Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
6.05 Mб
Скачать

чала разгрузки. Минимальный диаметр образцов в «шейке» после разгрузки составлял от 6,2 до 6,3 мм. Затем образцы с «шейкой» протачивались по всей длине рабочей части до диаметра рабочей части 6,0 мм, после чего испытывались на одноосное растяжение при той же скорости деформирования

(

0

1,67 10 3

c 1 ) до полного разрушения.

 

 

 

В результате испытаний трех образцов получены диаграммы, одна из которых приведена на рис. 6.6 (кривая 2'). Зона локализации пластических деформаций в исходном образце формировалась в центральной области рабочей части (фотография 2, рис. 6.6), однако на образцах после проточки и повторного деформирования «шейка» образовывалась на одном из краев рабочей части (фотография 2', рис. 6.6).

Необходимо отметить, что максимальное напряжение для образцов после проточки (кривая 2´ рис. 6.6) превышало максимальное напряжение, зарегистрированное при испытании исходных образцов (кривые 1 и 2, рис. 6.6). Отношение максимальной нагрузки в испытаниях к текущей минимальной площади поперечного сечения позволяет получить значения напряжений, отличающиеся не более чем на 5 %. При этом, как отмечено ранее, остается пока открытым вопрос расчета деформаций.

При совместном использовании испытательной системы, бесконтактной трехмерной оптической видеосистемы и метода корреляции цифровых изображений получены опытные данные о конфигурации неоднородных полей деформаций в зоне «шейки» при растяжении плоских и цилиндрических образцов сталей на закритической стадии деформирования. Рассмотрены вопросы интерпретации диаграмм растяжения, полученных на образцах различной длины, с учетом локализации пластических деформаций и изменения геометрии рабочей части.

Проведена оценка деформационных и прочностных характеристик материала образца после образования «шейки» в испытаниях по схеме «образец из образца». Отмечено, что на образцах

131

после проточки и повторного нагружения локализация деформаций инициировалась на одном из краев рабочей части, в то время как при первоначальном растяжении «шейка» формировалась в центральной части образцов.

6.2. Экспериментальное изучение процессов деформирования и разрушения тел

с концентраторами различной геометрии и выявление зон закритического деформирования материала

Необходимость повышения несущей способности ответственных элементов конструкций с одновременно возрастающими требованиями к их материалоемкости приводит к актуальности прогнозирования процессов разрушения деталей и анализа возможных сценариев их протекания, что требуется для обеспечения живучести и техногенной безопасности изделий и сооружений в аварийных ситуациях. Для этого необходимо решение задач конструкционной прочности на основе моделирования процессов деформирования и разрушения материалов с учетом реальных условий эксплуатации. С точки зрения более полного использования деформационных резервов и повышения живучести элементов конструкций важен анализ механического поведения материалов на стадии закритического деформирования, которая непосредственно предшествует моменту разрушения.

Необходимость фундаментального изучения поведения материалов на закритической стадии отмечена в работах [87, 97]. К настоящему времени разработаны основы математической теории процессов устойчивого закритического деформирования разупрочняющихся сред [26, 74], получены экспериментальные данные о закритическом поведении конструкционных сталей и сплавов при различной температуре и видах напряженно-деформированного состояния [24, 85, 86, 88–101], а также условиях нагружения [76]. Проведено сопоставление критериев перехода процесса деформи-

132

рования на закритическую стадию при различных видах напря- женно-деформированного состояния [75]. Получены аналитические и численные решения краевых задач, иллюстрирующие реализацию резервов несущей способности и повышения живучести конструкций и тел с трещинами с учетом закритического дефор-

мирования материалов [28, 81, 82, 84, 102, 103].

Представляет практический интерес изучение закономерностей реализации закритической стадии деформирования при испытаниях не только гладких образцов при различных видах на- пряженно-деформированного состояния, но и элементов конструкций, когда закритическое поведение может наблюдаться как на уровне обобщенных диаграмм «нагрузка-перемещение» для элемента конструкции в целом, так и в виде возникновения зон закритического деформирования в области концентраторов. При изучении неоднородных полей перемещений и деформации на телах с концентраторами целесообразно применение оптических методов экспериментальной механики, в частности современного перспективного метода корреляции цифровых изобра-

жений [94, 104].

С целью экспериментального исследования закономерностей неупругого поведения материала, процессов деформирования и разрушения тел с концентраторами напряжений, а также выявления зон закритического деформирования проведена серия механических испытаний на одноосное растяжение опытных образцов конструкционной углеродистой стали 20. Стандартные образцы в форме двухсторонних лопаток (длина рабочей части l0 100 мм,

ширина b0 20 мм) и пластины с концентраторами различной

геометрии (с одиночным круговым и ромбовидным вырезом, с центральной проточкой) изготовлены методом гидроабразивной резки из листового проката стали 20 толщиной h0 3 мм в состоя-

нии поставки, дополнительная термообработка не осуществлялась. При испытании пластин их геометрические параметры были следующими: длина рабочей части l0 104 мм, ширина b0 84 мм,

133

концентраторы расположены в центре образцов. Радиус одиночного кругового выреза R 8 мм, длина и высота ромбовидного выреза l0 16 мм, радиус скругления R 0,5 мм, в случае пластины с центральной проточкой ее длина l0 16 мм, ширина b0 2 мм,

радиус скругления R 1 мм. Эскизы пластин с концентраторами представлены на рис. 6.7 и 6.8.

а

б

Рис. 6.7. Эскиз опытных образцов в форме пластин с одиночным круговым отверстием (а) и с ромбовидным вырезом (б)

134

Рис. 6.8. Эскиз опытного образца в форме пластины с центральной проточкой

Кинематическое нагружение осуществлялось на универсальной электромеханической испытательной системе Instron 5989 (600 кН) с постоянной скоростью перемещения траверсы. Растяжение стандартных образцов осуществлялось со скоростью деформирования ε 1,67 10 3 с-1, растяжение образцов с концентраторами напряжений – со скоростью 9 мм/мин при комнатной температуре. Регистрация неоднородных полей деформаций и температуры осуществлялась с помощью трехмерной цифровой оптической системы Vic-3D и тепловизора Flir SC7700, частота съемки составляла 2,0 и 10,0 Гц соответственно. Математический аппарат видеосистемы основан на методе корреляции цифровых изображений [104].

На основе полученных данных о поведении стали 20 при различных видах напряженно-деформированного состояния и анализа условий перехода процесса деформирования на закритическую стадию установлено, что в качестве критерия перехода может быть

использована величина интенсивности деформаций i 2 3 ekl ekl ,

e

 

ij

1

3

 

kk

,

соответствующая максимальному значению ин-

ij

 

 

 

ij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тенсивности напряжений

 

 

 

 

 

 

 

S

 

1

 

 

 

 

 

 

3

S

kl

S

kl

,

3

kk

ij

[75].

 

 

 

 

 

 

 

 

i

2

 

 

 

 

ij

ij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

135

Для получения величины интенсивности деформаций проведены испытания стандартных образцов стали 20 на растяжение. На рис. 6.9, а приведена диаграмма деформирования в координатах «напряжение σ (МПа) – деформация ε», которая характеризуется наличием стадии формирования «зуба» и площадки текучести, что свидетельствует о развитии деформационных полос локализованного пластического течения (полос Чернова-Людерса) [94], стадии деформационного упрочнения и ниспадающего закритического участка. Вертикальной штриховой линией отмечен уровень интенсивности деформации i 20,5 %, соответствующий максимальному напряжению в испытании, σ 448,5 МПа, который рассматривается как критерий перехода процесса деформирования на закритическую стадию.

а

б

Рис. 6.9. Диаграмма деформирования для стали 20 (а), построенная по результатам испытания стандартных образцов, и диаграмма нагружения пластины с круговым вырезом (б)

Реализована серия испытаний на одноосное растяжение пластин с концентраторами напряжений при постоянной скорости удлинения u0 9 мм/мин. В процессе нагружения опытных об-

разцов осуществлялась бесконтактная регистрация деформационных и температурных полей.

136

На рис. 6.9 (б) представлена диаграмма зависимости между нагрузкой P (кН) и перемещением u (мм) при растяжении пластины с круговым вырезом, регистрируемыми по встроенным датчикам испытательной машины. Точка 4 (см. рис. 6.9, б) соответствует максимальному уровню нагрузки P 87,5 кН. На рис. 6.10 приведены поля компонент деформации для данного момента нагружения: ε yy – продольные деформации (%), εxx

поперечные деформации (%), εxy – сдвиговые деформации (%),

а также интенсивность деформаций εi (%).

Рис. 6.10. Неоднородные поля продольных (а); поперечных (б); сдвиговых деформаций (в) и интенсивности деформаций (г)

для точки 4 (см. рис. 6.9, б)

137

Из приведенных данных видно, что картины полей характеризуются определенной симметричностью, а поля ε yy и εi со-

держат большие области в окрестности выреза, внутри которых значения деформаций существенно превышают предельные значения, соответствующие моменту достижения максимальных напряжений при растяжении стандартных образцов.

На основе анализа полей интенсивности деформаций исследована эволюция области деформирования материала вблизи выреза, в которой уровень интенсивности деформаций превышает значение 20,5 %. На кривой «нагрузка-удлинение» (см. рис. 6.9, б) указаны точки 18, для которых представлены результаты анализа неоднородных полей интенсивности деформаций εi в ок-

рестности кругового выреза (рис. 6.11). Соответствующий уровень нагрузки (по данным встроенного датчика испытательной машины), значение средней продольной деформации и удлинение образца (по данным «виртуального экстензометра») приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Уровень нагрузки, значения средней продольной деформации и удлинение образца в точках 18 диаграммы нагружения

Номер кадра

P, кН

εavyy , %

u, мм

п/п

 

 

 

 

1

48

77,14

2,71

2,58

2

81

83,58

4,74

4,51

3

115

87,43

6,35

6,05

4

148

87,52

8,17

7,78

5

158

67,71

9,04

8,61

6

168

55,61

9,87

9,39

7

178

42,62

10,70

10,19

8

188

28,86

11,53

10,98

138

Рис. 6.11. Эволюция области закритического деформирования в процессе одноосного растяжения пластины с круговым вырезом

Светлые области на рис. 6.11 соответствуют зонам закритического деформирования материала, в которых интенсивность деформаций превышает 20,5 %. При достижении величины нагрузки P 73, 4 кН (точка 1, рис. 6.9) в области кругового выреза отмече-

но инициирование развития области с уровнем εi 20,5 %

(1, рис. 6.11). Следует отметить, что возникновение области закритического деформирования вблизи концентратора происходит на восходящем участке диаграммы нагружения пластины. Далее наблюдается равновесное развитие данной области (точки 2–8, рис. 6.11), в том числе и на ниспадающем участке диаграммы деформирования. Возникновение и развитие трещины происходит

139

внутри области закритического деформирования от концентратора и распространяется к свободному краю пластины.

Ввиду того что рассматриваемые неупругие процессы характеризуются активным выделением тепловой энергии, выполнен анализ температурных полей и построены зависимости T t (кривая 2, рис. 6.12) в соответствии с диаграммой деформирования (кривая 1, рис. 6.12). Здесь T ( C) – это максимальная температура, которая фиксировалась вблизи поперечной оси симметрии образца, t (с) – время испытания, P (кН) – нагрузка. Диаграмма изменения температуры характеризуется существенной нелинейностью. На графике можно выделить следующие стадии: участок упругого деформирования пластины (температура не растет), стадия пластического деформирования, сопровождающаяся распространением полос локализованного пластического сдвига от зоны концентратора по всей поверхности образца, а также стадии роста области закритического деформирования (до достижения максимальной нагрузки и интенсивного увеличения температуры). Заключительная стадия развития закритической зоны характеризуется возникновением и ростом трещины и заканчивается разделением образца на части.

P T

t

Рис. 6.12. Временные зависимости нагрузки (1)

и максимального значения температуры на поверхности пластины с одиночным круговым вырезом (2)

140

Соседние файлы в папке книги