Содержание к диссертации
Введение
1. Напряженно-деформированное состояние в зоне геометрического макроконцентратора напряжений 15
1.1. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния в сечениях, ослабленных геометрическим макроконцентратором напряжений, для упругой области 15
1.2. Методы измерения деформаций 19
1.2.1. Метод тензометрии 20
1.2.2. Определение деформаций по распределению твердости... 25
1.2.3. Метод сеток 30
1.2.4. Метод муаровых полос 38
1.2.5. Голографическая интерферометрия 42
1.2.6. Поляризационно-оптические методы 44
1.2.7. Заключение 49
1.3. Экспериментальные исследования напряженно- деформированного состояния в области геометрического концентратора напря жений в пластической области 52
1.3.1. Заключение 63
2. Постановка задачи, материалы и методы экспериментальных исследований 65
2.1. Постановка задачи 65
2.2. Выбор материалов и образцы 68
2.3. Методики эксперимента 72
2.3.1. Методика количественной оценки локальных деформаций 75
3. Распределение деформаций в окрестности надреза в процессе испытания металлических материалов активным ратяжением 80
3.1. Механические свойства образцов с единичным круговым надрезом 82
3.2. Металлографические исследования образцов с единичным круговым надрезом 84
3.3. Характер изменения напряженно-деформированного состояния в области кругового надреза при растяжении образцов 88
3.3.1. Поликристаллическая медь 88
3.3.2. Субмикрокристаллическая медь 91
3.3.3. Никелид титана 92
3.4. Анализ результатов 95
3.5. Заключение 99
4. Самоорганизация зон макролокализации деформации в области трех круговых надрезов и связанный с ней характер разрушения 101
4.1. Механическое поведение образцов с надрезами 103
4.2. Металлографические исследования 104
4.3. Эволюция напряженно-деформированного состояния в области трех круговых надрезов 106
4.4. Аттестация напряженно-деформированного состояния в области трех круговых надрезов 109
4.5. Заключение 111
5. Эволюция напряженно-деформированного состояния при растяжении стали 65x13, поверхностно упрочненной ионно-плазменным азотированием 113
5.1. Структура стали 65X13 с поверхностно упрочненным азотированным слоем 114
5.2. Закономерности развития зон макролокализации деформации 117
5.3. Заключение 123
Заключение и основные выводы 125
Литература 128
- Экспериментальные исследования напряженно- деформированного состояния в области геометрического концентратора напря жений в пластической области
- Методика количественной оценки локальных деформаций
- Металлографические исследования образцов с единичным круговым надрезом
- Эволюция напряженно-деформированного состояния в области трех круговых надрезов
Введение к работе
Актуальность выбранной темы. При разработке новых конструкционных материалов важна комплексная оценка их механического поведения. Однако при использовании материалов в изделиях и конструкциях, имеющиеся в них геометрические неоднородности (выступы, отверстия, надрезы с разной конфигурацией их пространственного расположения) усложняют характеристики напряженно- деформированного состояния и изменяют механические свойства изделий. В области упругих деформаций коэффициенты концентрации напряжений и деформаций в окрестности таких концентраторов зависят от их геометрии и не зависят от степени нагружения и свойств материалов. В большинстве случаев их значения теоретически рассчитаны и известны. В области пластических деформаций коэффициенты концентрации напряжений и деформаций определяются сложнее. Однородные характеристики напряжений и деформаций при испытании стандартных образцов в конструкциях с геометрическими концентраторами становятся неоднородными. Созданные при этом области с повышенной концентрацией напряжений провоцируют макролокализацию пластического течения. Она ограничивает достижимые деформации и существенно ускоряет разрушение конструкций. В этом случае важно оценить влияние этих геометрических неоднородностей на механическое поведение материалов и характер их разрушения.
Другой аспект актуальности изложенной выше проблемы связан с бурно развивающимся новым научным направлением «Физическая мезомеханика материалов». Согласно основной концепции физической мезомеханики деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая иерархически организованная система, в которой деформация и разрушение самосогласованно развиваются как процессы потери сдвиговой устойчивости на микро-, мезо-, и макромасштабных уровнях. Сдвиг на любом масштабном уровне может зарождаться только в локальной зоне концентратора напряжений соответствующего масштаба. Концентраторы напряжений определяют закономерности локализо-
ванного пластического течения материала и на макромасштабном уровне обусловливают его разрушение. В связи с этим понятие о концентраторах напряжений, их количественной оценке в физической мезомеханике материалов становится центральным.
В ходе деформации образца (детали) с концентраторами напряжений изначально неоднородное напряженно-деформированное состояние непрерывно изменяется. Поэтому экспериментальные методы идентификации напряженно-деформированного состояния должны обладать высокой степенью автоматизации. Только в этом случае, возможно будет оценить и описать на всех этапах деформации:
— непрерывно изменяющиеся области влияния того или иного концентра
тора;
— конфигурацию развивающихся зон пластичности;
характер самосогласования двух (или нескольких) зон от взаимодействующих концентраторов;
кинетику развития напряженно- деформированного состояния на стадии предразрушения, определяющую впоследствии характер разрушения образца (детали).
К настоящему моменту количественная аттестация локального напряженно-деформированного состояния осуществляется путем измерения полевой деформации и построения картин ее пространственного распределения. Переход к напряжениям осуществляется на основе уравнений и гипотез различных теорий: обобщенного закона Гука, деформационной теории пластичности, теории течения Сен-Венана, гипотезы пластичности, о соосности напряжений и приращений главных деформаций. Следует отметить, что необходимость подсчета напряжений (по измеренным и реально существующим деформациям) вызвана лишь тем, что в инженерных расчетах на прочность принято пользоваться величинами напряжений. Процесс пластической деформации и разрушения более правильно оценивать по деформациям.
Распространенные экспериментальные методы измерения пластических деформаций многочисленны, но ни один не является абсолютным, каждый имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее широко используемый и четко оформленный поляризационно-оптический метод - фотоупругих покрытий, не компьютеризирован. Для оценки напряженно-деформированного состояния этим методом необходима дополнительная обработка поверхности: наклейка оптически чувствительного покрытия. Исходная картина интерференционных полос, при расшифровке которых получаются экспериментально-расчетные характеристики деформаций и напряжений, в методах с оптически чувствительными покрытиями фиксируются на фотопленку, что заметно увеличивает трудозатраты эксперимента. Наконец, этот метод нельзя использовать для исследования распределения деформаций в малых полях (от 1 до 4 мм) с высокими градиентами деформаций и напряжений.
В связи с выше перечисленными факторами, исследование кинетики напряженно- деформированного состояния этим методом не экономично с точки зрения времени и труда, затраченного на эксперимент. Это ограничивает исследования широкого круга материалов и статистическую обработку полученных экспериментальных результатов.
В настоящей работе измерение полевых локальных деформаций производится с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC. В отличие от метода фотоупругих покрытий, измеряющего как упругие, так и большие пластические деформации, предложенный в работе метод измеряет деформации поэтапно от 1% до стадии разрушения, при этом конец предыдущей стадии является началом последующей. Разработанная на основе оптико-телевизионного измерительного комплекса методика измерения локальных полевых пластических деформаций основана на построении полей векторов смещений при сравнении двух последовательных изображений исследуемого участка поверхности. Метод компьютеризирован. Регистрация в компьютере оптических изображений поверхности при нагружении образца in situ осуществляется через четыре секунды. Для сравниваемых кадров по специально разрабо-
8 тайной программе рассчитываются поля векторов смещений. С помощью печати на цветном принтере визуализируются картины полей соответствующих им продольных и поперечных компонент. На полях последних выявляются линии равных смещений (изотеты), являющиеся исходными данными для расчета всей совокупности характеристик деформаций и напряжений.
Цель работы. Исследовать закономерности влияния силового, геометрического и физико-механического факторов на интенсивность деформации в зоне геометрических концентраторов напряжений, а также на конфигурацию, размеры и характер развития пластической деформации этих зон для материалов с разными механическими свойствами. Провести анализ процесса разрушения на мезо- и макромасштабном уровнях на основании установленных закономерностей.
Научная новизна. Разработана новая методика измерения полевых пластических деформаций с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC высокого разрешения. Выполнено ее приложение к решению закономерностей формирования зон макролокализации деформации и разрушения в геометрически неоднородных телах.
Впервые в пластической области деформаций оценены количественно зоны макролокализации деформации в области кругового надреза поликристаллической и субмикрокристаллической меди, в никелиде титана, принципиально различающихся вкладом механизмов деформации на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях.
Практическая значимость работы. Разработанная методика измерения полевых пластических деформаций на мезо- и макромасштабном уровнях является весьма эффективной для оценки несущей способности новых структурно неоднородных конструкционных материалов, их сварных соединений. Использование этой методики на начальной стадии работы концентратора напряжений позволяет оценить конфигурацию зон локализованной пластической деформации и закономерности ее развития. На стадии предразрушения данная методика позволяет оценить остаточный ресурс работы.
На основании разработанной методики даются практические рекомендации снижения концентрации напряжений в реальных конструкциях путем оптимизации пространственного расположения макроконцентраторов напряжений.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
Методика расчета локальных характеристик пластической деформации на основе анализа изотет, полученных оптико-телевизионным измерительным комплексом TOMSC (с большой разрешающей способностью (база измерений 1.2-72 мкм) и быстродействием), позволяющая изучать характер деформации на мезо- и макромасштабном уровнях.
В поликристаллах с развитой деформацией на микро- и мезомасштабном уровнях в области единичного надреза на боковой поверхности плоского образца формируется «двулепестковая» зона макролокализации деформации, кинетика развития которой связана с характером разрушения. Если ее развитие блокируется пластическим течением на микро- и мезомасштабном уровнях, то образцы разрушаются по схеме нормального отрыва под действием нормальных растягивающих напряжений. При подавлении деформации в объеме материала на микро- и мезомасштабном уровнях разрушение происходит по схеме сдвига под действием касательных напряжений.
Экспериментально установленный факт ускорения развития зон макролокализации деформации при наличии на противоположной боковой поверхности образца дополнительных надрезов вдоль направлений ттах. Разрушение в этом случае происходит сдвигом под действием максимальных касательных напряжений.
Критерий предразрушения деформируемых плоских образцов с упрочненным поверхностным слоем боковых или лицевых граней, согласно которому зарождение и распространение магистральной трещины происходит в зоне макролокализации деформации, которая перекрывает все сечение образца и характеризуется максимальной интенсивностью скорости деформации.
Связь работы с Государственными программами и НИР. Работа выполнялась в рамках следующих научных проектов и программ: «Физическая мезо-
10 механика структурно неоднородных сред» (основное задание НИР ИФПМ СО РАН на 1995-2000 г.г.); «Основы физической мезомеханики поверхностных слоев твердых тел» (основные задания НИР ИФПМ СО РАН на 2001-2003 г.г.); грант РФФИ государственной поддержки ведущих научных школ «Школа академика Б.Е. Панина: Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов» (проект № 00-15-96174, 2000-2002 г.г.); проект РФФИ грант № 02-01-01195а; интеграционный проект специализированного отделения ЭММПУ РАН- СО РАН 3.11.3; грант Президента РФ для поддержки ведущих научных школ «Школа академика Б.Е. Панина» №НШ-2324.2003.1.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих Международных, Всероссийских и Региональных конференциях и школах-семинарах:
Вторая всероссийская конференция молодых ученых « Физическая мезомеханика материалов», Россия, г. Томск, 23-25 ноября, 1999 г.
V Международная конференция молодых ученых «Современные техники и технологии», Россия, г. Томск, 26-30 апреля, 1999 г.
III Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (MESO-2000), Росси, г. Томск, 12-14 декабря, 2000 г.
Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НТИ-2001), Россия, г. Новосибирск, 11-13 декабря, 2001 г.
Четвертая Всероссийская конференция молодых ученых, Физическая мезомеханика материалов «МЕЗО Механика-2001», Россия, г. Томск, 26 -30 ноября, 2001 г.
6. Международная конференция «Мезомеханика: основы и приложе
ния» (Mesomechanics'2001), Россия, г. Томск, 26-28 марта, 2001 г.
7. III Школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы фи
зики и технологии», Россия, г. Томск, 30 января-1 февраля, 2002г.
8. 1-ая Международная конференция «Современные проблемы маши
ностроения и приборостроения», Россия, г. Томск, 24-28 сентября, 2002г.
9. VIII Международная научно практическая конференция студентов,
аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Россия, г.
Томск, 8-12 апреля, 2002г.
10. IV Школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы фи
зики, технологии и инновационного развития», Россия, г. Томск, 5-7 февраля,
2003 г.
11. IX Международная научно-практическая конференция студентов, ас
пирантов и молодых ученых (СТТ-2003), Россия, г. Томск, 7-11 апреля, 2003 г.
International Workshop «Mesomechanics: Fundamentals and Applications» (MESO'2003), August 18-23, Tomsk.
V Всероссийская конференция (школа) молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», Россия, г. Томск, 18-22 августа, 2003 г.
Региональная школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства- 2003», Россия, г. Томск, 17-18 июня, 2003г.
Proceedings of the Sixth International Conference for Mesomechanics held in Patras, May 31-June 4, 2004, Greece.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ: 4 статьи в журналах центральной печати, 7 статей в сборниках трудов и тезисы 6 докладов конференций. Перечень их наименований представлен в списке цитируемой литературы (63, 64; 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 73, 74, 81, 82, 83, 84, 85, 91).
Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается использованием современных экспериментальных методик, многочисленными экспериментальными исследованиями и устойчивой воспроизводимостью результатов, сопоставлением полученных результатов с соответствующими данными, опубликованными в различных литературных источниках.
Структура и объем диссертации. Текст диссертации состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и списка используемой литературы. Работа содержит 47 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список включает 93 наименования. Общий объем диссертации 136 страниц.
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулирована цель исследований, показана научная новизна результатов и их практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава содержит обзор работ, в которых теоретически в области упругих деформаций анализируется напряженно-деформированное состояние в сечениях, ослабленных геометрическим макроконцентратором. Дается заключение, что в пластической области деформаций анализ напряженно- деформированного состояния в зоне концентраторов напряжений из-за больших математических трудностей предпочтительнее проводить на основе экспериментальных методов исследования.
В связи с этим, во втором параграфе этой главы рассмотрены некоторые существующие экспериментальные точечные и полевые методы измерения деформаций: метод тензометрии, метод определения деформаций по измерению твердости, метод сеток, метод муаровых полос, метод голографической интерферометрии, метод фотопластичности, метод оптически чувствительных покрытий. В заключении отмечены преимущества и недостатки каждого из рассмотренных методов, и их диапазоны измерения деформаций.
В третьем параграфе обзорной главы рассмотрены некоторые экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния в области геометрических концентраторов, выполненные разными методами. В результате сделан вывод о том, что в области геометрического концентратора напряжений конфигурации зон повышенной пластичности в пластической области деформаций полученные экспериментально и рассчитанные аналитически в упругой области деформаций - подобны.
Во Второй главе на основании литературных данных формируются и обосновываются задачи исследования.
Определяется выбор исследуемых материалов (поликристаллическая медь, субмикрокристаллическая медь, никелид титана, сталь 65X13 с упрочненным поверхностным слоем путем ионно-плазменного азотирования), исходя из того,
13 что уже известны и изучены микромеханизмы пластического течения при растяжении этих материалов.
Показана структурная схема оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC, с помощью которого были испытаны исследуемые образцы. Приводится описание принципа работы и возможности используемой установки.
Описывается экспериментальная методика расчета диаграммы растяжения «нагрузка а - удлинение s ». Более подробно описывается разработанная методика количественной аттестации локального напряженно-деформированного состояния с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса. Приводится описание вычислительных процедур нахождения компонент малой деформации вдоль координатных осей, компонент главных деформаций, интенсивности деформации и интенсивности скорости деформации, коэффициента Лоде-Надаи.
В Третьей главе оптико-телевизионным методом количественно исследуется распределение полевых деформаций в зоне единичного кругового надреза. Анализируется кинетика напряженно-деформированного состояния под действием одноосного растяжения в материалах с отличающимися, как микромеханизмами пластического течения, так и макромеханическими свойствами, такими как пластичность и прочность. Сопоставляются картины формирующегося деформационного рельефа с картинами семейств продольных и поперечных изотет, выявленных на полях компонент векторов смещений, для разных стадий активной деформации растяжением. Полученные экспериментально-расчетные картины распределения интенсивности скорости деформации сравниваются с теоретическим решением Б. Кирша для упругой области. Выявлены общие закономерности изменения концентрации напряжений и деформаций в зоне кругового надреза на стадиях активного пластического деформирования.
В Четвертой главе исследуются закономерности самосогласоваыия трех круговых искусственных макроконцентраторов напряжений с различной конфигурацией их расположения в образце. Выясняется влияние самосогласованного взаимодействия зон макролокализации деформации от соседних надрезов
14 на пластичность и характер разрушения медных образцов. Выявлены общие закономерности самосогласования деформаций в зонах надрезов, определяющие характер последующего разрушения исследуемых образцов.
Пятая глава посвящена исследованию механических свойств и развитию локализованного пластического течения при активном одноосном растяжении плоских образцов стали 65X13 с упрочненным поверхностным слоем на его лицевых или боковых гранях, нанесенным ионно-плазменным азотированием. Проанализировано развитие конфигураций зон макролокализации деформации, наблюдаемых в ходе металлографических исследований деформационного рельефа. В пластической области деформаций проведено сопоставление количественно аттестованного с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса локального напряженно-деформированного состояния с формирующимся деформационным рельефом. Используя экспериментально измеренные локальные деформации, рассчитаны картины распределения интенсивности скорости деформации в окрестности взаимодействующих трещин. На основе полученных результатов предложен критерий предразрушения исследованных композиций.
В Заключении приводятся основные выводы по результатам диссертационной работы.
Экспериментальные исследования напряженно- деформированного состояния в области геометрического концентратора напря жений в пластической области
Иная картина наблюдалась для дюралюмина Д16-Т и стали ЗОХГСА. В обоих случаях величина максимального сдвига даже в самой деформируемой зоне в вершине надреза значительно меньше, чем у образцов без надреза. А. Дюррели и В. Парке [34] исследовали распределение деформаций в алюминиевой пластине с круговым отверстием (рис. 1.15) методом Муара. На одной поверхности образца фотоспособом была отпечатана сетка взаимно перпендикулярных линий с частотой 11.8 мм . Для получения муаровых картин перемещений в продольном и поперечном направлениях были использованы разные эталонные сетки. Подробно деформации для разных ступеней нагружения были исследованы лишь вдоль оси минимального сечения. Деформации находили графическим дифференцированием кривых перемещений. —г (где Е- модуль упругости, С - предел текучести); X =- -, где Р- мгно венная нагрузка на пластину, а Ртах -наибольшая нагрузка, которую пластина была бы способна выдержать без отверстия. Полное поле деформаций в области вокруг отверстия, ограниченное краем пластины и двумя поперечными сечениями, касающимися отверстия, было определено при X— 0.82. Для этого в указанной области строили сетку сечений, параллельных продольной и поперечной осям образца, причем у отверстия сетка была мельче. В каждом узле сетки вычисляли производные перемещений в направлениях х и у, а по ним находили величины и направления главных деформаций. Рис. 1.16. Пластина с круглым отверстием. Распределение главных деформаций вдоль поперечной оси для разных уровней пластического деформирования. В более поздней работе В.И. Резников с соавторами [50] методом Муара исследовали кинетику образования шейки. Линейные растры с шагам 0.05 мм наносили на образец перпендикулярно и параллельно его оси фотолитографическим способом. Деформацию цилиндрических образцов осуществляли гидростатическим нагружением его боковой поверхности в специальной установке так, что пластическое течение образца проходило под воздействием бокового гидростатического давленияр и осевой растягивающей силы ря{а1 -а1)!А, Кинетику течения выявляли поэтапным фотографированием деформированных растров. Поля полных смещений определяли наложением изображений деформированных растров на исходные, а поля приращения смещений - нало жением на изображение растра на предыдущем этапе.
Были получены картины полос Муара в осевом и радиальном направлениях (линии равных значений проекций приращений смещения) и линии равного уровня интенсивности скорости деформации сдвига Я, для разных стадий образования шейки (рис. 1.18). Рис. 1.18. Картины полос муара - линий равных приращений смещения в осевом и радиальном направлениях (верхняя часть) и линии равного уровня интенсивности скоростей деформаций сдвига (нижняя часть) для трех стадий: а-а/а0= 0.9 (шаг уровня АН= 0.011); б - а/а0 = 0.626 (АН = 0.035) и в - а/а0 = 0.576 (АН =0.047). Обработку полученных экспериментальных данных и вычисление параметров напряженного состояния проводили по специально разработанной программе с использованием соотношений теории пластического течения. Из рис. 1.18 видно, что на всех стадиях растяжения пластическая деформация локализуется в области шейки, однако протяженность очага деформации / уменьшается по мере развития шейки, стабилизируясь вблизи значений / а. Это приводит к изменению характера распределения напряжений и деформаций в шейке на различных стадиях ее развития. Количественно и качественно это подтверждается кривыми распределения скорости деформации в мини-Рис. 1.19. Распределение мальном сечении шейки для трех стадий дефор скоростей деформации в , . ,ns г т мирования (рис. 1.19). минимальном сечении г ґ шейки для трех стадий. Вопреки обычно принимаемому допуще (Сплошные линии - z; v нию о равенстве радиальных и тангенциальных штриховые - г; штрих пунктирные - е). скоростей деформаций, вычисленные значения I %r] l Ej причем разница между этими величинами увеличивается по мере развития шейки. Этим же методом М.Д. Новопашин с соавторами [51] проанализировали деформации в алюминиевой пластине с отверстием в сечении с минимальной площадью и провели сравнение с упругим решением Б, Кирша. Для получения муаровых картин, на рабочую поверхность накладывали контрольный растр для измерения продольной деформации (линеатура 66.6 линий/мм, рабочее поле 100x100 мм). В процессе испытания фиксировали картины муаровых полос на различных уровнях нагрузки с шагом 2 кН. Было показано, что при малых уровнях нагружения экспериментальные данные достаточно хорошо совпадают с результатами, полученными для упругого решения Б. Кирша. По мере повышения уровня нагружения в зоне, прилегающей к контуру концентратора напряжений, наблюдается резкое увеличение коэффициента концентрации де формаций К =—, где SH=——номинальная деформация, Сн -номинальное напряжение. Таким образом, вследствие пластического деформирования материала в этой области происходит рост уровня местных деформаций є. Ахметзяновым М. X. с соавторами [52] были определены концентрации деформации и напряжений в дюралюминиевых и стальных образцах с надрезами для разных стадий пластического течения, используя метод фотоупругих покрытий. На рис. 1.20 (а) приведены схемы нагружения и размеры образцов, которые нагружали в 15-20 ступеней до разрушения с фоторегистрацией картин полос на каждой из них. На рис. 1.20 (б) приведено выборочно по пять картин интерференционных полос в покрытиях на каждом образце.
Методика количественной оценки локальных деформаций
Исходную информацию в виде полей векторов и полей, соответствующих им продольных Ux и поперечных Uy компонент векторов смещений, получали путем сравнения двух металлографических картин. Для уменьшения ошибки измерения, поля векторов смещений рассчитывали для некоторого интервала деформаций, при котором величина ошибки измерения смещения u=AU/U (где AU min измеряемая единица смещения, a U - величина полного измеренного смещения) равна и 5-10%. На рис.2.4. представлены поля продольных Ux и поперечных Uy компонент медного образца с надрезом, полученные с помощью оптико- телевизионного измерительного комплекса. Для сравнения на этом же рисунке приведены аналогичные поля компонент для А1, полученные методом муаровых полос [62]. Видно, что конфигурация семейств изотет Ux и Uy подобны. В методе муа-ров (рис. 2.4 а, б) исходная информация имеет вид чередующихся темных и светлых полос, так называемых изотет - геометрических мест точек с одинаковой величиной смещения в направлении, перпендикулярном к линиям контрольного растра (обычно для измерения смещения в декартовых координатах х и у используют линейные регулярные растры). Разница в значениях Ux(Uy) для соседних муаровых полос на плоскости равна шагу контрольного растра ак.
В оптико-телевизионном методе (рис. 2.4 в, г) на исследуемом поле зрения также выделяются изотеты, как границы областей с одинаковой величиной продольной Ux и поперечной Uy компонент смещения. Для большей наглядности одинаковые величины компонент смещений, выраженные в условных еди ницах, выделяются при распечатке числами одного цвета. Это облегчает процедуру выявления изотет.
Из выше изложенного следует, что различия между этими картинами заключаются в форме представления семейств Ux и Uy и в величине перемещений между изолиниями. В методе муаровых полос величина перемещений AUK и Диу между соответствующими изотетами вдоль координатных осей х и у определяется шагом используемой эталонной сетки, а в оптико-телевизионном методе - используемым оптическим увеличением и шагом измерительной базы. Конфигурация изотет, которая определяет процесс дифференцирования перемещений для нахождения деформаций и их скоростей, не зависит от метода, а определяется конкретным видом напряженно-деформированного состояния исследуемого объекта. Таким образом, для нахождения деформаций и скоростей деформаций можно воспользоваться математической процедурой дифференцирования функции смещений, используемой в методе муаровых полос [34].
Операция дифференцирования для получения частных производных в инженерных задачах выполняется вручную, графическим или численным способом. При автоматизированной обработке программа содержит различные способы аппроксимации функций и последующее их дифференцирование. В первом приближении дифференциалы можно заменить конечными приращениями AUx AUy,Ax,Ay, где в качестве Ах,Ау принимают расстояние между двумя полосами, измеряемыми в координатных направлениях. Тогда частные производные определяются по формулам:
Для удобства расчета в настоящей работе, на анализируемые поля полученных компонент векторов смещений, накладывали декартовую сетку с шагом 1/15 длины поля зрения (в местах концентрации изолиний размер шага может быть уменьшен). В каждом узле этой сетки последовательно рассчитывали величины линейных и сдвиговых компонент деформации в декартовых координатах:
Величина интенсивности деформации зависит от интервала макродеформаций между двумя кадрами, для которых рассчитываются поля векторов смещений, но эти интервалы не всегда одинаковы. Поэтому для корректности сравнения рассчитывали величины интенсивности скорости деформации: и строили картину ее распределения в пространстве.
Компоненты скорости деформации ёх,2,ъ находили путем деления соответствующих компонент деформации на время, равное интервалу продолжительности между сравниваемыми металлографическими картинами.
Имея в распоряжении экспериментально измеренные деформации, можно рассчитать соотношение между главными деформациями si, ei, f-з- В работе был определен коэффициент Лоде-Надаи ve [48]: характеризующий вид схемы деформирования. Значения коэффициента v„ соответствующие различным схемам деформирования, представлены в табл. 2.2.
Металлографические исследования образцов с единичным круговым надрезом
В NiTi деформация на стадии с малым коэффициентом деформационного упрочнения распространяется фронтом Людерса. Поскольку радиус надреза г 0.250 мм меньше, чем радиус контура ушка образца г 2 мм, то в образце с надрезом развитие деформации инициируется не ушком, как: в однородном образце, а надрезом. На рис. 3.4 представлены микроструктуры деформационного рельефа однородного образца NiTi (а) и образца с надрезом (б) на фронте Людерса. В однородном образце пластическое течение начинается от захватов и распространяется вдоль оси образца. В образце с надрезом деформационный рельеф появляется в области геометрического макроконцентратора -надреза, и распространяется в направлении под углом 45 к оси растяжения через все сечение образца с последующим движением двумя фронтами к захватам, заполняя весь объем образца. Другими словами, надрез и захват испытательной машины качественно одинаково инициируют зарождение и развитие фронта Людерса при переориентации: исходного мартенсита сплава NiTi.
В конце стадии с малым коэффициентом деформационного упрочнения наблюдаются мезополосы локализованной деформации, распространяющиеся от индуцированного концентратора напряжений на противоположной стороне образца по сопряженным направлениям ттах. На линейной и параболической стадиях деформационный рельеф вне надреза изменяется слабо и однородно, как в поликристаллической меди. В зоне надреза выявляется область локализации деформации.
Как уже отмечалось выше, микромеханизмы деформации мартенситной структуры NiTi в настоящей работе не исследовали, однако из литературных источников [55, 76] известно, что если температура испытания NiTi ниже температуры конца превращения аустенита в мартенсит Mf 34С, деформация осуществляется путем перемещения двойниковых границ внутри кристаллов сдвойникованной мартенситной фазы, переориентацией мартенситных кристаллов и ростом благоприятно ориентированных доменов за счет неблагоприятных. На металлографической картине разрушенного однородного образца (рис. 3.4, в) видны проявленные в ходе деформации зерна превращенной высо котемпературной В 2 фазы, размер которых составляет (15 -s- 20) мкм, и пластинчатый рельеф границ переориентированных мартенситных доменов внутри этих зерен.
Разрушение образца NiTi с макроконцентратором напряжений начинается с формирования трещины в окрестности точки, лежащей на продольной оси образца в плоскости поперечного сечения наименьшей площади. Ее последующее распространение по поперечному сечению завершает разрушение образца по механизму отрыва по плоскости, нормальной к направлению максимальных растягивающих деформаций (рис. 3.4, г) (или вдоль линии максимальных сжимающих деформаций). Таким образом, характер разрушения образца NiTi и поликристаллической меди с надрезом - подобны.
В данном разделе приводятся результаты экспериментального исследования характера распределения пластических деформаций при активном растяжении образцов с единичным круговым надрезом.
Изменения напряженно-деформированного состояния в области кругового надреза под действием одноосного растяжения анализировали, используя исходные данные полей компонент векторов смещений, полученные с помощью оптико-телевизиоиного комплекса TOMSC. На рис.3.5 (а) представлена металлографическая картина для анализируемого поля зрения образца поликристаллической меди в области надреза и рассчитанное поле векторов смещений (рис.3.5, б). Вектора смещений направлены .в разные стороны от области с нулевыми смещениями. Это связано с использованием двухсторонней схемы нагружения образцов, при которой вслед за движением захватов вектора смещений направлены в разные стороны. Так как функция смещения непрерывна, то в области нулевых смещений величины смещений точек меньше, чем используемая условная единица измерения. На рис.3.5 представлены поля продольных Ux (в, д) и поперечных Uy (г, е) компонент векторов смещений для этого же образца при величине макропла-стической деформации єШ[ 3% и єп.„ 20% соответственно. Поскольку, растяжение - это такой вид деформации, при котором Si » г2, є3, то о локализации деформации можно судить по картине полей продольных компонент Ux. Максимальная концентрация деформации сосредоточена вблизи надреза, о чем свидетельствуют более узкие зоны между соседними изолиниями Ux (рис.3.5, в, д). Вне надреза расстояния между соседними изолиниями более широкие и приблизительно одинаковые (рис.3.5, в), то есть вне надреза образец деформируется практически равномерно, но с меньшей скоростью. С увеличением степени макродеформации конфигурация изолиний продольных и поперечных компонент качественно не меняется, о чем свидетельствуют картины полей компонент Ux, иу для более поздней стадии деформации s - 20% (рис.3.5, д, е). Однако на этой стадии в зоне надреза локализация деформации более выражена по всему поперечному сечению, о чем свидетельствуют более узкие расстояния между соседними изолиниями Ux. На рис.3.6 представлены пространственные картины распределения интенсивности скорости деформации -, и соответствующие им линии равного уровня, рассчитанные по экспериментально полученным полям компонент векторов смещений для медного образца с надрезом. Видно, что максимальная деформация концентрируется в устье надреза. Неоднородность пластического течения в зоне надреза наблюдается с самого начала пластической деформации и сохраняется до момента разрушения. По мере увеличения степени макродеформации образца растет и максимальная скорость деформации в устье надреза (так, при s 3%, smax/smjtl 4.6, при є 20%, s1Tiax/Smm 8)- Симметричная зона неоднородности пластического течения увеличивается по размеру и приобретает типичную «двулепестковую» форму (рис.3.6, в, г). Вне зоны надреза (рис.3.6, д, е) колебания в скоростях незначительные (smax/smjQ 1.3), что свидетельствует о равномерной скорости деформации в этой части образца.
Эволюция напряженно-деформированного состояния в области трех круговых надрезов
Симметричная относительно центрального надреза картина изолиний, демонстрируемая на рисунках, наблюдается для образцов всех типов на всех стадиях макродеформации вплоть до предразрушения. Наибольшая плотность изолинии продольных Ux и поперечных Uy компонентов векторов смещений концентрируется в окрестностях надрезов и линий, соединяющих надрезы. Слева и справа от центрального надреза, в так называемой «мертвой» зоне, плотность изолиний снижена. В области вне надрезов наблюдается малая плотность изолиний. При этом изолинии Ux и иу взаимно перпендикулярны, что свидетельствует [33] об их совпадении с направлениями главных деформаций С] и є?.
Вдоль линий, соединяющих надрезы, расположенные на противоположных боковых гранях, изолинии Ux и Uy приблизительно параллельны друг другу. Следуя заключению работы [33], в этой области сосредоточены зоны главных сдвигов. Для малых степеней деформации (є 4%) для образцов типа II вдоль линий, соединяющих надрезы, изотеты Ux и Uy не параллельны друг другу. По мере развития деформации угол между изолиниями уменьшается и на стадии предразрушения (є 17%) становится равным нулю (рис:1 4.4, д, е). Таким образом, исходная жесткая механическая схема, близкая к растяжению, меняется на более благоприятную схему сдвига.
Для образцов типа I (а = 45), надрезы В и С в исходном состоянии точно расположены на сопряженных направлениях максимальных касательных напряжениях хпглх, проходящих через центральный надрез А. Однако при больших деформациях они удаляются далеко от этих направлений. В этом случае зоны повышенной пластичности от соседних надрезов также взаимодействуют. Однако этот процесс в ходе деформации интенсивно ослабевает. На стадии пред-разрушения угол между изолиниями UN и Uy вдоль линий, соединяющих надрезы на противоположных боковых гранях образца, уменьшается, но не становится равным нулю. Таким образом, для этого образца на стадии предразрушения достигается схема деформирования промежуточная между растяжением и сдвигом. Соответственно разрушение происходит по схеме нормального отрыва.
В образцах типа I картина распределения интенсивности скорости деформации (рис.4.5, а) свидетельствует о слабом взаимодействии зон макролокализации деформации от соседних надрезов па линии АВ и АС. Максимальная величина интенсивности скорости деформации ё; локализуется в вершинах надрезов. Более наглядно это утверждение демонстрируют линии равного уровня, соответствующие картинам распределения ,- в пространстве (рис.4.5, б). Разрушение такого образца происходит нормальным отрывом (рис.4.2, а). Траектория линии разрушения перпендикулярна оси растяжения, то есть, подобна той, что реализуется в образцах с единичным надрезом.
На рис.4.5 (в) представлена картина распределения интенсивности скорости деформации ё; для образца типа II на стадии предразрушения. Видно, что вдоль линии ВА и АС, соединяющих надрезы на противоположных сторонах образца, то есть в области сдвига, развивается максимальная интенсивность скорости деформации, что и определяет траекторию разрушения такого образца (рис.4.2, б).
Разрушение образцов типа III происходит быстро, из-за чего невозможно накопить величину деформации, необходимую для расчета промежуточной картины распределения интенсивности скорости деформации. Характер разрушения образцов с такой конфигурацией сложный (рис. 4.2, в). Вначале разрушение происходит отрывом, подобно образцам с единичным надрезом, то есть при большом показателе жесткости напряженного состояния П. В дальнейшем, судя по характеру разрушения, можно предположить, что зоны макролокализации деформации от надрезов А и В оказываются в области взаимного влияния. Величина показателя жесткости П уменьшается, что и определяет вторую стадию разрушения сдвигом.
С помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC количественно исследована картина распределения интенсивности скорости деформации в области трех круговых надрезов для трех конфигураций их взаимного расположения относительно сопряженных направлений максимальных касательных напряжений. Показано, что конфигурация взаимного расположения трех макроконцентраторов напряжений в центральной части образца определяет характер самоорганизации зон макролокализации деформации, возникающих около макроконцентраторов напряжений. Это, в свою очередь, определяет вид разрушения образца при растяжении. Если при больших степенях деформации зоны макролокализации деформации, возникающие около концентраторов напряжений на противоположных сторонах образца, самоорганизуются вдоль направления максимальных касательных напряжений, разрушение развивается по схеме сдвига. ЕСЛИ такой самоорганизации не происходит, то есть концентраторы работают как единичные, разрушение развивается по схеме нормального отрыва. При некоторой конфигурации взаимного расположения трех макроконцентраторов разрушение может происходить по смешанному типу. На первой стадии оно развивается по схеме нормального отрыва, а завершается по схеме сдвига. Поскольку различные виды разрушения происходят и без искусственных надрезов, как геометрических концентраторов напряжений, их объяснение следует искать в характере «естественных» макроконцентраторов напряжений, возникающих в ходе деформации образца и инициирующих его разрушение [87].
