книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов

встроенным датчикам машины. Проведены испытания на пропорциональное растяжение с кручением с различным соотношением осевой деформации и угла сдвига при комнатной и повышенных температурах. В пространстве деформаций траектории представляли прямые линии, характеризующиеся различным наклоном относительно осей.

Рис. 2.15. Эскиз тонкостенного трубчатого образца для испытаний на растяжение с кручением

при комнатной и повышенных температурах

В результате испытаний получены зависимости изменения нормальных и касательных напряжений от времени испытания жаростойкой легированной стали 20Х13 при комнатной температуре при соотношениях удлинения и угла закручивания (рис. 2.16). На рис. 2.17 представлены графики изменения интенсивности напряжений от интенсивности деформаций при различных соотношениях удлинения и угла закручивания.

При различных задаваемых параметрах нагружения наблюдаются различные зависимости изменения компонент напряжений во времени, но при построении диаграмм в координатах интенсивности напряжений и деформаций кривые практически сов-

31

падают на стадии упругопластического деформирования. Однако данные существенно отличаются на стадии закритического поведения, в частности по предельной деформации.

а

б

Рис. 2.16. Опытные зависимости изменения нормальных (а)

и касательных (б) напряжений от времени испытания при различном отношении удлинения и угла закручивания: 0,169 (сплошная); 0,338 (штриховая); 0,675 (пунктирная); 1,350 (штрихпунктирная)

32

Рис. 2.17. Графики изменения интенсивности напряжений от интенсивности деформаций, полученные при различном отношении удлинения и угла закручивания: 0,169 (сплошная);

0,338 (штриховая); 0,675 (пунктирная); 1,350 (штрихпунктирная)

Для соотношения удлинения и угла закручивания, равного 0,338, были проведены испытания при повышенных температурах. На рис. 2.18 представлены экспериментальные зависимости изменения нормальных и касательных напряжений от времени испытания для соотношения удлинения и угла закручивания 0,338 при различных температурах.

Таким образом, в результате испытаний получены опытные данные в виде диаграмм, которые демонстрируют возможность развитой реализации закритической стадии деформирования в условиях плоского напряженного состояния. С увеличением температуры испытаний при известном снижении сопротивления материалов (уменьшение деформационных и прочностных характеристик) протяженность закритической стадии увеличивается, что необходимо учитывать при анализе деформационных резервов и оценке живучести конструкций, работающих в реальных условиях эксплуатации.

33

а

б

Рис. 2.18. Опытные зависимости изменения нормальных (а) и касательных (б) напряжений от времени испытания для соотношения удлинения и угла закручивания 0,338 при различных температурах: 22 °С (сплошная); 200 °С

(штриховая); 400 °С (пунктирная); 600 °С (штрихпунктирная)

2.3. Закритическое поведение сталей в условиях сложного нагружения при растяжении с кручением

Опытное изучение закономерностей пластического и закритического деформирования и разрушения металлов в условиях сложного (не пропорционального) нагружения проводилось на сплошных цилиндрических и тонкостенных трубчатых образцах. Исполь-

34

зовались образцы, отличающиеся от стандартных уменьшенным соотношением длины рабочей части и диаметра, что приводит к повышению жесткости нагружающей системы по отношению к рабочей части и способствует устойчивому деформированию материала на закритической стадии. Были реализованы методики сложного нагружения при совместном растяжении с кручением при комнатной температуре. Испытания реализованы на универсальной двухосевой сервогидравлической испытательной системе Instron 8850.

Целями исследования в отчетном периоде являлись проработка методических вопросов проведения испытаний в условиях сложного нагружения при опытном изучении закритического поведения материалов и оценка влияния вида нагружения на устойчивое закритическое деформирование конструкционных сталей на примере стали 40Х. Были реализованы испытания на последовательное растяжение и кручение сплошных цилиндрических образцов (диаметр рабочей части 6 мм, длина рабочей части 8 мм) на стадиях упругопластического и закритического деформирования, в частности, по траекториям в координатах «удлинение – угол закручивания» (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Траектории деформирования в координатах «удлинение – угол закручивания»: для случаев одноосного растяжения (сплошная); пропорционального растяжения с кручением (штриховая);

сложного нагружения (пунктирная и штрихпунктирная)

35

На рис. 2.19 приведены две траектории сложного нагружения при совместном растяжении с кручением со сдвигом по оси абсцисс на 40 градусов для случаев, когда после закручивания образца на каждом шаге непосредственно реализовано последующее растяжение (чему соответствует пунктирная линия) и когда после закручивания образца на каждом шаге производилась предварительная разгрузка по крутящему моменту, после чего осуществлялось растяжение (штрихпунктирная линия). На рис. 2.20 приведены зависимости изменения нормального напряжения от удлинения образцов для случаев одноосного растяжения (сплошная), пропорционального растяжения с кручением (штриховая) и сложного нагружения (пунктирная).

Рис. 2.20. Опытные зависимости изменения нормального напряжения от удлинения образца для случаев одноосного растяжения (сплошная); пропорционального (штриховая) и сложного нагружения (пунктирная)

Наиболее полная реализация закритической стадии деформирования (в осях «нормальное напряжение – удлинение») наблюдалась в опытах на одноосное растяжение. При этом разрушение образцов происходило при величине коэффициента реализации закритической стадии деформирования kP 1 PP /PB (или kP 1 σP /σB ), в диапазоне от 0,7 до 0,8. Для диаграммы, показанной на рис. 2.20

36

сплошной линией, величина коэффициента kp 0,76. В испыта-

ниях при сложном нагружении, когда напряженное состояние характеризуется большей жесткостью, разрушение происходило при существенно меньших значениях коэффициента k p ; так, для диа-

граммы, обозначенной на рис. 2.20 пунктирной линией, kp 0,37.

В этом случае разрушение образца происходит на ниспадающем участке диаграммы при большем значении нагрузки и, соответственно, большем количестве запасенной в процессе деформирования упругой энергии, следовательно, такой вид напряженного состояния является более опасным с точки зрения катастрофичности разрушения.

На рис. 2.21 приведены изображения поверхностей излома образцов стали 40Х, разрушенных при одноосном растяжении, пропорциональном растяжении с кручением, при сложном нагружении по траектории 1 и траектории 2, которым соответствуют пунктирная и штрихпунктирная линии на рис. 2.19.

Как отмечено выше, наиболее полная реализация закритической стадии деформирования регистрировалась при одноосном растяжении образцов. На рис. 2.21, а видно, что разрушение в этом случае происходит по типу «чашка-конус», который характеризуется наличием матовой центральной части нормального отрыва 1 и периферийными областями пластического деформирования по типу среза 2. После разрушения образца при пропорциональном растяжении с кручением (рис. 2.21, б) поверхность излома характеризуется наличием аналогичной морфологии, однако присутствует больший перепад высот элементов структуры

вцентральной матовой части излома 1. В результате разрушения

вусловиях сложного нагружения наблюдается наименьшая степень реализации закритической стадии деформирования, а поверхность излома образцов (рис. 2.21, в, г) характеризуется отсутствием областей пластического среза и появлением радиальной структуры поверхности.

37

а

б

в

г

Рис. 2.21. Фотографии поверхностей излома образцов стали 40Х, разрушенных при одноосном растяжении (а); пропорциональном растяжении с кручением (б); сложном нагружении

по траектории 1 (в) и траектории 2 (г)

При изучении поведения конструкционной стали 20Х13 в условиях плоского напряженного состояния реализована программа испытаний тонкостенных трубчатых образцов (см. рис. 2.15), которая представлена на рис. 2.22 в виде зависимостей осевых и сдвиговых деформаций от времени (а, б), а также соответствующие траектории в пространстве деформаций (в). На начальном этапе реализовано пропорциональное растяжение с кручением до некоторой степени деформаций, соответствующей началу разупрочнения по компоненте касательных напряжений, затем фиксировалась либо сдвиговая деформация (программа соответствует рис. 2.22 (а) и траектории 1 на рис. 2.22, в), либо осевая де-

38

формация (программа соответствует рис. 2.22, б и траектории 2 на рис. 2.22, в), при этом по другой компоненте продолжалось деформирование до полного разрушения образца.

а

б

в

Рис. 2.22. Программы сложного нагружения (а, б) и представление соответствующих траекторий в пространстве деформаций (в)

В результате испытаний получены графики изменения компонент нормальных и касательных напряжений от времени испытания, которые приведены на рис. 2.23 при пропорциональном и сложном нагружении по программам, соответствующим рис. 2.22, а и рис. 2.22, б. На рис. 2.24 полученные данные приведены в виде зависимостей интенсивности напряжений от интенсивности деформаций.

39

а

б

Рис. 2.23. Опытные зависимости изменения нормальных (а) и касательных (б) напряжений от времени испытания на пропорциональное (сплошная линия) и сложное нагружение по программам, соответствующим рис. 2.22, а (штриховая линия)

ирис. 2.22, б (пунктирная линия)

Врезультате получены новые данные о поведении жаростойкой легированной стали 20Х13 в условиях плоского напряженного состояния при сложном нагружении. Наименьший запас деформационных резервов соответствует сложному нагружению по траектории, соответствующей рис. 2.22, б, при деформировании, по которой наблюдалась потеря устойчивости и смятие об-

40