Введение к работе
,:..
Актуальность работы. Научная и производственная необходимость описания процессов пластического деформирования и разрушения металлов и сплавов делает чрезвычайно актуальными теоретические и экспериментальные исследования механических свойств материалов при сложном напряженной состоянии и в широком интервале температур. Исследование закономерностей не* упругого деформирования и знание прочностных свойств необходимо как для приложения в практике, так и для дальнейшего развития теории пластичности.
Технический прогресс предъявляет все более высокие требования к механическим свойствам металлов и сплавов, к их способности противостоять механическим воздействиям в сложных физических условиях. В связи с этим все более настоятель^ ной становится необходимость обоснования путей конструирования металлов с повышенными прочностными и деформационными овойствами.
Для расчета напряженно-деформированного состояния элементов конструкций необходимы модели теории пластичности, надежно обоснованные результатами экспериментов. Классические теории пластичнооти, опирающиеся на представление об изотропном материале, применимы только для простых нагруже* ний и некоторых классов сложных нагружений, близких к простым. Это обстоятельство обусловливает необходимость построения новых моделей пластического деформирования справедливых для широких классов сложных нагружений, которые более типичны для реальных условий обработки металлов давлением, и которые позволяли бы решать важные задачи, находящий применение в практике.
Накопленные к настоящему времени экспериментальные данные о сложном нагружений свидетельствуют о том,; что первоначально однородный и изотропный материал становится анизотропным. Анизотропия пластического соотояния элемента материала зависит как от достигнутого напряженно-деформированного состояния, истории деформирования, так и от направления догружения.
Анизотропное проявление пластичеоких свойств материала
вызывает сложное нагружение, сопровождаемое частичной разгрузкой в одном или нескольких направлениях и активными наг* ружениями в других направлениях. В этом случае в одном или нескольких направлениях происходит восстановление упругого деформирования, наряду с пластическим - в других направлениях.
Одним из основополагающих результатов экспериментально-» го исследования при нагружениях с частичной разгрузкой является возможность существенного повышения сопротивления материала пластическому сдвигу и увеличения его предельных прочностных и деформационных свойств в одном иди всех направлениях тензора деформаций при определенных траекториях натру» жения; Это дает возможность ооздавать повышенную жесткооть в одном или во всех направлениях и увеличить предельные деформационно-прочностные свойства.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научных исследований: Раздел УІ "Комплексное исследование региональных и глобальных геологических процессов и создание научных основ разработки полезных ископаемых". Шифр темы 3.2.1.2. "Изучение процессов деформирования и разрушения горных пород и сыпучих материалов при статическом и динамическом нагружениях" (номер государственной регистрации 01860072595); координационным планом СО АН СССР и Министерства среднего машиностроения от 03.08.88; программой СО РАН "Механика. Научные основы машиностроения и надежности.машин" ; программой СО РАН "Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных материалов и создания перспективных технологий"; тематикой хоздоговорных работ.
Целью работы являлось:
-
Построение варианта теории пластичности анизотропно упрочняющейся среды для классов нагружений с совпадающими главными направлениями тензоров напряжений и деформаций, разработка методик, приборов и постановка экспериментов по изучению закономерностей упругошіаотического деформирования при простом и сложных нагружениях в условиях комнатной и низкой температур.
-
Экспериментальное исследование закономерностей упру» гопластического деформирования конструкционных металлов при
простом и сложном нагруїениях с неподвижными главными нап-» равлениями тензоров напряжений и деформаций при комнатной и низкой температурах.
-
«Экспериментальное изучение траекторий сложного наг-ружения, при которых осуществляется упругое изменение ОДНОЙ из главных компонент тензора деформация.
-
Исследование возможности повышения сопротивления материала пластическому деформирование и увеличения его предельных деформационно-прочностных свойств в одном из главных направлений тензора деформаций по сравнение с аналогичными при простом нагружении.
Определение траекторий предварительного сложного натру-жения, приводящих к такому упрочнению, и обрасти повторных нагружении, где этот эффект сохраняется.
-
Экспериментальная проверка основных полонений варианта теории пластичности анизотропно упрочнящей среды при сложных нагружениях с неподвижными главными направлениями тензора напряжений и деформаций при комнатной и низкой температурах.
-
Исследование границ применимости теории малых упру-гопластйческих деформаций и варианта теории течения в форме Ланинга;
Ыетоды исследований; аналитические методы; постановка экспериментальных исследований, аналитические и численные расчеты проводились в лабораторных условиях; разработка принципиальных устройств, связанных с решением прикладных задач, анализ результатов испытании работы этих устройств проводились в лабораторных и промышленных условиях.
Научная новизна и практическая ценность работы определяются следующими результатами, которые выносятся на защиту:
построены определяющие соотношения варианта теории пластичности анизотропно упрочняющейся среды, в основе которого залонена механическая схема деформирования Христианов»-ча и предложение об ортогональной анизотропии пластического состояния в форме Шемякина;
проведена экспериментальная проверка основных положений варианта теории пластичности анизотропно упрочняющейся среды при простых и сложных нагружениях с неподвижными глав*
ныли направленияии тензора напряжений при комнатной и низкой температурах;
установлены возможные границы применимости деформационной теории пластичности и варианта теории течения в форме Ходжа-Прагера с законом упрочнения Ланинга для первоначально однородных и изотропных материалов при сложных нагруяениях, сопровоядавдихся частичными разгрузками в одних направлениях и активными нагружениями в других направлениях;
экспериментально исследованы закономерности упруго-пластического деформирования ряда конструкционных металлов при сложных нагружениях, сопровождающихся частичными разгрузками ;
установлены закономерности упругопластического деформирования при последовательной смене пластических состояний полной и неполной пластичности;
исследовано влияние второго главного напряжения при нагружениях с частичной разгрузкой на характер упрочнения при последующем повторном простом или сложном нагружениях;
исследована возможность повышения сопротивления мате-» риала пластическому деформировании и увеличению его предельных прочностных и деформационных свойств в одном из главных направлений тензора деформаций по сравнению с аналогичными при простом нагружении» В связи с этим установлены направле» ния в материале наибольшего повревдения, а такде направления сохранения прочности в зависимости от третьего инварианта девиатора напряжений, что позволит наиболее полно использовать имеющиеся резервы прочности и пластичности;
исследовано влияние предварительного простого и сложного нагружения при постоянном значении максимального касательного напряжений с превышением второго главного напряжения над первым главным напряжением и различной истории разгрузки на характер упрочнения материала при последующем повторном простом или сложном нагружениях. Установлен вид поверхности нагружения и ее фронтальной части;
установлено наличие угловой особенности в точке на-ружения при сложных нагружениях с частичной разгрузкой в одном из направлений предварительного.пластического деформирования ;
- установлены резервы прочности и пластичности одного из циркониевых сплавов.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается корректным применением теоретических и экспериментальных методов механики деформируемого твердого тела, использованием современных методик экспериментальных исследований, сопоставлением с экспериментальными данными других авторов. Достоверность экспериментальных данных подтверада-ется повторяемостью результатов при многократной реализации одной и той яе программы нагружения и метрологическим обеспечением измерении.
Реализация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, используются в публикациях по механике неупругого деформирования, а такне в течение ряда лет в качестве составной части спецкурсов и лабораторного практикума по механике деформируемого твердого тела для студентов Новосибирского государственного университета.
Разработан способ изменения механических свойств материалов за счет направленного деформационного упрочнения при слонном нагружении, сопровождаемом активными нагружениями и ростом пластических деформаций в одних направлениях и частичной разгрузкой с прекращением роста пластических деформаций в других направлениях.
Усовершенствован технологический процесс изготовления канальной трубы из циркониевого сплава тепловыделяющего элемента, в основу которого заложен способ упрочнения, описанный выше. Изготовлена опытная патрия труб. Заводские и лабораторные испытания показали высокую однородность механических и деформационных характеристик сплава. Увеличины предельные дефориационные свойства по сравнению с аналогичньши свойствами трубы, изготовленное по существующей технологии.
По результатам разработок получено 2 авторских свидетельства на изобретение.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили одобрение специалистов на У и УІ Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механике (г.Алма-Ата, 1961 г., г. Ташкент, 1986 г.), У Национальном Конгрессе по теорети-» ческой и прикладной механике (НРБ, г.Зарна, 1985 г.), 7~ой
Всесоюзной конференции по прочности и пластичности (г.Горький, 1978 г.), Всесоюзном совещании "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (г.Киев, 1977 г.), П Всесоюзном симпозиуме "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (г.Киев, 1984 г.)» Ш Всесоюзном симпозиуме "Прочность материала и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (г.Киев, 1989 г.), I Всесоюной школе-семинаре "физические основы деформирования и разрушения конструкционных материалов" (г.Ленинград, 1983 г.), ХХП Всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей (г.Москва, 1988 г.), ХМ Всесоюзном совещании по проблемам прочности двигателей (г.Москва, 1990 г.). Всесоюзном семинаре "Технологический задачи ползучести и сверхпластичности" (г. Но-висибирск, 1986 г.). Второй летней школе по механике деформируемого твердого тела (г.Куйбышев, 1989 г.), Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (г.Якутск, 1990 г.), Международной конференции ИМЕКО "Испытательное оборудование для экспериментального исследования механических свойств материалов и конструкций" (г.Москва, 1989 г.), Научных семинарах Института гидродинамики СО РАН (г.Новосибирск), Научных семинарах Института проблем механики РАН (г.Москва), Научных семинарах Института проблем механики АН Украины (г.Киев), Научных семинарах Института горного дела СО РАН (г.Новосибирск), Новосибирского госуниверситета (г.Новосибирск), Научном семинаре отделов Института проблем прочности АН Украины (г.Киев), Научном семинаре Центрального научно-исследовательского института материалов (г.Санкт-Петербург), Научном семинаре Научно-исследовательского института неорганических материалов (г.Москва), научном семинаре кафедры теоретической механики Львовского политехнического института (г.Львов), ряде Всесоюзных конференций и семинарах по механике горных пород (г.Новосибирск, г.фрунзе, г.Ереван), научно-практических конференциях. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,' шести глав,' выводам к главам, заключения, списка литературы и приложения, содержащего документы о практическом использовании результатов. Объем работы - 457 стр., в том
числе 149 рисунков, 3 таблицы на 3 листах иприложение на 2 страницах. Список литературы составляет 288 наименований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано Ц2 работы и сделано 2 изобретения.
Автор выражает благодарность А.А.Вавакину, В.В.Викторову, А.Н.Иохелю, ЛіП.Степанову, ГЛЛиндину, А.Ц.Коврижных, Н.С.АДигамову, Г.Ф.Боброву, Д.М.Рабунцу, В.Н.Семенову, Н.Э. Гинзбургу, О.М.Усовой, совместно с которыми проводились эксперименты и их обработка» Автор глубоко признателен академику Российской АН Евгению Ивановичу Шемякину за ценные советы и постоянное внимание к работе.