Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследования деформирования и разрушения металлических материалов 11
1.1. Современные представления о кинетике упругопластического деформирования металлических материалов 11
1.2. Локализация пластической деформации в металлических материалах и в образцах с концентраторами напряжений 21
1.3. Диссипация энергии при пластическом деформировании металлических материалов 25
1.4. Методы исследования, основанные на термоупругом и термопластическом эффектах 30
Глава 2. Методика исследования деформирования и разрушения конструкционных сталей по термопластическому эффекту 42
2.1. Сущность теплового излучения деформируемых конструкционных сталей 42
2.2. Измерение температуры статически растягиваемого образца термоэлектрическим методом 48
2.3. Описание тепловизионных систем, использованных для измерения температурного поля поверхности конструкционных сталей 53
2.4. Методика проведения тепловизионных измерений при статическом одноосном растяжении образцов 57
2.5. Метрологические аспекты тепловизионных измерений при исследовании деформирования конструкционных сталей 65
Глава 3. Экспериментальное исследование деформирования и разрушения конструкционных сталей по термопластическому эффекту 71
3.1. Исследование кинетики и стадийности упругопластического деформирования конструкционных сталей методом тепловизионной диагностики 71
3.2. Исследование локализации пластических деформаций в конструкционных сталях при одноосном статическом растяжении 78
3.3. Исследование кинетики деформирования и разрушения стальных образцов с центральным круговым отверстием на основе анализа изменения температурного поля 81
Глава 4. Оценка предельного состояния сталей по термопластическому эффекту 87
4.1. Оценка количества тепла, выделившегося в процессе пластического деформирования 87
4.2. Математическая модель оценки количества тепла, рассеивающегося в результате пластической деформации с учетом процессов теплопроводности и конвективного теплообмена с окружающей средой 92
4.3. Определение текучести материала и момента локализации пластических деформаций по термопластическому эффекту при одноосном статическом растяжении образцов из сталей 101
4.4. Определение потери устойчивости пластических деформаций по термопластическому эффекту при статическом растяжении образцов с центральным круговым отверстием из сталей 106
Заключение 111
Список использованной литературы
- Локализация пластической деформации в металлических материалах и в образцах с концентраторами напряжений
- Описание тепловизионных систем, использованных для измерения температурного поля поверхности конструкционных сталей
- Исследование локализации пластических деформаций в конструкционных сталях при одноосном статическом растяжении
- Математическая модель оценки количества тепла, рассеивающегося в результате пластической деформации с учетом процессов теплопроводности и конвективного теплообмена с окружающей средой
Введение к работе
Проблема обеспечения несущей способности элементов конструкций связана с расчетом на прочность по предельному состоянию материала. Однако расчетные методы не всегда позволяют достоверно определить напряженно-деформированное состояние, точность расчета зависит от корректной постановки задачи. Если, к примеру, упругая стадия поведения конструкционных материалов изучена достаточно хорошо, то оценка предельного состояния реальных элементов конструкций, подвергающихся сложному сочетанию силовых и температурных воздействий, приводящих к появлению упруго-пластических деформаций и накоплению поврежденное с течением времени, - это довольно сложная задача. Подтвердить полученные расчетные данные можно только экспериментальным путем. Поэтому проблема разработки новых и совершенствования существующих методов экспериментального исследования, которые могут быть использованы в широком интервале деформаций, а также в условиях неоднородного распределения напряжений, весьма актуальна.
Существующие в настоящее время методы не позволяют исследовать наступление предельного состояния в течение всего процесса деформирования материалов и элементов конструкций с концентраторами напряжений. В определении характеристик предельного состояния материалов и элементов конструкций с концентраторами напряжений определенную роль играет изучение стадийности развития упругопластических деформаций и разрушения, а также физических процессов, сопровождающих деформацию материала.
Поэтому для установления достижения предельных состояний с учетом реального поведения материала необходимо исследование кинетики упругопластических деформаций в условиях однородного и неоднородного напряженного состояний, а также характерных изменений температуры,
5 соответствующих различным стадиям деформирования образца. Решение данного вопроса связано с разработкой и совершенствованием методов и методик, позволяющих установить наступление предельных состояний материала на основе физических явлений, отражающих эти состояния.
Одним из перспективных методов установления достижения предельного состояния материала является тепловизионный метод, позволяющий проследить за изменением температуры на всем диапазоне деформирования образца. Открытый в XIX веке лордом Кельвином (Томсоном) термоупругий эффект позволил Био развить реверсивную теорию упругости, устанавливающую взаимосвязь между изменением напряжений и температурой материала в процессе упругого деформирования. Термопластический эффект характеризуется повышением температуры пластически деформируемого материала вне зависимости от вида нагружения. Основанием для установления достижения предельного состояния материалов при различных видах напряженного состояния по термопластическому эффекту является взаимосвязь между стадийностью деформирования и изменением скорости разогрева образца.
Целью работы является разработка экспериментальной методики на
основе термопластического эффекта, исследование кинетики
упругопластического деформирования и достижения предельного состояния конструкционных сталей в условиях однородного и неоднородного напряженного состояния.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Разработка методики экспериментального исследования процесса упругопластического деформирования конструкционных сталей по термопластическому эффекту при статическом одноосном растяжении плоских образцов;
2. Исследование закономерностей деформирования, кинетики
пластических деформаций конструкционных сталей по изменению
температурного поля;
3. Определение количества тепла, рассеивающегося в процессе
пластического деформирования, по температурным данным на основе решения
нестационарного уравнения теплопроводности с внутренними источниками
тепла;
4. Исследование наступления предельного состояния конструкционных
сталей в условиях однородного и неоднородного напряженного состояния по
термопластическому эффекту.
Научная новизна работы:
1. Разработана методика исследования кинетики развития пластических
деформаций в конструкционных сталях, основанная на анализе термограмм и
изменения температуры с использованием тепловизионной системы;
Разработана расчетно-экспериментальная методика определения количества тепла, выделяющегося при пластической деформации материала, основанная на решении нестационарного уравнения теплопроводности с внутренними источниками тепла по данным тепловизионных измерений;
Разработаны оригинальные методики определения наступления предельных состояний конструкционных сталей в условиях однородного и неоднородного напряженного состояния по термопластическому эффекту; получено положительное решение ФИПС РФ о выдаче патента на изобретение «Способ определения потери пластической устойчивости» по заявке № 2004113231/28(014125) от 28.04.2004;
По термопластическому эффекту определены моменты начала пластического течения и локализации интенсивных пластических деформаций в конструкционных сталях, а также момент наступления потери устойчивости пластических деформаций при одноосном статическом растяжении образцов с центральным круговым отверстием.
9 конструкционных сталей и элементов конструкций с концентраторами напряжений по тепловому излучению посредством тепловизионной системы.
Методики определения предельного состояния: наступление текучести в упругопластическом материале, потери устойчивости пластических деформаций для образца с концентратором напряжений по термопластическому эффекту.
Методика оценки количества тепла, выделившегося при пластическом деформировании конструкционных сталей на стадии упрочнения, по данным тепловизионных измерений.
По результатам диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 10 статей в рецензируемых журналах, 4 статьи в сборниках научных трудов, а также получено решение ФИПС РФ на выдачу патента на изобретение.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на заседаниях семинаров лаборатории напряженно-деформированного состояния конструкций, отдела проблем надёжности и ресурса, отделения хладостойкости и материаловедения ИФТПС СО РАН, на VI научно-технической конференции «Прочность материалов и конструкций при низких температурах» (Санкт-Петербург, 2000) [55], на I Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002) [58], на Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2002) [29], на XIII Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2003) [53], на Всероссийской школе-семинаре по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Новосибирск, 2003) [31], на II Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2004) [52].
Работа выполнена в лаборатории напряженно-деформированного состояния конструкций Института физико-технических проблем Севера СО РАН под руководством кандидата технических наук A.M. Иванова в
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований кинетики упругопластического деформирования и разрушения конструкционных сталей и элементов конструкций с центральным круговым концентратором напряжений. Рассматриваются вопросы идентификации стадий упругопластического деформирования и разрушения, локализации деформаций при однородном и неоднородном напряженном состоянии по термопластическому эффекту. Обсуждаются особенности закритической стадии деформирования конструкционных сталей с упругопластическим характером деформирования и состояние предразрушения элементов конструкций с концентраторами напряжений с вязким характером разрушения.
В четвертой главе приведена математическая модель оценки тепла, рассеивающегося при деформировании конструкционных сталей. Разработана расчетно-экспериментальная методика и проведена оценка количества тепла, выделившегося в процессе пластической деформации конструкционных сталей. Описаны методики определения предельных состояний, получено положительное решение ФИПС РФ о выдаче патента на изобретение «Способ определения потери пластической устойчивости» по заявке № 2004113231/28(014125) от 28.04.2004. Проведено определение текучести материала и момента локализации интенсивных пластических деформаций по термопластическому эффекту при одноосном статическом растяжении образцов из сталей, а также потери устойчивости пластических деформаций по термопластическому эффекту при статическом растяжении плоских образцов из сталей с центральным круговым отверстием.
В заключении приводятся выводы, сделанные по результатам проведенных исследований.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Обоснование и экспериментальная апробация возможности исследования кинетики упругопластического деформирования и разрушения
9 конструкционных сталей и элементов конструкций с концентраторами напряжений по тепловому излучению посредством тепловизионной системы.
Методики определения предельного состояния: наступление текучести в упругопластическом материале, потери устойчивости пластических деформаций для образца с концентратором напряжений по термопластическому эффекту.
Методика оценки количества тепла, выделившегося при пластическом деформировании конструкционных сталей на стадии упрочнения, по данным тепловизионных измерений.
По результатам диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 10 статей в рецензируемых журналах, 4 статьи в сборниках научных трудов, а также получено решение ФИПС РФ на выдачу патента на изобретение.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на заседаниях семинаров лаборатории напряженно-деформированного состояния конструкций, отдела проблем надёжности и ресурса, отделения хладостойкости и материаловедения ИФТПС СО РАН, на VI научно-технической конференции «Прочность материалов и конструкций при низких температурах» (Санкт-Петербург, 2000) [55], на I Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002) [58], на Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2002) [29], на XIII Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2003) [53], на Всероссийской школе-семинаре по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Новосибирск, 2003) [31], на II Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2004) [52].
Работа выполнена в лаборатории напряженно-деформированного состояния конструкций Института физико-технических проблем Севера СО РАН под руководством кандидата технических наук A.M. Иванова в
10 соответствии с планом научно-исследовательских работ по темам: 1) СО РАН «Разработка и усовершенствование методов расчета прочности, надёжности и оценки ресурса элементов машин и конструкций, работающих в условиях Севера», № гос. регистрации 01.2.00.107181 (2001-2003 гг.); 2) СО РАН - Блок 1 «Исследование структурно-деградационных процессов деформирования и разрушения материалов в экстремальных условиях эксплуатации и разработка технологических основ повышения надежности, безопасности и ресурса машин и конструкций», № гос. регистрации 0120.0 407844 (2004-2006 гг.); 3) Проект 4 «Изучение свойств и структуры материалов» по программе 3.11 фундаментальных научных исследований «Структурная механика материалов и элементов конструкций. Взаимодействие нано-, микро-, мезо- и макромасштабов при деформировании и разрушении» секции механики Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН (2003-2005 гг.); 4) Проект «Экспериментально-теоретическое исследование влияния концентрации напряжений на деформирование и разрушение элементов конструкций» по Гранту РФФИ № 03-01-96065 р2003арктика_а (2003-2005 гг.).
Локализация пластической деформации в металлических материалах и в образцах с концентраторами напряжений
Как правило, на практике встречаются два основных вида разрушения -хрупкое разрушение и вязкое. Кроме вязкого и хрупкого существуют более специфические виды разрушения - усталостное, замедленное и разрушение при ползучести, которые в рамках данной работы не рассматриваются.
Вязкое разрушение происходит обычно после значительной пластической деформации (десятки процентов). Его главными особенностями являются медленное развитие трещины и высокая энергоемкость, обусловленная необходимостью затраты значительной работы пластической деформации у вершины трещины. Поэтому вязкое разрушение - наименее опасный вид разрушения, и ему уделяют не так много внимания, как хрупкому. Однако анализ вязкого разрушения позволяет лучше понять механизм хрупкого разрушения и наметить меры его предотвращения.
Как правило, вязкому разрушению предшествует интенсивная пластическая деформация, которая начинает развиваться сразу после стадии равномерной деформации. В какой-то части образца, обычно вблизи концентратора напряжений, который был уже в исходном состоянии или образовался в процессе растяжения, начинается локализация деформации. Ей соответствует местное сужение поперечного сечения образца - образование шейки.
Возможность значительной равномерной деформации и «оттягивание» момента начала образования шейки в пластичных материалах обусловлены деформационным упрочнением. На стадии равномерной деформации увеличение напряжения течения из-за деформационного упрочнения полностью компенсируется удлинением и сужением расчетной части образца. Когда же прирост напряжения из-за уменьшения поперечного сечения становится больше прироста напряжения из-за деформационного упрочнения, равномерность деформации нарушается и образуется шейка.
Для пластичных материалов начало образования шейки соответствует максимальному значению нагрузки по условной диаграмме деформирования. По максимальному значению нагрузки на диаграмме растяжения рассчитывают временное сопротивление, которое часто называют условным пределом прочности. Однако предельную прочность таких материалов она не определяет, так как тв значительно меньше истинного напряжения. Для материалов, разрушающихся с образованием шейки, условное напряжение характеризует сопротивление максимальной равномерной деформации.
Физические модели явления потери устойчивости и образования шейки рассмотрены в работах [85, 92]. На микроскопическом уровне образуются дефекты, проходящие через несколько элементов микроструктуры. Этой стадии соответствует порообразование, затем формирование внутренней шейки до образования магистральной трещины. Для конструкционных материалов на механизм зарождения и роста пор в значительной мере влияет, с одной стороны, чистота металла и его микроструктура, с другой стороны, особенности скольжения, связанные с кристаллической структурой и величиной энергии дефекта упаковки [85].
Многими исследователями показано, что поры зарождаются около включений [77, 83, 93, 103, 125]. Это связано с тем, что в кристаллах с недеформируемыми частицами возникает несовместимость пластической деформации, которая возникает по мере деформирования. Причем, экспериментально установлено, что радиальное напряжение в шейке, связанное с кривизной её наружной поверхности, оказывает преимущественное влияние на зарождение пор, а изменение формы последних в осевом направлении связано, в основном, с деформационным упрочнением стали [121].
Развитие пор в процессе деформации может наблюдаться и в чистых однофазных материалах [126, 132]. Исследования деформирования монокристаллов серебра показали, что образованию пор предшествует большая пластическая деформация, сопровождающаяся поворотом микрообъемов кристалла на углы около 30 [126]. Первоначально поры зарождаются в виде тонких трещин и развиваются в зоне локализованной интенсивной пластической деформации в направлении скольжения в активной системе. В опытах не удалось получить точных сведений, касающихся микромеханизмов зарождения. Можно предположить, что это обычный скол по границам фрагментов. Следует отметить, что поры, как показывает опыт на тонких фольгах, способны развиваться и в отсутствие всестороннего растяжения. С другой стороны, процесс зарождения и развития пор в местах локализации скольжения, как показывают электронно-микроскопические наблюдения, играют важную роль, в особенности при разрушении перемычек между смежными порами (вторичное порообразование) [132]. Рост поры при отсутствии включения путем испускания дислокационных петель рассмотрен в работе [88].
Дальнейшее деформирование материалов приводит к резкой концентрации дефектов и их росту. Наиболее интересные моменты кинетики порообразования, роста макротрещин и взаимного влияния пор и микротрещин рассмотрены в работах [90, 100, 108]. При достижении определенной концентрации трещин и пор образец теряет устойчивость и разрывается, причем разрыв происходит путем возникновения и роста макротрещин в месте повышенной (предельной) концентрации дефектов.
Описание тепловизионных систем, использованных для измерения температурного поля поверхности конструкционных сталей
В качестве приборов, регистрирующих изменение температурного поля образцов, использованы тепловизионная камера «Thermovision 550» шведской фирмы «Agema», а также российская тепловизионная система «ТКВр-ИФП», разработанная Институтом физики полупроводников СО РАН (г. Новосибирск).
Малогабаритные, компактные тепловизионные системы, такие как «Thermovision-550» («Agema»), «Thermo Tracer TH-7102 MX/WX» («NEC San-ei») [17, 61, 86] и другие, позволяют проводить запись и анализ статических термоизображений и термоизображений в реальном масштабе времени [57]. Функции меню таких тепловизоров позволяют сохранять/удалять термограммы, измерять температуру в точке, среднюю температуру на выделенном участке и пр. Портативные тепловизоры позволяют производить контроль и диагностику состояния конструкций и объектов в полевых условиях. Эти камеры удовлетворяют самым жестким требованиям эксплуатации в отношении ударопрочности и вибростойкости.
Тепловизионная система «Thermovision 550». Несомненными преимуществами тепловизионной камеры «Thermovision 550» являются удовлетворительная чувствительность равная 0,1 К, возможность просмотра термоизображений непосредственно на цветном видоискателе высокого разрешения, малый вес, работа от аккумуляторных батарей до 4 часов.
Документирование результатов контроля объектов обеспечивается функциями захвата и записи изображений на сменную PC-карту. Вместе с изображением можно записывать также и речевой комментарий, включая, в частности, данные для идентификации объекта, полевые условия и пр.
Термоизображения можно анализировать как в полевых условиях, пользуясь собственными функциями камеры для измерений в реальном времени, так и на персональном компьютере при помощи поставляемого в комплекте пакета программ Irwin 5.0 для анализа данных. Основные технические характеристики камеры приведены в таблице 2.3.1.
Тепловизионная система «ТКВр-ИФП». В отличие от «Thermovision 550» тепловизионная система «ТКВр-ИФП» является стационарной системой (рис.2.3.1) [61]. Для проведения лабораторных исследований стационарная система более предпочтительна. ИК-камера «ТКВр-ИФП» позволяет производить запись термограмм на жесткий диск персонального компьютера, соединенного с камерой через параллельный порт ПК. Большой объем жесткого диска позволяет реализовать запись термограмм в режиме «термофильм». Воспроизведение термофильма позволяет исследовать кинетику изменения температурного поля образца, производить обработку и анализ полученных термограмм.
Несомненным преимуществом данной ИК-камеры является высокая термочувствительность, равная 0,028 К. Столь высокая чувствительность достигается благодаря использованию матричного детектора ИК-излучения на основе InAs [61]. Спектральный диапазон чувствительности матрицы составляет 2,45- 3,05 мкм [129].
Тепловизионная система «ТКВр-ИФП» поставляется в комплекте с персональным компьютером, который позволяет обрабатывать входной сигнал, поступающий с фотоприемного устройства (ФПУ) и визуализировать ИК-излучение исследуемого объекта на экране монитора. Преимущества матричного ФПУ, по сравнению с одноэлементным или линейчатым, бесспорны.
Практически всегда в матрице присутствуют элементы, имеющие слишком «низкий» или слишком «высокий» уровень выходного сигнала, которые искажают картину теплового поля объекта. На экране монитора они выглядят как черные или белые точки. Подобный дефект матрицы устраняется программно, путем исключения сигнала с неисправного элемента («bad element») и заменой усредненным значением сигнала соседних элементов. Алгоритм замены сигнала дефектного элемента матрицы изложен в [130].
Исследование локализации пластических деформаций в конструкционных сталях при одноосном статическом растяжении
На упругой стадии деформирования материала наблюдается снижение температуры на 0,2-ь0,3 К (участок от S=0 % до пересечения с пунктирной линией А на кривой 2, рис.3.1.2). Наступление текучести материала, соответствующее верхнему пределу текучести стали по диаграмме деформирования (пересечение кривой 1 с пунктирной линией А, рис.3.1.2), характеризуется повышением температуры стали на 0,4-Ю,6 К. Далее, до конца «зуба текучести» материала (до пунктирной линии В, рис.3.1.2), заметного изменения температуры не наблюдается. На начальной стадии деформационного упрочнения вновь наблюдается приращение температуры статически растягиваемого образца. Стадия деформационного упрочнения характеризуется монотонным ростом температуры образца до начала локализации интенсивных пластических деформаций (от пунктирной линии В до линии С, рис.3.1.2). Дальнейшее деформирование образца сопровождается повышением скорости приращения температуры. С момента локализации интенсивных пластических деформаций, сопровождаемого образованием "шейки" в образце, повышение температуры становится существенным (участок между пунктирными линиями С и D).
Следует отметить, что увеличение наклона зависимости "/17Л 5" характеризует рост скорости деформирования. К примеру, на стадии упрочнения деформация протекает равномерно, приращение температуры носит монотонный характер. Локализация интенсивных пластических деформаций приводит к росту скорости деформирования в области «шейки». С чем и связан рост скорости приращения температуры образца в области «шейки».
С целью исследования поведения температуры на стадии текучести образцов, не имеющих ярко выраженного предела текучести, исследованы образцы из стали 18Г2С, подвергнутые отжигу при температуре 1073 К и упрочненные предварительным нагружением до пластической деформации 4,8%.
Для упрочненной стали 18Г2С характерно то, что на диаграмме деформирования отсутствует площадка текучести, но момент наступления текучести также устанавливается по наличию «обратного градиента» температуры, связанного с переходом от упругой деформации к пластической. Различие в характере изменения температуры для образца из упрочненной и отожженной стали 18Г2С заключается в отсутствии участка А-В (рис.3.1.2), соответствующего площадке текучести.
Таким образом, разработанная методика может быть использована для установления момента текучести материала, локализации пластических деформаций и исследования кинетики деформирования конструкционных сталей.
Локализация пластических деформаций сопровождается повышением скорости приращения температуры в области шейки. Кривая приращения температуры стали характеризуется перегибом, свидетельствующем о росте скорости деформирования (пересечение кривой приращения температуры с пунктирной линией С на рис.3.1.2). Максимальное приращение температуры в шейке образца до разрушения при скорости деформирования =1,24x10" с" составляет 10-12 К (без учета «температурного всплеска» при разрыве образца).
Как показывают тепловизионные измерения, до локализации интенсивных пластических деформаций температура в различных точках образца повышается равномерно. Различие в скоростях приращения температуры по поверхности образца наблюдается с момента образования «шейки» [30, 31]. На рисунке 3.2.1 приведены кривые изменения температуры в точках, расположенных на различном удалении от места будущего излома образца, в зависимости от относительного удлинения. Кривая 1 - расположена на расстоянии 3 мм от места излома, кривая 2-6 мм, 3-9 мм, 4-16 мм, 5-31 мм и 6 - 46 мм. Как видно из рисунка, при относительном удлинении до д=\ 8% существенного различия в скоростях приращения температур не наблюдается. По характеру изменения температурные кривые можно разделить на две основные группы: первая - это кривые, полученные с точек, расположенных в области локализации пластических деформаций, к которым в данном случае относятся кривые 1, 2 и 3; вторая - это кривые, полученные с точек расположенных вне «шейки» (4, 5 и б).
Математическая модель оценки количества тепла, рассеивающегося в результате пластической деформации с учетом процессов теплопроводности и конвективного теплообмена с окружающей средой
Использование тепловизионных средств измерения температуры дает возможность определить момент потери устойчивости пластических деформаций для плоских образцов с центрально расположенным круговым отверстием.
При расчетах на прочность элементов конструкций с концентраторами напряжений для определения действующих значений напряжений и деформаций в пластической области широко применяются различные расчетные формулы. Наибольшее распространение получили формулы Нейбера, Хардрата - Омана и их модификации: формула Нейбера; (4.4.1) (сса-\)Ка К-1 К = формула Хардрата-Омана, (4.4.2) где Ка, Ке - коэффициенты концентрации напряжений и деформаций в пластической области, аа - коэффициент концентрации упругих напряжений. Н.А. Махутовым [62] на основе большого количества экспериментальных данных предложено при расчете Ка и Ке учитывать не только геометрию концентратора напряжений, но и характеристики материала, определяемые из стандартных механических испытаний гладкого образца на растяжение - = F2[a T,an,f(an,en)], (4.4.3) где а„ - у - относительное напряжение, F2 - некоторая функция, численные значения которой убывают до определенных минимальных величин при увеличении упругопластических деформаций, соответствующих моменту потери устойчивости пластической деформации в зоне концентрации напряжений. Н.А. Махутовым, также описаны функции F2, обладающие данным свойством при степенной и линейной аппроксимации диаграммы деформирования [62]. М.Д. Новопашиным, Л.И. Бочкаревым и A.M. Ивановым [69] исследована функция F2 и получено аналитическое решение при минимуме функции = 0: да п из которого следует, что напряжение, при котором происходит потеря устойчивости пластических деформаций, является функцией коэффициента концентрации напряжений и не зависит от деформационных характеристик материала.
Численный расчет значений функции F2, проведенный М.Д. Новопашиным, Л.И. Бочкаревым и A.M. Ивановым с использованием ЭВМ, также подтверждает, что значения напряжений апЧ являются только функцией аа. Экспериментальные результаты, проведенные ими на материалах Д19АТ,
В95 и ВСтЗсп5 методами муаровых полос и голографической интерферометрии, удовлетворительно совпадают с расчетами по аналитической формуле (4.4.4) и численным расчетом функции F2 [69].
Определение момента потери устойчивости пластических деформаций по термопластическому эффекту. Статическому растяжению были подвержены плоские образцы с центрально расположенным круговым отверстием из сталей Юкп, 10ХСНД и Ч 4 1 18Г2С при скоростях нагружения от 2x10" до 20x10" м-с" . Геометрические размеры рабочей части образцов следующие: 230x100x1,5 мм с отверстием диаметром 020 мм для стали 10кп5; 100x30x2,1 мм и 0 6 мм - 10ХСНД; 90x30x2,6 мм и 06 мм - 18Г2С. Коэффициент концентрации упругих напряжений аа (по «брутто» сечению) для данных образцов составляет 3,14 [73].
Измерение температуры статически растягиваемого образца производится при помощи тепловизионной камеры. По кривой изменения температуры деформируемого образца устанавливается момент времени г,, соответствующий минимуму функции Т(т) (рис.3.3.2, пересечение кривой изменения температуры 2 с пунктирной линией А). По диаграмме деформирования при относительном удлинении S(TX) В момент времени тх определяется номинальное напряжение стнТ. Определенное таким образом номинальное напряжение тиТ соответствует минимуму функции на кривой изменения температуры (рис.3.3.2).
Номинальные напряжения тн, соответствующие моменту потери устойчивости пластических деформаций и определенные различными способами приведены в таблице 4.4.1. Во втором столбце приведены номинальные напряжения апА, определенные по аналитическому выражению
(4.4.4), где: ?нА = апА т7., опА = 0,65. В третьем столбце таблицы 4.5.1 представлены номинальные напряжения сгпЧ определенные по относительному напряжению =,,,,=0,7, рассчитанного численным методом для аа =3,14 [69].
