой меди (13). Здесь ε̇ обозначает скорость деформации при растяжении; имеется коэффициент преобразования 3 / M относительно Ω к v *.Подводя итог, наш атомистический расчет предсказывает следующие макроскопические свойства: σ = M τ = 780 МПа, v * = Ω3 / M = 24−44b3, m = 3kBT / v * σ = 0,013−0,023, при лабораторной скорости деформации. что соответствует Q ≈ 0.49–0.67 эВ. Этот прогноз без параметров предназначен для идеализированной ситуации, когда ТБ идеальна без ранее существовавших дислокаций, ρ int = 0, а двойные ламели достаточно тонкие (≈10 нм), так что только одна объемная дислокация может быть остановлена ​​в ТБ. в заданное время (без pileup).Насколько нам известно, это первый атомистический расчет, который предсказывает разумную зависимость напряжения течения от скорости деформации, которую можно напрямую сравнить с лабораторными экспериментами (Таблица 1). Для контраста в таблице 1 также показаны результаты классических теорий, основанных на процессах, контролируемых диффузией, и объемном упрочнении леса. Они явно исключены как возможные механизмы. Результат расчета, согласно которому Q abs ниже, чем Q tms на ≈0,2 эВ, предполагает, что поглощение более важно, чем прямая передача вблизи чистого TB (21).Наконец, мы отмечаем, что, хотя количественные предсказания настоящего моделирования находятся в разумном согласии с экспериментальными результатами, эти числа следует рассматривать как индикаторы тенденций, а не как точные предсказания.

    Таблица 1.

    Сравнение предела текучести, активационного объема и чувствительности к скорости деформации между экспериментальными измерениями и атомистическим расчетом

    Кинетические скорости реакций передачи скольжения будут динамически изменяться с накоплением дислокаций в ТВ.В частности, предполагая одну и ту же частоту попыток ν для разных реакций, более низкое значение Q abs дает более высокую кинетическую скорость абсорбции по сравнению с таковой десорбции. Несбалансированность скорости абсорбции и десорбции вызовет накопление межфазных дислокаций (см. Рис. 2). Накопленные дислокации TB, в свою очередь, будут влиять на энергии активации из-за дислокационно-дислокационных взаимодействий. Согласно принципу Ле Шателье, следует ожидать, что это подавит последующую абсорбцию, усилит десорбцию и изменит скорость прямой передачи, так что в конечном итоге в TB будет достигнуто квазистационарное состояние реакций.

    Рис. 2.

    Изображение, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии, показывает скопление дислокаций TB. Грубое рассмотрение дискретных процессов атомного масштаба с течением времени устанавливает кинетическое уравнение ADT. [Электронная микрофотография воспроизведена с разрешения исх. 6 (Copyright 2006, Elsevier).]

    Мы крупнозернисты с течением времени вышеупомянутые процессы атомного масштаба, чтобы установить кинетическое уравнение поглощения-десорбции-передачи (ADT), показанное на рис. 2, где ρ int обозначает плотность дислокаций TB, определяемую как общая длина туберкулезных вывихов на единицу площади туберкулеза.Вообще говоря, Δρ int количественно определяет вызванную деформацией геометрическую несовместимость, захваченную на границе раздела, по отношению к предварительно сформированному состоянию. J tms — поток дислокаций прямой передачи от объема 1 к 2, J abs — поток дислокаций прямой передачи от объема 1 к TB, а J des — поток дислокаций прямая передача от TB к объему 2. Уравнение ADT обычно должно служить граничным условием для моделей пластичности кристаллов, основанных на объемной плотности дислокаций (ρ bulk ) (35).Однако для нанокристаллических металлов роль объемной пластичности кристаллов будет значительно уменьшена, поскольку дислокации редко остаются внутри объема, а либо поглощаются, либо накапливаются рядом с ГЗ. Соответственно, заметно усиливается роль процессов межфазной пластичности как регуляторов объемных потоков дислокаций и самих носителей пластической деформации (36). В нанодвойниковой меди двойные ламели могут быть аппроксимированы как прозрачные (безбарьерные) для потока объемных дислокаций, если их толщина <10 нм (4, 13).Основное сопротивление пластическому течению исходит от ТБ, что, как показано в этой работе, дает удовлетворительную оценку макроскопического предела текучести. Экспериментально (24) было показано, что когерентные ТВ в Cu действительно могут оказывать локальное сопротивление на уровне ГПа против проскальзывания 16 дислокаций типа 〈112〉.

    Скорость передачи Дж tms (τ, ρ int ) пропорциональна exp (- Q tms (τ, ρ int ) / k B T ) и аналогичные формы верны для J abs (τ, ρ int ) и J des (τ, ρ int ).Чувствительность Q (τ, ρ int ) и, следовательно, J (τ, ρ int ) к их первому аргументу напряжения сдвига τ определяется активационным объемом, который мы обсуждали выше. Чувствительность Q (τ, ρ int ) и J (τ, ρ int ) ко второму аргументу ρ int также оказывается критической величиной и в конечном итоге может быть связана с пластичностью. . Здесь мы сначала выделяем физические последствия этой зависимости, а затем представляем расчеты зависимости ρ int от энергии активации Q .Определим скорость поверхностного упрочнения как Π ≡ −∂ J / ∂ρ int | τ , который описывает упрочнение ТВ по мере того, как он становится менее когерентным с большим количеством размещенных в нем межфазных дислокаций. Если предположить, что в макроскопическом пределе текучести нанокристалла доминирует межфазное сопротивление движению дислокаций (суть соотношения Холла – Петча (7, 9)), то должно быть правдоподобным, что скорость макроскопического деформационного упрочнения Θ ≡ ∂ σ / ∂ε | ε̇ [или его отсутствие (5)] также в большой степени отражает скорость поверхностного твердения или ее отсутствие.Таким образом, можно ожидать линейной зависимости между Θ и Π. важен, потому что он напрямую определяет пластичность большинства нанокристаллических металлов, которые разрушаются из-за сильной локализации пластической деформации (5, 37). Чем выше Π и, следовательно,, тем лучше пластичность и больше диапазон равномерного удлинения, поскольку, согласно критерию Харта (38), <(1 - м ) σ для инициирования локализации пластической деформации (5, 39).

    Наши атомистические расчеты показывают, что активационные барьеры Q (τ, ρ int ) TB-опосредованных реакций передачи скольжения чувствительно зависят от ρ int .Рассмотрим для примера процесс абсорбции. Вводя дополнительную пару дислокаций Шокли в TB, мы обнаруживаем, что Q abs увеличивается с 0,49 до 1,01 эВ при идентичном напряжении в дальней зоне τ = 252 МПа (см. Рис. 3). Точно так же барьер прямой передачи Q tms увеличивается с 0,67 до 1,3 эВ. Таким образом, ρ int существенно влияет на Q (τ, ρ int ). Как правило, мы обнаруживаем, что по мере увеличения ρ int увеличиваются как Q abs (τ, ρ int ), так и Q tms (τ, ρ int ), но Q des (τ, ρ int ) уменьшается, так что в конечном итоге динамическое установившееся состояние может быть установлено в кинетике ADT, и ρ̇ int → 0.

    Рис 3.

    Поглощение винтовых дислокаций под действием уже существующих ТВ-дислокаций. Состояние равновесия до поглощения показано в a и b ; переходное состояние показано в c . Атомы имеют цветовую маркировку инвариантом Мизеса локальной деформации (вычитая среднюю деформацию) в a , демонстрируя упругое взаимодействие входящего винта с двумя частями Шокли TB и параметром центральной симметрии ( b и c ).Обратите внимание, что TB переместился на один шаг после поглощения двух дислокаций TB Шокли.

    Однако реальная ситуация намного сложнее. Вместо нынешней схемы, где вектор Бюргерса лежит в плоскости TB, входящие и исходящие дислокации могут нести чистый вектор Бюргерса с компонентами вне плоскости (18, 20, 21), а также оставлять остаточные дислокации на TB. после передачи. Поэтому мы ожидаем, что двумерная межфазная сеть дислокаций разовьется на TB во время общей деформации, и в этом случае потоки ρ int и J должны быть тензорными величинами (35), а не скалярами.Кроме того, межфазные дислокации движутся и реагируют на границе раздела, а также «просачиваются» в тройные стыки, что приводит к появлению дополнительных членов в кинетических уравнениях ADT. Тем не менее, можно сделать следующие общие замечания. Деформационное упрочнение (33) в объеме подчиняется закону ρ в объеме 1/2 , который может быть рационализирован на основе масштабного аргумента управляющей шкалы длины, расстояния между дислокациями леса L ∝ ρ в объеме −1 / 2 . Тот же масштабный аргумент должен быть применим к межфазному дислокационному упрочнению (40).Обратите внимание, что основной масштаб длины L теперь равен ∝ ρ int −1 , потому что межфазные сети дислокаций являются двумерными, потому что они заключены внутри ГБ и могут уплотняться только в плоскости. Тогда имеем закон межфазного упрочнения σ = σ 0 ( d ) + h ( d ) μ b ρ int , где h безразмерен и зависит только от размера зерна, и μ обозначает модуль сдвига поликристаллического образца. Подобно объемному деформационному упрочнению, по мере того, как регулирующая шкала длины L (шаг ячеек межфазной сети дислокаций) уточняется, материал должен затвердеть, а активационный объем должен уменьшиться (при той же скорости деформации) по сравнению с ρ int = 0 ценности.Таким образом, наши прогнозы σ и v *, основанные на расчетах при ρ int = 0, кажутся «ошибочными» с правой стороны по сравнению с экспериментами.

    Предложенный закон упрочнения σ = σ 0 ( d ) + h ( d ) μ b ρ int , определяющий межфазную пластичность, должен хорошо работать для малоугловых ГЗ, а также ГЗ близких до специальных границ, когда ρ int (плотность кристаллографических выступов на ГБ) мала. Однако по мере того, как ρ int увеличивается до точки, где межфазные ядра дислокаций начинают перекрываться, должно наступить насыщение, подобно выходу на плато энергии ГЗ при большом угле разориентации (41).Тогда скорость затвердевания ГЗ Π приближается к нулю. Этим можно объяснить в целом плохую пластичность обычных нанокристаллов, полученных консолидацией порошка или электроосаждением, поскольку большинство их ГЗ имеют большой угол (37). Следовательно, мала, и поэтому сборка зерен подвержена локализации пластической деформации. Напротив, медь с нанодвойниковой структурой имеет превосходное равномерное удлинение, потому что ТВ представляют собой единичные интерфейсы †† и гораздо более упрочняемы, когда они постепенно теряют когерентность во время деформации.Это приводит к увеличению скорости деформационного упрочнения и, как следствие, к задержке начала образования шейки (5), что приводит к улучшенной пластичности при растяжении.

    Таким образом, настоящая структура моделирования расширяет временную шкалу атомистического моделирования, чтобы обеспечить механистическое понимание роли границ двойников как наноструктурных особенностей, которые критически влияют на прочность, чувствительность к скорости и пластичность. Расчет пути реакции имеет решающее значение для количественной оценки реалистичной энергии активации и активационного объема трехмерных реакций передачи скольжения, так что можно установить количественную связь между атомистическим моделированием и экспериментальными измерениями (таблица 1).Представленный здесь атомистический подход является общим в том смысле, что он потенциально способен выявить эффекты межфазной структуры, упругой анизотропии, энергии дефекта упаковки и кристаллической структуры, хотя настоящие результаты касаются в основном нанодвойниковой меди. Наше исследование далее подчеркивает тот существенный факт, что границы раздела в процессе деформации развиваются вместе с объемом: уравнение ADT представляет собой минимальное описание динамики эволюции внутренних состояний границ раздела, которые сильно влияют на активационные барьеры процессов межфазной пластичности. .Результаты, представленные в этой работе, раскрывают механистические основы компромиссов между прочностью и пластичностью в пластически деформируемых материалах и указывают на возможные пути оптимизации прочности и пластичности наноструктурированных металлов посредством контролируемого введения когерентных внутренних поверхностей раздела.

    Методы

    Ячейка моделирования состояла из симметричного бикристалла Cu с когерентным Σ3 {111} TB в середине. Размер ячейки составлял 8,9 нм × 11,8 нм × 7,7 нм (17,7 нм × 11,8 нм × 15.3 нм), всего N a = 56 400 (225 600) атомов; все указанные значения были рассчитаны с использованием большой ячейки, хотя в большинстве случаев малая ячейка обеспечивала удовлетворительную энергетику. Периодические граничные условия были наложены как в направлениях 〈112〉, так и 〈110〉, со свободным пространством над верхней и под нижней (111) поверхностями. Как показано на рис. 1 и , в соседнем бикристалле пара симметричных (111) плоскостей скольжения была наклонена на θ = 70,5 ° по отношению к плоскости двойника, и они пересекались по общей линии в ТВ.Мы исследовали реакции передачи скольжения между этой конкретной парой плоскостей скольжения, а также между любой из них и ТВ. Мы рассматривали прямую дислокацию, которая встречает ТБ в винтовой ориентации, т. Е. Вектор Бюргерса параллелен пересечению плоскости скольжения и ТБ. Этот винт может поперечно проскальзывать, не оставляя каких-либо остаточных материалов (например, дислокации лестничного типа) на пересечении плоскости скольжения в TB. Межатомные взаимодействия моделировались с использованием потенциала метода погруженного атома (EAM) для Cu по Mishin et al. (43), который был подтвержден расчетами ab initio (44). Энергия дефекта упаковки, определяемая потенциалом, составила 44,4 мДж / м 2 , что близко к экспериментальному измерению 45 мДж / м 2 . Напряжение, действующее на ячейку моделирования, рассчитывалось по формуле Вириала (44).

    Мы количественно оценили TB-опосредованные реакции передачи скольжения, используя атомистические расчеты пути реакции (26, 27, 45). При заданном напряжении сдвига метод CINEB использовался для определения минимального энергетического пути (MEP) реакции.Энергия активации задается максимумом на MEP, седловой точке на поверхности потенциальной энергии системы. В расчете CINEB сначала определяются два конечных состояния, затем дискретизированная эластичная лента, состоящая из конечного числа реплик системы (узлов), строится путем линейной интерполяции для соединения двух состояний. При соответствующей релаксации полоса сходится к MEP. В наших расчетах реакций дислокации-TB, например прямой передачи, мы выбрали начальное состояние, когда винтовая дислокация в верхнем кристалле была полностью релаксирована и удерживалась в TB, и конечное состояние, когда дислокация перекрестно соскользнула в нижний кристалл, но до достижения полностью расслабленного состояния, когда он выходит из кристалла.

    Ниже описан метод CINEB на стороне пользователя. Чтобы расслабить эластичную ленту, мы улучшили оригинальный метод CINEB (28), допустив подвижное конечное состояние, сохранив при этом его энергию неизменной. Концевой узел (28) R N теперь перемещается согласно силе где V ( R N ) — это потенциальная энергия, а k N — «сила пружины», на которую воздействует узел R N −1 узел R N .После этого полоса могла «качаться», но конечный узел был бы ограничен контуром потенциальной энергии (чтобы усилить это ограничение численно, мы также выполнили квазиньютоновский шаг после одного шага релаксации уравнения 1 ). Таким образом, можно удерживать подвижное конечное состояние близко к состоянию седловой точки. В наших расчетах энергия конечного состояния была зафиксирована на 0,1 эВ ниже начального состояния, разделенного барьером. В результате количество реплик вдоль полосы может быть значительно уменьшено при сохранении разумной плотности реплик около состояния седловой точки, т.е.g., достаточно семи реплик для получения сходящейся седловой точки. Можно доказать, что когда алгоритм свободного конца сходится, полоса проходит вдоль MEP, даже если конечное состояние не является локальным минимумом.

    Истинный активационный объем Ω ≡ −∂ Q / ∂τ связан с чувствительностью к скорости деформации, которую можно измерить экспериментально. Физически Ω пропорционально количеству атомов, которые претерпевают когерентные неупругие смещения в седловой точке. Мы можем вычислить Ω, вычислив две седловые энергии при немного разных напряжениях и затем выполнив численное дифференцирование, но есть также вторая приближенная оценка, основанная на теории возмущений (45), которая не требует двух вычислений, Ω ≈ Ω xtal i — τ s ) / G , где Ω xtal — объем бикристалла, G — модуль сдвига {111} 〈110〉, а τ i , τ s — Вириальное напряжение сдвига исходного состояния и состояния седловой точки, соответственно, когда нагрузка прикладывается посредством управления смещением одинаково на всех репликах MEP.

    Благодарности

    Мы благодарим профессора В. А. Куртина за проницательные комментарии к рукописи. T.Z. поддерживается Школой машиностроения Вудраффа Технологического института Джорджии. J.L. и A.S. поддерживаются грантом Национального научного фонда DMR-0502711, грантом Управления военно-морских исследований N00014-05-1-0504, Управлением научных исследований ВВС США, грантом Министерства энергетики США, грантом Национальной лаборатории энергетических технологий DE-AM26-04NT41817 и Фондом Огайо. Суперкомпьютерный центр.H.G.K. благодарит программу BK21 Министерства образования Кореи (за поддержку работы в Государственном университете Огайо) и профессора Хьюка Мо Ли (Корейский передовой институт науки и технологий) за поддержку и поддержку. S.S. благодарит за поддержку исследовательскую инициативу Университета обороны по нанотехнологиям (устойчивые к повреждениям и отказам наноструктуры и межфазные материалы), которая финансируется Массачусетским технологическим институтом грантом N00014-01-1-0808 Управления военно-морских исследований.

    Сноски

    • Вклад авторов: T.Z., J.L. и S.S., разработанные исследования; T.Z., J.L., A.S., H.G.K. и S.S. проводили исследования; и T.Z., J.L. и S.S. написали статью.

    • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

    • ↵‖ Рассмотрим поликристаллический образец при одноосном растяжении, эмпирическая степенная зависимость между напряжением σ и скоростью деформации ε̇ составляет σ / σ 0 = (ε̇ / ε̇ 0 ) м , где м — безразмерный показатель скоростной чувствительности, а ε — истинная (логарифмическая) деформация.Кажущийся (растягивающий) активационный объем v * обычно определяется как v * ≡3kBT∂lnε̇ / ∂σ. Индекс чувствительности m тогда связан с v * соотношением m = 3kBT / (σV *); как м, , так и v * обеспечивают количественные измерения чувствительности напряжения потока к скорости нагружения (12, 13).

    • ↵‖ Предполагая, что объем 100% прозрачен для потока дислокаций, скорость деформации системы ε̇ прямо пропорциональна Дж : ε̇ = aJ .Θ описывает необходимое увеличение напряжения для поддержания постоянной скорости деформации: Θ ≡ ∂σ / ∂ε | ε̇ , а Π описывает уменьшение скорости деформации, если напряжение остается постоянным. Если принять ρ int = c ε, тогда можно показать, что Θ = c Π Mk B T / J Ω.

    • ↵ †† Эти интерфейсы называются сингулярными или особыми, потому что они проявляются в виде каспов на графике зависимости энергии ГЗ γ от угла разориентации θ.Рид и Шокли (42) вывели формулу γ ∝ | θ — θ 0 | log | θ — θ 0 |, который имеет особенность при особой разориентации θ = θ 0 , что указывает на максимальную чувствительность там. Для небольших изменений θ из специального расположения есть ρ int ∝ θ — θ 0 и γ ∝ ρ int log ρ int , что является сингулярным при ρ int = 0.

    Сокращения

    ADT,
    абсорбция-десорбция-пропускание;
    CINEB,
    карабканье изображение подталкиваемая резинка;
    GB,
    граница зерна;
    ТБ,
    двойная граница.
    • Поступило 15 октября 2006 г.
    • © 2007 Национальная академия наук США

    Роль упругопластичности в форме каверн и добыче песка в нефтяных и газовых скважинах | SPE Journal

    Предыдущие экспериментальные наблюдения показали формирование четких структур разрушения и форм полостей при различных напряжениях и условиях потока. При изотропном напряжении вероятно образование спиральных структур разрушения с локализованными полосами сдвига.С другой стороны, при анизотропном напряжении обычно наблюдаются полости V-образной формы, полости в виде собачьего уха или полости с щелевым режимом. Однако механизмы развития этих шлифовальных полостей до конца не сформулированы. Кроме того, для точного прогнозирования начала шлифования и прогнозирования дебита песка крайне важно уловить физику образования этих полостей во время добычи песка.

    В этой статье представлена ​​полностью связанная поро-эластопластическая трехмерная модель добычи песка для прогнозирования добычи песка вокруг необсаженных и перфорированных стволов скважин в слабо консолидированном пласте.Критерии шлифования основаны на сочетании разрушения при сдвиге, разрушения при растяжении и разрушения при сжатии в соответствии с теорией Мора-Кулона и деформационным упрочнением / разупрочнением. После того, как критерии отказа выполнены, алгоритм уноса песка, основанный на расчете гидродинамических сил, реализуется для прогнозирования эрозии и переноса песка. Реализовано динамическое уточнение сетки для эффективного захвата областей локализации деформации.

    Модель была подтверждена несколькими аналитическими решениями.Кроме того, он применяется для сравнения с предыдущими экспериментами по добыче песка, в которых исследовались различные формы каверн, образующихся в разных условиях. Модель способна не только объяснять механизмы, ответственные за каждый тип формы полости, но также предсказывать форму полости, которая будет сформирована при определенных условиях. Параметрические исследования для этих случаев дают дополнительное представление о важной роли, которую играют поро-эластопластические свойства песка после текучести в управлении механизмами шлифования и развитием каверн.

    About Author


    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *