Введение к работе
Актуальность работы. Для определения механических свойств металлов в основном применяют три стандартизованных испытания: растяжение, сжатие и кручение образцов. Эти методы дают достоверную информацию о свойствах материалов. Для изготовления образцов необходимо вырезать часть материала из заготовки, изделия или элемента конструкции, поэтому данные испытания относятся к, так называемым, разрушающим методам. Однако в некоторых случаях изготовить образцы необходимых размеров или в необходимом количестве либо не представляется возможным, либо не целесообразно по экономическим или техническим причинам. Это справедливо для конструкций и машин, находящихся в эксплуатации, когда необходимо сделать оценку текущего состояния технических объектов для определения возможности их дальнейшей эксплуатации. В этом случае применяют неразрушающие или безобразцовые методы проведения испытаний.
К безобразцовым относятся такие методы испытаний, которые проводятся непосредственно на испытуемых изделиях и не вызывают их разрушение, например, методы, основанные на измерении твердости.
Такой подход для определения прочностных свойств и сопротивления деформации по результатам измерения твердости классическими стандартизованными методами по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу активно разрабатывается с начала ХХ века (Мейер, Тамман, Мюллер, Беляев С.Е., Васаускас С.С., Волков С.Д., Витман Ф.Ф., Гликман Л.А., Давиденков Н.Н., Жидонис В.Ю., Максимов Н., Марковец М.П., Матюнин В.М. и др.), а позже – с помощью нового интенсивно развивающегося метода кинетической твердости (Тейбор, Алехин В.П., Булычев С.И., Терновский А.П., Шоршоров М.Х., Шнырев Г.Д., Oliver W.C., Pharr G.M. и др.). Метод кинетической твердости основан на измерении и обработке диаграммы вдавливания, представляющей собой зависимость усилия от глубины внедрения индентора в процессе испытания. Эта диаграмма обычно описывается параболической зависимостью, называемой законом Кика. Известны примеры использования метода кинетической твердости для определения сопротивления деформации (Бакиров Н.Б., Мишакин В.В., Смирнов С.В., Швейкин В.П., Larsson P.-L., Giannakopoulos A.E., Suresh S., Venkatesh T.A., Van Vliet K.J. и др.)
Сопротивление деформации, связывающее напряжение одноосного растяжения или сжатия с накопленной степенью деформации сдвига (часто его геометрическую интерпретацию называют кривой деформационного упрочнения) является важной характеристикой свойств металла. Зная кривую деформационного упрочнения, можно определить напряженно-деформированное состояние при моделировании процесса изготовления деталей или эксплуатации изделий, выполнить анализ деформируемости металла и оценить склонность материала к разрушению.
Кривые упрочнения металлов и сплавов аппроксимируют в основном степенными зависимостями: либо законом деформационного упрочнения Холломона, зависящем от двух параметров, либо функциями, зависящими от трех параметров. Для определения двухпараметрического закона упрочнения по результатам анализа диаграмм вдавливания выполнен большой комплекс экспериментальных и теоретических исследований процесса индентирования. На их базе разработаны методики определения параметров кривой упрочнения методами внедрения сферических, конических и пирамидальных инденторов.
Поскольку трехпараметрические зависимости более точно, чем двухпараметрические, аппроксимируют кривую упрочнения металлов и сплавов с явно выраженным пределом текучести, то актуальной является задача разработки методики определения параметров трехпараметрической аппроксимации кривой упрочнения по результатам вдавливания конических инденторов.
Отдельные разделы диссертационной работы выполнялись в рамках программы ОЭММПУ РАН ОЭ-14 «Накопление поврежденности, разрушение, изнашивание и структура изменения материалов при интенсивных механических, температурных и радиационных воздействиях», по планам научно-исследовательских работ Института машиноведения УрО РАН на 2005 – 2007 гг., гранту РФФИ – БРФФИ № 06–08–81032 и по планам совместных исследований с ФГУП ГРЦ «КБ им. академика В.П. Макеева».
Цель работы. Целью работы является разработка методики определения параметров трехпараметрической аппроксимации кривой упрочнения по результатам анализа диаграмм вдавливания конических инденторов с различными углами при их вершине, позволяющей исследовать материалы с выраженным пределом текучести, проверка методики в лабораторных условиях и её апробация при решении практических задач.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Выбрать вид трехпараметрической зависимости, которая наилучшим образом аппроксимирует кривые упрочнения представительного ряда металлических материалов.
-
Выполнить моделирование методом конечных элементов процесса внедрения конического индентора в упругопластическую среду для множества значений изменения параметров выбранной трехпараметрической аппроксимации кривой упрочнения и проверить адекватность моделирования по экспериментальным данным внедрения конических инденторов в материалы с известными для них кривыми упрочнения.
-
Построить систему трех в общем случае нелинейных уравнений, связывающих значения коэффициента в параболической аппроксимации диаграмм вдавливания в законе Кика для трех различных углов индентора со значениями параметров трехпараметрической аппроксимации кривой упрочнения, и разработать программу для решения полученной системы нелинейных уравнений. Выполнить анализ существования решения, его устойчивости к погрешностям экспериментальных измерений.
-
На основании результатов моделирования разработать методику, позволяющую осуществить идентификацию кривых упрочнения по результатам испытаний на вдавливание трех конических инденторов с разными углами конусности.
-
Адаптировать разработанную методику для осуществления испытаний с помощью портативного твердомера, произвести апробацию методики в лабораторных условиях и для решения практических задач.
Научная новизна заключается в следующем:
-
-
Разработан новый алгоритм определения коэффициентов трехпараметрической аппроксимации кривой упрочнения по результатам испытаний на вдавливание трех конических инденторов с различными углами конусности, позволяющий исследовать металлические материалы с выраженным пределом текучести.
-
Разработана методика идентификации кривой упрочнения по результатам сжатия цилиндрических образцов, учитывающая неравномерность напряженно-деформированного состояния металла деформируемого образца.
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Разработанная методика определения параметров трехпараметрической аппроксимации кривой упрочнения адаптирована к портативному твердомеру ТЕСТ–МИНИ–(УТ), создано программное обеспечение для обработки результатов испытаний. Методика прошла апробацию в лабораторных условиях и использована для определения прочностных свойств фрагментов оболочек из сплава АМг6 на предприятии ФГУП ГРЦ «КБ им. академика В.П. Макеева» с целью обоснования продления ресурса эксплуатации изделий.
Достоверность основных результатов, полученных в диссертации, подтверждена сопоставлением их с собственными и имеющимися в литературе экспериментальными данными, а также апробацией разработанной методики в лабораторных условиях и при практической реализации.
Публикации и апробация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 публикации в изданиях из перечня ВАК России ведущих рецензируемых научных журналов. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях: Четырнадцатая зимняя школа по механике сплошных сред (г. Пермь, 2005 г.); Математическое моделирование и краевые задачи (г. Самара, 2005 г.); Неразрушающий контроль и диагностика (г. Екатеринбург, 2005 г.); XXXIV Summer Sсhool – Conference «Advanced Problem in Mechanics» (г. С.–Петербург, 2006 г.); IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (г. Н. Новгород, 2006 г.); Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций (г. Екатеринбург, 2007 г.).
На защиту выносятся:
-
Методика определения параметров трехпараметрической аппроксимации кривой упрочнения по результатам вдавливания трех конических инденторов.
-
Система уравнений, связывающая значения коэффициента в параболической аппроксимации диаграмм вдавливания со значениями параметров трехпараметрической аппроксимации кривой упрочнения.
-
Экспериментальные результаты по вдавливанию конических инденторов в металлические материалы и результаты идентификации кривых упрочнения, полученных с помощью разработанной методики.
-
Методика идентификации кривой упрочнения по результатам сжатия цилиндрических образцов, учитывающая неравномерность напряженно-деформированного состояния металла деформируемого образца.
-
Результаты испытаний тестовых материалов и фрагментов оболочек из сплава АМг6, выполненных с помощью портативного твердомера ТЕСТ–МИНИ–(УТ).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 94 наименований и приложения. Изложена на 181 страницах текста и содержит 65 рисунков и 22 таблицы.
Похожие диссертации на Разработка методики восстановления кривой деформационного упрочнения металлических материалов по диаграммам вдавливания конических инденторов
-
