книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов

вием. В экстремальных аварийных ситуациях наиболее важным свойством механических систем становится живучесть. Существует необходимость индивидуального прогнозирования живучести уникальных конструкций на основе прогнозирования поведения в аварийных (нештатных) ситуациях и определения перечня потенциально опасных проявлений. Реализация стадии разупрочнения приводит к повышению живучести и, следовательно, безопасности конструкций, использованию резервов несущей способности объектов.

Многокритериальная оценка безопасности конструкций может осуществляться по следующим параметрам: запас прочности, надежность, живучесть, остаточный ресурс, энергетическая катастрофичность разрушения, возможность управления процессом разрушения (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Совокупность параметров комплексного прочностного анализа

Стоит отметить, что при оценке запаса прочности характер разрушения как процесса не анализируется. Принято считать, что увеличение запаса прочности, хотя и снижает экономичность, но повышает безопасность объекта. Это не всегда спра-

11

ведливо. В отдельных случаях увеличение запаса прочности, не обеспечивая, естественно, стопроцентную надежность, существенно увеличивает катастрофичность возможного разрушения такой перетяжелённой конструкции.

При расчете надежности учитываются такие факторы, как случайность внешних воздействий, статистический разброс деформационных и прочностных свойств материалов, случайные отклонения от заданной геометрии.

При анализе живучести и резервов несущей способности разрушение оказывается результатом потери устойчивости процесса деформирования; учитываются такие факторы, как поврежденность, структурное разрушение, трещинообразование, закритическое деформирование, равновесный и неравновесный рост трещин, свойства нагружающих систем.

Оценка катастрофичности разрушения, другими словами, прогнозируемый запас упругой энергии в системе к моменту разрушения требует решения краевой задачи механики разрушения, расчета запаса упругой энергии к моменту потери несущей способности, расчета энергоемкости процесса разрушения. При анализе способов управления процессом разрушения требуется обеспечить условия устойчивого протекания диссипативных процессов, необходимых для приспособления материалов к условиям эксплуатации, а именно: управление структурными параметрами создаваемых материалов, управление свойствами нагружающих систем (рис. 1.3). Таким образом, анализ конструкций и сооружений в рамках представлений о разрушении как о результате потери устойчивости процессов неупругого деформирования предполагает разработку моделей накопления повреждений и структурного разрушения, развитие численных методов решения нелинейных краевых задач, изучение основных закономерностей механического поведения материалов на заключительной стадии деформирования – стадии деформационного разупрочнения, или закритического деформирования.

12

Рис. 1.3. Структурная схема оценки безопасности конструкций и сооружений

13

Закритическая стадия деформирования, имеющая большое значение для анализа безопасности несущих объектов, непосредственно предшествует моменту разрушения. Проявлением указанной стадии является ниспадающий участок на диаграмме деформирования. Теоретическое и экспериментальное изучение основных закономерностей этого явления создает условия для более адекватного прогнозирования условий разрушения деформируемых тел и анализа возможностей управления процессами разрушения [16–22].

Именно на закритической стадии деформирования происходит формирование условий макроразрушения, которые в отличие от традиционных представлений не являются однозначно связанными с напряженно-деформированным состоянием в точке деформируемого тела. Ключевую роль в переходе от стадии равновесного накопления повреждений к неравновесной, лавинообразной, стадии разрушения играет нагружающая система [23–28].

В плане реализации задач обеспечения конструкционной безопасности весьма актуальным направлением является получение и накопление экспериментальных данных о поведении материалов на закритической стадии при различных видах на- пряженно-деформированного состояния. Современные испытательные системы позволяют проводить такие исследования с высокой точностью в широком диапазоне скоростей внешних воздействий и температур. В работах [16–19] содержатся результаты экспериментальных исследований вибрационной стабилизации процесса закритического деформирования в условиях растяжения сплошных цилиндрических образцов конструкционных сталей при наложении дополнительных вибрационных воздействий. В экспериментах [20] оказывается, что образцы с полимерными порошковыми покрытиями обладают пониженной несущей способностью в условиях закритического деформирования. В ряде работ зарубежных авторов приводятся экспериментальные зависимости влияния температурных воздействий

14

на закритическую стадию деформирования [22]. Экспериментальное изучение закритической стадии деформирования кроме необходимости обеспечения достаточной жесткости нагружающей системы требует преодоления целого ряда методических трудностей, связанных с интерпретацией результатов испытаний в условиях локализации деформаций. Преодоление указанных трудностей может основываться на результатах специальных исследований эволюции полей деформаций, полученных, в частности, с использованием цифровых оптических систем.

Механическое поведение материалов на закритической стадии деформирования подчиняется следующим закономерностям:

‒процессы структурного разрушения и трещинообразования отражаются на диаграмме деформирования, приводя к ее нелинейности, а на заключительной стадии являются причиной разупрочнения;

‒сопротивление разрушению на закритической стадии деформирования, соответствующей ниспадающей ветви диаграммы деформирования, зависит от жесткости нагружающей системы;

‒диаграмма обрывается в наивысшей точке только при нулевой жесткости нагружающей системы, т.е. при «мягком» (силовом) нагружении;

‒в общем случае каждая точка на ниспадающей ветви может соответствовать моменту потери несущей способности в зависимости от условий нагружения.

Потеря несущей способности может рассматриваться как переход от стабильной к неравновесной стадии процесса структурного разрушения на закритической стадии. Реализация закритической стадии деформирования приводит к повышению живучести и, следовательно, безопасности конструкций, использованию резервов несущей способности объектов.

Процессы структурного разрушения неоднородных сред (слоистых, волокнистых, зернистых композитов) также могут протекать в равновесном режиме и приводить к появлению нис-

15

падающей ветви диаграммы деформирования на закритической стадии [26, 29, 30].

Изучение условий реализации равновесных режимов закритического деформирования нацелено на создание основ оптимального управления структурными параметрами создаваемых материалов и конструкций из них для повышения деформационных ресурсов, несущей способности и эксплуатационной живучести. Полнота реализации несущей способности элементов конструкций и сооружений определяется степенью закритической деформации.

Конструкция должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечивалась необходимая для сдерживания процесса накопления повреждений жесткость системы нагружения тех участков, где максимальна концентрация напряжений. Расчет резервов несущей способности и определение условий равновесного накопления повреждений и разупрочнения материала в наиболее опасных зонах позволяют оценить контролируемость протекания процесса трещинообразования в аварийных ситуациях, возможность проведения защитных и спасательных мероприятий.

С целью развития и применения методологии комплексных теоретических, расчетных и экспериментальных исследований, создания научных основ решения проблем прочности и конструкционной безопасности ответственных технических объектов в Центре экспериментальной механики выполняются исследования по ряду направлений, результаты которых представлены в настоящей монографии.

1.Теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей закритического деформирования металлических материалов при различных видах напряженно-деформированного состояния.

2.Экспериментальное и теоретическое изучение особенностей реализации закритической стадии деформирования в композиционных материалах.

16

3.Экспериментальное изучение влияния дополнительных и комбинированных воздействий, связанных с условиями эксплуатации изделий и технологическими режимами, на поведение современных металлических и композиционных материалов на стадии закритического деформирования.

4.Экспериментальное и теоретическое изучение процессов равновесного деформирования тел с трещинами и трещиноподобными дефектами с использованием подходов механики закритического деформирования.

5.Экспериментальное изучение и численное моделирование развития областей закритического деформирования в телах с концентраторами и элементах конструкций.

6.Разработка рекомендаций по совершенствованию методов проведения прочностных расчетов и проектированию ответственных элементов конструкций с учетом закономерностей закритической стадии деформирования.

17

2. ОПЫТНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЗАКРИТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

2.1. Закономерности поведения конструкционных сталей на закритической стадии деформирования при различных скоростях деформирования и температурах

С целью развития научно обоснованных подходов к оценке и прогнозированию прочности, живучести и безопасности ответственных конструкций и технических объектов, основанных на совершенствовании представлений о разрушении материалов, важное значение имеет теоретическое и экспериментальное изучение закритической стадии деформирования. Необходимость развития соответствующих моделей механики деформируемого твердого тела, описывающих закритическую стадию и условия разрушения, создает потребность получения новых опытных данных о закономерностях поведения конструкционных материалов, в том числе сталей различных классов, при различных видах напря- женно-деформированного состояния, а также в зависимости от условий нагружения и параметров внешних воздействий [31, 32].

Экспериментальное изучение влияния повышенных температур на закономерности поведения сталей на закритической стадии, а также на прочностные и деформационные характеристики проведено на образцах конструкционной стали 40Х и сплава ЭП517Ш, химический состав которых приведен в табл. 2.1 и 2.2.

Таблица 2.1

Химический состав стали 40Х, %

C	Cr	Mn	Si	Cu	Ni	W
0,362	0,996	0,619	0,240	0,204	0,166	0,030

18

Таблица 2.2

Химический состав стали ЭП517Ш, %

C	Cr	Si	Nb	Ni	W	Mo	V
0,13	12,50	0,05	0,20%	2,05	0,70	1,50	0,20

Испытания сплошных цилиндрических образцов, эскиз которых приведен на рис. 2.1, проводились на универсальной сервогидравлической испытательной системе Instron 8801 (рис. 2.2, а).

Рис. 2.1. Эскиз образца для испытаний при повышенных температурах

Нагрузка и удлинение образца регистрировались по встроенным датчикам испытательной системы. Деформация в рабочей части образцов измерялась с использованием индукционного высокотемпературного экстензометра Epsilon 3648-010М с рабочей длиной 10 мм и диапазоном измерения деформаций ± 2,5 % (рис. 2.2, б, в). Нагрев образцов осуществлялся в высокотемпературной печи Instron СР103202 с максимальной рабочей температурой 1100 °С. Температура контролировалась по термопаре, закрепленной непосредственно в рабочей части образца (рис. 2.2, г).

19

В рабочей части образцов дополнительно выполнено кернение механическим способом для последующего расчета относительного остаточного удлинения после разрыва.

б

в

а

г

Рис. 2.2. Установка оборудования для проведения испытаний на растяжение при повышенных температурах (а), образец для испытаний (б),

высокотемпературный экстензометр (в), термопара на образце (г)

Испытания проводились при следующих значениях температуры в рабочей части образцов: 22, 200, 300, 400, 500 и 600 °С. Время нагрева составляло от трех до пяти часов, выдержка при температуре испытания проводилась не менее чем один час. В ходе выполнения испытаний регистрировались диаграммы деформирования для каждого образца, определялись основные механические характеристики (модуль Юнга Е, условный пре-

20