Содержание к диссертации
Введение
1. Вопросы исследования основных закономерностей поведения материалов на стадии разупрочнения в условиях сложного напряженного состояния 12
1.1. Исследование поведения материалов на стадии разупрочнения в связи с вопросами живучести и безопасности деформируемых систем 12
1.2. Закономерности и модели процессов закритического деформирования 15
1.3. Вопросы экспериментальных исследований материалов в условиях
сложного напряженного состояния 21
Выводы по главе 26
2. Теоретические положения и методические особенности экспериментальных исследований в области механики закритического деформирования 27
2.1. Теоретические положения механики закритического деформирования 27
2.2. Методические особенности экспериментальных исследований с построением диаграмм деформирования с ниспадающими участками при одноосном растяжении, кручении и совместном растяжении с кручением 41
2.3. Использование специального приспособления для изучения влияния жесткости нагружающих систем на устойчивость процесса закритического деформирования 53
Выводы по главе з
3. Закритическое деформирование конструкционных сталей при одноосном растяжении 61
3.1. Экспериментальное исследование влияния жесткости нагружающей системы на реализацию закритической стадии деформирования 61
3.2. Поведение материалов на закритической стадии деформирования при активном нагружении и разгрузках 71
3.3. Вопросы интерпретации результатов испытаний при возникновении локализации деформаций на стадии разупрочнения 78
Выводы по главе 88
4. Закритическое деформирование конструкционных сталей при совместном растяжении и кручении 89
4.1. Деформирование материалов в условиях плоского напряженного состояния при совместном растяжении и кручении 89
4.2. Изменение сопротивляемости на кручение после предварительного закритического деформирования при растяжении 111
4.3. Вибрационная стабилизация процессов закритического деформирования 114 Выводы по главе 128
Заключение 129
Список литературы 1
- Закономерности и модели процессов закритического деформирования
- Методические особенности экспериментальных исследований с построением диаграмм деформирования с ниспадающими участками при одноосном растяжении, кручении и совместном растяжении с кручением
- Поведение материалов на закритической стадии деформирования при активном нагружении и разгрузках
- Изменение сопротивляемости на кручение после предварительного закритического деформирования при растяжении
Закономерности и модели процессов закритического деформирования
В работах авторов [18, 20, 24, 68, 69, 79] отмечается, что прочностные расчеты в большинстве случаев не могут ограничиваться определением напряженно-деформированного состояния и последующей критериальной оценкой состояния материала в наиболее нагруженной зоне. Вопросы анализа безопасности несущих объектов связаны с разработкой системы оценок по целому комплексу показателей. Многокритериальная оценка безопасности конструкций может осуществляться по следующим параметрам: запас прочности, надежность, живучесть, остаточный ресурс, энергетическая катастрофичность разрушения. Кроме того, комплексный прочностной анализ безопасности может включает анализ способов управления процессом разрушения на основе обеспечения условий устойчивого протекания диссипативных процессов, необходимых для приспособления материалов к условиям эксплуатации (управление структурными параметрами создаваемых материалов, управление свойствами нагружающих систем).
С точки зрения повышения живучести элементов конструкций при разрушении важным явлением механического поведения конструкционных материалов является закритическая стадия деформирования (или стадия разупрочнения) [16, 23, 27]. Закритическая стадия деформирования характеризуется снижением сопротивления материала (разупрочнением), проявляющемся в уменьшении напряжений при прогрессирующих деформациях [23, 29, 95, 107]. Физические причины разупрочнения различных материалов могут существенно отличаться, но, как правило, связаны с возникновением и развитием системы дефектов, разрушением структурных элементов [17, 18, 43, 86, 128]. Полные диаграммы деформирования несут интегральную информацию о закономерностях накопления повреждений и формировании условий макроразрушения. Например, наличие протяженных «пологих» ниспадающих участков свидетельствует о способности материала к приспособлению после достижения предела прочности за счет различных механизмов равновесного развития повреждений [23].
Вопросы экспериментального [3, 8, 10, 30, 42, 53, 54, 56, 71, 73, 78, 95, 108, 110, 120] и теоретического [1, 16, 23, 38, 52, 55, 72, 76, 90-94] изучения закономерностей закритического деформирования материалов привлекают внимание исследователей в связи с вопросами использования деформационных резервов материалов, повышения несущей способности и живучести конструкций, более точного прогнозирования процессов разрушения [23, 91, 117-119, 123].
Изучение закритической стадии деформирования имеет большое значение для развития представлений о разрушении материалов и конструкций. Ряд авторов отмечает целесообразность использования моделей разупрочняющихся сред при описании процессов у вершины трещины [28, 31, 32, 57, 82, 107]. Развитие моделей механики деформируемого твердого тела, описывающих закритическую стадию и соответствующие условия разрушения, имеют важное значение для совершенствования методов уточненного прочностного анализа ответственных конструкций, прогнозирования их поведения в аварийных ситуациях, оценки живучести и безопасности [23].
Устойчивость процесса деформирования на закритической стадии в некоторой локальной области определяется не только свойствами материала, но также жесткостью нагружающей системы — окружения этой области [23]. Поскольку интенсивность процесса разупрочнения при деформировании, которая характеризуется наклоном диаграммы или модулем разупрочнения, может увеличиваться, то в определенный момент на закритической стадии возникает ситуация, когда жесткость нагружающей системы становится недостаточной для сдерживания процесса повреждения. В этих условиях процесс неупругого деформирования теряет устойчивость, а разрушение приобретает неравновесный динамический характер [23].
Жесткость нагружающей системы имеет определяющее значение и при экспериментальной исследовании закритического деформирования [23, 27, 40 42]. При нагружении испытательная машина воспринимает такую же нагрузку, что и образец, которая вызывает как удлинение самого образца, так и упругую деформацию испытательной машины, обусловленную податливостью испытательной машины. Систему «испытательная машина – образец» можно рассматривать как два последовательно соединенных деформируемых элемента различной жесткости. Жесткость испытательной машины при растяжении обычно выражают отношением нагрузки к перемещению захвата, которое является следствием упругой деформации всех частей машины. Крутильная жесткость, аналогично, может определяется зависимостью крутящего момента, обуславливающего деформирование частей машины при кручении, от величины угла закручивания, регистрируемого встроенным датчиком. В работе [40] разработана специализированная установка для испытаний при различных запасах упругой энергии, за счет использования непосредственно в конструкции испытательной машины различного набора тарельчатых пружин. При сжатии пружин в системе запасалась упругая энергия, которая затем расходовалась на деформирование образца в испытании. Показано [41, 42], что на процессы деформирования на закритической стадии оказывает влияние величина запаса упругой энергии в системе.
В работе [56] разработаны установка и методика испытаний материалов с построением полных диаграмм деформирования за счет использования параллельных испытываемому образцу упругих стержней. Использование таких стержней приводит к увеличению жесткости испытательной машины по отношению к образцу. Развитие данной идеи привело к разработке методики испытаний с использованием плоских образцов специальной усложненной геометрии [53, 54] и способу прогнозирования момента разрушения на закритической стадии за счет изменения геометрических параметров образца [27]. Образцы помимо непосредственно рабочей части содержат параллельные ей участки деформирования. За счет изменения размеров этих дополнительных участков удается изменять жесткость нагружающей системы по отношению к рабочей части образца.
Методические особенности экспериментальных исследований с построением диаграмм деформирования с ниспадающими участками при одноосном растяжении, кручении и совместном растяжении с кручением
В работах [23, 30, 52, 95, 107] отмечено, что развитие научных основ уточненного прочностного анализа, включающего оценку безопасности ответственных конструкций на основе комплексного анализа факторов, влияющих на характер процессов образования и развития дефектов, связано с изучением такого важного механического явления, как деформационное разупрочнение материалов на закритической стадии деформирования, непосредственно предшествующей моменту разрушения. Изучение основных закономерностей этого явления, а также их математическое моделирование создают условия для более адекватного прогнозирования условий и процессов разрушения деформируемых тел и анализа возможностей управления процессами разрушения.
Однако в отношении осуществимости закритической стадии деформирования и возможности построения полной диаграммы, существуют различные мнения. В частности, в работах [113, 114] высказано мнение, что закритический участок диаграммы деформирования материала, который возможно зарегистрировать в испытании, может являться динамической характеристикой системы образец-испытательная машина в целом и не зависит от физических свойств материала в закритической области деформирования. В свою очередь, в работах [80, 87] теоретически обосновывается осуществимость состояний материала, соответствующих ниспадающей ветви диаграммы деформирования.
В работах [23, 41, 42, 53 и др.] рассматриваются вопросы формирования условий макроразрушения на закритической стадии деформирования, которые, в отличие от традиционных представлений, определяющих использование силовых или деформационных критериев прочности, 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 взаимодействие деформируемого тела с нагружающей системой. Так, диаграмма обрывается в наивысшей точке, соответствующей пределу прочности материала, при нулевой жесткости нагружающей системы, т.е. при «мягком», или силовом, нагружении. В ином случае нагружающая система при обладании достаточной жесткостью способствует стабилизации процесса накопления повреждений на закритической стадии.
В результате в работе [23] теоретически показано, что в зависимости от условий нагружения каждая точка на ниспадающей ветви диаграммы может соответствовать моменту потери несущей способности, происходящей в результате перехода от стабильной к неравновесной стадии процесса накопления повреждений.
К настоящему времени в работах [16, 23, 84, 95] разработаны основы теории процессов устойчивой закритической деформации разупрочняющихся сред. В [16, 23] сформулирован признак закритической деформации и постулат устойчивости для совокупности деформируемого тела и нагружающей системы, разработаны модели изотропных, трансверсально-изотропных и ортотропных разупрочняющихся сред, доказана теорема единственности решений упругопластических задач с граничными условиями контактного типа для тел с зонами разупрочнения. Осуществлен вывод необходимых условий устойчивости закритического деформирования поврежденных элементов структуры неоднородных сред. Доказаны экстремальные и вариационные принципы механики устойчивого закритического деформирования. Исследованы различные подходы к оценке устойчивости процессов закритической деформации. Дано теоретическое обоснование возможной стабилизации процессов повреждения за счет управления свойствами нагружающих систем. Получены новые аналитические и численные решения краевых задач, иллюстрирующие реализацию резервов несущей способности и повышения живучести конструкций при обеспечении условий устойчивого закритического деформирования.
В работах [18, 20, 91] показано, что учет стадии закритического деформирования в уточненных расчетах позволяет обнаружить резерв несущей способности, оценить живучесть при частичной потере несущей способности. При этом жесткая нагружающая система может способствовать приспособлению объекта за счет локальной диссипации упругой энергии. Использование резервов несущей способности структурно-неоднородных материалов и обеспечение безопасной эксплуатации элементов конструкций может осуществляться путем создания специальных условий равновесного накопления повреждений и разупрочнения материала в наиболее опасных зонах.
Возрастающие требования к достоверности методов оценки несущей способности и долговечности конструкций предопределяют необходимость получения расширенной информации о свойствах конструкционных материалов. Многие методики, в том числе, регламентированные соответствующими стандартами, и большинство промышленных испытательных машин не обеспечивают идентичности условий деформирования образца по жесткости нагружающей системы. На этапе упругого деформирования система «образец – машина» находится в равновесном состоянии, и жесткость машины практически не влияет на характер протекающих в материале процессов. При потере устойчивости деформирования, например, на этапе образования зуба текучести, сопровождающимся резким снижением сопротивления образца, потенциальная энергия, накопленная в машине в результате упругих деформаций ее элементов (тяги, колонны, детали привода), переходит в кинетическую энергию деформирования. При этом датчик силы фиксирует падение нагрузки, отражающее не только физические процессы в материале, но и свойства системы «образец-машина». Эти эффекты в большей мере проявляются на заключительной стадии деформирования материала, когда снижается сопротивление образца [23, 42, 54].
Поведение материалов на закритической стадии деформирования при активном нагружении и разгрузках
Установлено, что характеристика жесткости испытательной машины во всем диапазоне рабочих нагрузок имеет практически линейную зависимость нагрузки от перемещения захвата и равна 122 МН/м. Однако при нагрузках до 10 кН жесткость испытательной машины имеет более высокое значение и достигает 170 МН/м. В работе [20] представлена характеристика жесткости испытательной машины Инстрон-1195, отмечено, что жесткость испытательной машины зависит от рабочих нагрузок и увеличивается от 6 8 МН/м при нагрузках, меньших 500 Н, до 57 МН/м при нагрузках 2000 Н и более. Также указано, что обычные испытательные машины имеют жесткость порядка 3 63 МН/м, для пресса Гагарина указанная характеристика – 55 МН/м, для разрывной машины Р-5 – 15 МН/м. Жесткость специально сконструированных машин может достигать 165 МН/м.
Снижение жесткости с увеличением нагрузки в некоторой степени может быть обусловлено особенностью конструкции клиновидных захватов. Конструкция захватов предотвращает проскальзывание образца в губках, но при недостаточном давлении масла в контуре захватов, допускает движение губок относительно корпуса захвата при увеличении нагрузки, образуя зазор между губками захватов и опорной поверхностью поршня, что вносит дополнительное перемещение в элементах испытательной машины, и, следовательно, снижается жесткость испытательной машины с увеличением нагрузки. Для минимизации этого эффекта необходимо подбирать давление масла в контуре захватов в зависимости от максимальной осевой нагрузки в испытании, материала образца и геометрии захватных частей. Рекомендуется устанавливать гидравлическое питание захвата на величину давления, создающую осевую силу зажима, на 10–15 % больше, чем максимальная нагрузка, которая будет приложена к образцу.
Жесткость испытательной машины при кручении также имеет практически линейную зависимость во всем диапазоне рабочих нагрузок и равна 520 Нм/град. В отличие от осевой жесткости на участках при величине момента до 200 Нм и при величине момента более 900 Нм крутильная имеет более низкое значение. Таким образом, используемая в работе испытательная система Instron 8850 обладает высокими характеристиками жесткости как при растяжении, так и при кручении, что создает благоприятные условия для проведения испытаний с построением ниспадающих участков диаграмм деформирования.
При проведении испытаний осевая нагрузка и крутящий момент регистрировались посредством двухосевого датчика нагрузки испытательной системы. Погрешность измерений датчика нагрузки составляет 0,5 % от измеряемой величины в диапазоне нагрузок от 0,2 % до 1 % от номинальной мощности датчика и 0,4 % в диапазоне от 1 % до 100 % номинальной мощности датчика. Осевые перемещения и вращение в процессе испытания образцов регистрировались по встроенным датчикам испытательной системы. Для измерения перемещений непосредственно в рабочей части образцов в испытаниях использовались осевой динамический экстензометр Instron 2620 45 и двухосевой экстензометр Epsilon 3550-010М, приведенные на рисунке 2.8 и рисунке 2.9 соответственно.
Сплошной цилиндрический образец в захватах испытательной машины с установленным экстензометром для измерения осевой деформации
Тонкостенный трубчатый образец в захватах испытательной машины с установленным двухосевым экстензометром Осевой динамический экстензометр имеет большой рабочий диапазон перемещений, позволяющий регистрировать деформацию в диапазоне ± 40 % на базе 10 мм. Это позволяет использовать его для регистрации деформаций на закритической стадии деформирования вплоть до момента разрушения образца. Двухосевой экстензометр имеет маленькие рабочие диапазоны перемещений, позволяющий регистрировать данные в диапазонах ± 5 % осевой деформации и ± 4 угла сдвига на базе 10 мм. В связи с этим навесной двухосевой экстензометр использовался на начальном участке упругопластического деформирования для возможности корректировки диаграмм деформирования, построенных по данным встроенных датчиков осевого перемещения и угла закручивания.
Программное обеспечение WaveMatrix испытательной системы позволяет задавать комплексную программу нагружения, которая может состоять из большого количества последовательных и повторяющихся шагов для каждой оси нагружения (ось растяжения и ось кручения). При этом на каждом шаге возможно независимое задание программы нагружения с контролем по нагрузке (моменту) или перемещению (углу закручивания). В процессе испытания система обеспечивает точную реализацию заданных параметров за счет работы по принципу замкнутой сервосистемы с быстродействующей обратной связью.
В процессе испытания посредством встроенных датчиков и контролера регистрируется осевая нагрузка и крутящий момент, прикладываемые к образцу, а также перемещение и угол закручивания активного захвата с заданной частотой (до 5 кГц) и параметрами фильтрации и сокращения данных по всем каналам. Специализированное программное обеспечение позволяет задать геометрические характеристики образца (площадь поперечного сечения, момент сопротивления, длину и диаметр рабочей части), в результате чего происходит автоматический расчет напряжений (нормального и касательного) и деформаций (осевой и сдвиговой) в процессе испытания. Все регистрируемые в процессе испытания зависимости записываются в файл в виде таблицы. Данные, которые будут сохранены в таблицу, настраиваются в, так называемом, методе испытаний. Как правило, таблица результатов испытаний содержит столбцы, содержащие значения времени, нагрузки, перемещения, нормального осевого напряжения, касательного напряжения, осевой деформации, сдвиговой деформации, количества пройденных циклов (в случае циклических испытаний). В случае проведения испытания с навесными экстензометрами (осевыми, поперечными и двухосевыми) регистрируемые данные являются отдельными каналами и аналогично с данными со встроенных датчиков записываются в таблицу файла испытания.
При испытаниях совместно с другими измерительными и регистрирующими системами (например, видеосистемой или аппаратурой регистрации сигналов акустической эмиссии) осуществляется синхронизация систем, участвующих в опыте, через аналоговые выходы с диапазоном напряжения ± 10 В. На каждый из четырех аналоговых каналов может быть выведен сигнал пропорциональный перемещению (осевому и вращательному) активного захвата, нагрузке, крутящему моменту или постоянный уровень сигнала, который может быть задан на каждом шаге в методе испытания.
В испытаниях на растяжение и совместное растяжение с кручением обеспечивались условия «жесткого» (кинематического) нагружения посредством задания программы изменения с постоянной скоростью и контроля осевых перемещений и угла закручивания. В испытаниях на совместное растяжение с кручением отношение осевой деформации к углу сдвига (к0 = є0/у0) задается по встроенным датчикам испытательной системы.
При этом скорость деформирования рабочей части зависит от соотношения жесткостей нагружающей системы и рабочей части образца, которая изменяется в процессе деформирования
Изменение сопротивляемости на кручение после предварительного закритического деформирования при растяжении
С точки зрения использования данных о разупрочнении материалов в моделях закритического деформирования представляет интерес изучение закономерностей закритического деформирования при последовательном растяжении и кручении, в частности, анализ влияния степени достигнутой закритической деформации при растяжении образца на деформирование материала при последующем кручении.
С целью анализа деградации сопротивляемости материала процессам разрушения при последовательном растяжении с кручением, в частности, при кручении после предварительного разупрочнения при растяжении проведены испытания на сплошных цилиндрических образцах диаметром 6 мм с длиной рабочей части 8 мм, изготовленных из стали 40Х. В испытаниях реализовано одноосное растяжение с разгрузками на различных стадиях упругопластического и закритического деформирования. График изменения осевого напряжения от деформации приведен на рисунке 4.22, номерами на рисунке отмечены разгрузки в порядке их реализации. После каждой разгрузки образца при достижении нулевого значения осевого напряжения реализовано кручение до величины момента не превышающей 4 Нм (величина момента не превышает значения, соответствующего пределу текучести при кручении образца в исходном недеформированном состоянии) и последующая разгрузка до нулевого значения крутящего момента. Полученные зависимости изменения крутящего момента от угла закручивания после каждой разгрузки приведены на рисунке 4.23. Номера приведенных зависимостей на графике соответствуют номерам разгрузок на рисунке 4.22. Характеристика 1 на рисунке 4.23 построена при кручении образца в исходном неповрежденном состоянии до одноосного деформирования.
На рисунке 4.24 приведены фотографии конфигурации образца на различных стадиях испытания: а – исходный образец, б – разгрузка № 1, в – разгрузка № 2, г – разгрузка № 3, д – разгрузка № 4, е – разгрузка № 5, ж – разгрузка № 6, з – разрушенный образец с трещиной.
В результате проведения испытаний при последовательном растяжении и кручении по данной методике построены качественные зависимости эволюции жесткости сплошного цилиндрического образца на кручение после предварительного закритического деформирования, достигнутого при одноосном растяжении до различных степеней деформации. Необходимо отметить, что после кручения и последующей разгрузки наблюдается остаточный угол закручивания образца. Увеличение предварительно достигнутого уровня закритического деформирования при растяжении приводит к снижению сопротивляемости образца на кручение, что проявляется в снижении его жесткости и уменьшении угла наклона зависимости крутящего момента от угла закручивания. Снижение жесткости при кручении частично может быть связано с изменением длины и диаметра рабочей части образца вследствие неупругого деформирования при растяжении.
Представляет интерес исследование влияния различных дополнительных воздействий, в частности, вибрационных, которые могут быть связаны с конкретными условиями эксплуатации или быть специально реализоваными в определенных технологических режимах. Такие дополнительные воздействия могут приводить к созданию как усугубляющих, так и благоприятных с точки зрения равновесности процесса условий накопления повреждений и разрушения.
С целью поиска и изучения возможного влияния малых вибрационных воздействий на устойчивость процессов закритического деформирования в работе реализована методика испытаний на одноосное растяжение при наличии дополнительных вибрационных воздействий на знакопеременное кручение малой амплитуды. Программа испытаний на одноосное растяжение с вибрационным воздействием представлена в таблице 4.1. Среднее значение угла закручивания во всех группах испытаний составляло ноль градусов, что соответствует симметричному циклу нагружения. Использовались сплошные образцы диаметром рабочей части 6 мм, длиной 10 мм.
Программа проведения испытаний на одноосное растяжение с вибрационным воздействием
Задаваемый в испытаниях угол закручивания обеспечивал максимальный угол сдвига в приповерхностном слое материала. Причем возникающий при этом крутящий момент не превышал величины 30% для стали 20 и 25% для стали 40Х от момента, соответствующего пределу текучести материала в поверхностном слое рабочей части образца при чистом сдвиге.
В результате проведения экспериментальных исследований на одноосное растяжение сплошных цилиндрических образцов с вибрационным воздействием на кручение получены следующие результаты. Для стали 20 в первой группе испытаний (а=0,25, =20 Гц) на пяти образцах получены полные равновесные диаграммы растяжения, представленные на рисунке 4.25: 1 – растяжение без воздействий, 2 – при наличии вибрационных воздействий. На рисунке 4.26 представлен заключительный участок диаграмм растяжения образцов стали 20 в данной группе испытаний. Область диаграммы 1 соответствует моменту разрушения образца при растяжении без дополнительных воздействий, при наличии вибраций нагрузка снижается до нулевого значения к моменту разрушения.
Результаты испытаний стали 20 с вибрационным воздействием первой группы – 2, одноосное растяжение без воздействий – Рисунок 4.26 – Заключительный участок диаграмм растяжения стали 20 с вибрационным воздействием первой группы и диаграммы растяжения без воздействий, 1 – момент разрушения образца без воздействий В результате испытаний стали 20 в группе № 2 (а=0,1, =25 Гц) на четырех образцах получены диаграммы растяжения, представленные на рисунке 4.27. В испытаниях группы №2 вибрационное воздействие реализовано с момента достижения максимального значения осевой нагрузки, что привело к падению нагрузки (участок 3 на рисунке 4.27). На трех образцах получены полные равновесные диаграммы растяжения, один образец разрушился, не достигнув нулевой нагрузки.
