Кінетика накопичення пошкоджень та руйнування конструкційних матеріалів при пружнопластичному деформуванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

УДК 539.4+620.1

Спеціальність: 01.02.04 -

Механіка деформівного твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Кінетика накопичення пошкоджень та руйнування конструкційних матеріалів при пружнопластичному деформуванні

Тимошенко Олександр Вікторович

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконано на кафедрі динаміки та міцності машин і опору матеріалів у Національному технічному університеті України "Київський Політехнічний Інститут"

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Грабовський Анатолій Павлович Національний технічний університет України "КПІ" Міністерства освіти і науки України, кафедра динаміки та міцності машин і опору матеріалів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Ігнатович Сергій Ромуальдович Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України,

завідуючий кафедрою конструкції і міцності літальних апаратів кандидат технічних наук, доцент Тормахов Микола Миколайович Інститут механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України, старший науковий співробітник відділу термопластичності

Захист відбудеться "29" жовтня 2007 р. о 15 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.01 при Національному технічному університеті України "Київський Політехнічний Інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корп. №1, ауд. №166.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський Політехнічний Інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор О.О. Боронко

Анотації

Тимошенко О.В. Кінетика накопичення пошкоджень та руйнування конструкційних матеріалів при пружнопластичному деформуванні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 01.02.04 - Механіка деформівного твердого тіла. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2007 р.

Дисертація присвячена розробці методу оцінювання пошкоджуваності металічних конструкційних матеріалах та елементів конструкцій, що експлуатуються в умовах складного пружно-пластичного деформування.

Показано, що застосування вибраних параметрів - питомого електричного опору, при пружно-пластичному деформуванні характеризують кінетику накопичення мікропошкоджень в металічних конструкційних матеріалах і дозволяють отримати надійні результати визначення граничного стану на стадії зародження макротріщини. Проведено аналіз запропанованих рівнянь через зміну модулів пружності Е і G по визначенню пошкоджуваності та застосованого методу.

Розроблено залежність по визначенню критичного значення пошкоджуваності для металевих конструкційних матеріалів від впливу пластичної деформації, виду напруженого стану та побудовано узагальнені поверхні пошкоджуваності для ряду сучасних конструкційних матеріалів.

Ключові слова: пошкоджуваність, параметр пошкоджуваності, ефективні напруження, пластична деформація.

Тимошенко А.В. Кинетика накопления повреждений и разрушения конструкционных материалов при упругопластическом деформировании. - Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2007 г.

Диссертационная работа посвящена разработке метода оценки поврежденности металлических конструкционных материалов и элементов конструкций, которые эксплуатируются в условиях сложного упруго-пластического деформирования.

Показано, что применение выбранного параметра - удельного электросопротивления, при упруго-пластическом деформировании характеризует кинетику накопления микроповреждений в металлических конструкционных материалах. Разработанная методика позволяет получить надежные результаты определения граничного состояния на стадии зарождения макротрещины, так как является чувствительной к дефектам кристаллической решетки металлов. Проведено анализ предложенных уравнений через изменение модулей упругости Е і G по определению поврежденности и примененного метода. Расмотрено применение метода замены трубчастого образца двумя сплошными при испытании на кручение с большими пластическими деформациями.

Экспериментально установлено, что критическое значение поврежденности конструкционных материалов зависит от действия механизма разрушения: - отрыва и сдвига.

Показано, что принятие гипотез про критическое значение поврежденности для металлических конструкционных материалов DR=1 не является константой, а в действительности DR<1 и зависит от уровня пластической деформации, а также от вида напряженного состояния. При этом критическое значение поврежденности DR при отрыве больше, чем при сдвиге. Критическое значение поврежденности DR при сложном нагружении лежит в пределах от DR при сдвиге до DR при растяжении.

Получено зависимость по определению критического значения поврежденности для металлических конструкционных материалов от влияния пластической деформации и вида напряженного состояния и построено обобщенные поверхности поврежденности для ряда современных конструкционных материалов. кінетика деформування пружний

Это позволяет использование в инженерных методах определения критических величин поврежденности для уточнения расчета роботы ответственных высоконагруженных конструктивных элементов изделий новой техники на стадии ее проектирования.

Ключевые слова: повреждаемость, параметр повреждаемости, эффективные напряжения, пластическая деформация.

Timoshenko A.V. Kinetics of accumulation of damages and destruction of structural materials at elastoplastic deforming. . - Manuscript.

The dissertation for scientific degree of the Candidate of Science (Engineering) in 01.02.04 - Mechanics of deformable solids . - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic institute", Kyiv, 2007.

Dissertation is devoted to development of a method of damage estimation in metal structural materials and elements of constructions which are work at complex elastoplastic strain.

It is showed, that application of the selected parameter - a specific resistance which characterizes a kinetics of damage accumulation in metal structural materials in the developed technique allows to get reliable results of definition of a boundary condition at a stage of macrocrack initiation.

Dependence by definition critical damage value for metal structural materials from effect of a plastic deformation and an influence of stress state and the generalized damage surfaces for some modern structural materials are developed.

Key words: damage, parameter of damage, effective stress, plastic strain.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розробка узагальнених моделей теорії пластичності та критеріїв руйнування на стадії зародження макротріщини передбачає урахування основних термосилових параметрів пружно-пластичного навантаження (деформування). Ця проблема є комплексною і включає три складових: а) розробку узагальнених рівнянь стану, які повинні задовольняти інженерну практику по опису кінетики напружено-деформованого стану з включенням параметрів, які характеризують процес накопичення пошкоджень та руйнування конструкційного матеріалу; б) вибір фізично обґрунтованої міри пошкоджуваності конструкційного матеріалу, яка характеризує кінетику його руйнування на різних стадіях процесу пружно-пластичного деформування та розробки відповідних кінетичних рівнянь; в) формування відповідних гіпотез, які повинні зв'язувати кінетику процесу деформування та накопичення пошкоджень з типом руйнування, а також критеріїв руйнування, які зв'язують на цій стадії параметри напружено-деформованого стану та міру пошкоджуваності.

Формування відповідних рівнянь та критеріїв повинно спиратись на сучасне представлення фізики твердого тіла про мікро- та субмікроскопічні механізми пластичних деформацій та накопичення пошкоджень в конструкційному матеріалі.

Необхідність комплексного підходу до проблеми міцності витікає із тісного взаємозв'язку між процесами пружно-пластичного деформування та мікроруйнування. При цьому пошкоджуваність (поява мікротріщин) - це природній результат дії самого механізму пластичного деформування ще на ранніх його стадіях. Процес накопичення пошкоджень визначається історією термосилового навантаження та проходить декілька стадій. Для інженерних розрахунків найбільш практичним є феноменологічний опис названих процесів. Однак на сьогодні поки що залишаються не конкретизованими основні параметри кінетичних рівнянь пошкоджуваності від виду напруженого стану, характеру руйнування та історії навантаження (деформування). Базовим для цього є визначення основних закономірностей накопичення пошкоджень та руйнування для умов одновісного напруженого стану.

Таким чином, вирішення проблеми по розробці достовірного інженерного методу визначення кінетики накопичення розсіяного руйнування в металічних конструкційних матеріалах для умов пружно-пластичного деформування при складному навантаженні в машинобудівних галузях промисловості - є актуальною темою, що становить значний науковий і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану наукових досліджень, проведених на кафедрі динаміки та міцності машин і опору матеріалів механіко-машинобудівного інституту Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за держбюджетними темами: "Розробка нових фізичних рівнянь теорії пластичності для вирішення ефективних технологічних задач формоутворення" (держреєстрація №0100U000578), "Розробка методу прогнозування ресурсу експлуатації конструкцій при складному неізотермічному малоцикловому навантаженні з урахуванням пошкоджуваності" (держреєстрація №0103U000154), "Розроблення методу діагностики технічного стану та прогнозування ресурсу конструкцій з урахуванням технологічної і експлуатаційної спадковості" (держреєстрація №0106U002266).

Мета і задачі дослідження. Мета проведених досліджень - розробка інженерного методу оцінки накопичення пошкоджень в металічних конструкційних матеріалах при їх пружно-пластичному деформуванні.

Для досягнення зазначеної мети в роботі вирішені наступні задачі:

- проаналізовано результати експериментальних і теоретичних досліджень з вивчення кінетики накопичення розсіяного руйнування в металічних конструкційних матеріалах для умов пружно-пластичного деформування при складному навантаженні;

- вибрано та обґрунтовано параметр, який дозволяє оцінити ступінь накопичення мікропошкоджень металічних конструкційних матеріалів;

- розроблено інженерний метод безперервного визначення кількістної оцінки накопичення мікродефектів в конструкційних матеріалах для різних траєкторій навантаження;

- обґрунтовано межі використання розробленого кінетичного рівняння пошкоджуваності та здійснено його кореляцію з існуючими.

Об'єкт дослідження - пошкоджуваність металічних конструкційних матеріалів в умовах одновісного та плоского напруженого станів та величини критичних значень пошкоджуваності в залежності від умов навантаження.

Предмет дослідження - методика оцінки накопичення пошкоджень конструкційних металічних матеріалів та визначення граничного стану на стадії зародження макротріщини при пружно-пластичному деформуванні для умов лінійного та плоского напруженого станів.

Методи дослідження - експериментальні методи дослідження пошкоджуваності металічних конструкційних матеріалів в умовах лінійного та плоского напруженого станів, на основі основних положень континуальної механіки пошкоджуваності.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вибрано та обґрунтовано феноменологічний параметр, який дозволяє достовірно оцінити ступінь накопичення мікропошкоджень в металічних конструкційних матеріалах.

- розроблено адекватний метод визначення кількостної оцінки накопичення мікродефектів в металічних конструкційних матеріалах для різних траєкторій навантаження.

- розроблено залежність по визначенню критичного значення пошкоджуваності для металічних конструкційних матеріалів від впливу пластичної деформації та виду напруженого стану.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці та реалізації нового методу оцінки накопичення пошкоджень (підтверджено авторським свідоцтвом №65499А (G01N3/08) 2004 р.) в металічних конструкційних матеріалах при пружно-пластичному деформуванні в умовах лінійного та плоского напруженого станів та отриманні комплексу нових експериментальних даних по кінетиці накопичення пошкоджуваності та руйнування на стадії зародження макротріщини для ряду конструкційних матеріалів.

Особистий внесок здобувача Роботу виконано під науковим керівництвом кандидата технічних наук, доцента Грабовського А.П. У співавторстві з ним було опубліковано праці [1-14]. Здобувачем особисто було розроблено методику безперервного вимірювання зміни фізико-механічних характеристик ряду сучасних сталей і сплавів при їх пружно-пластичному деформуванні та процесів руйнування на стадії накопичення розсіяних пошкоджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися на міжнародних конференціях "Надійність машин та прогнозування їх ресурсу" (2000 р., м. Івано-Франківськ), "Прогресивна техніка і технологія" 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 р. (м. Севастополь), "Прогрессивные технологии и системы машиностроения" 2004, 2005, 2006р. (м. Донецьк), "Динамика, прочность и ресурс машин и конструкций" (м. Київ, 2005р.). Повністю робота доповідалась на засіданні кафедри ДММ та ОМ НТУУ "КПІ".

Публікації. Основний зміст дисертації викладено в 15 друкованих працях, в тому числі у провідних фахових виданнях 12 та 1 авторському свідоцтві.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Загальний обсяг дисертації становить 147 сторінок, у тому числі основного тексту дисертації 133 сторінки, 71 рисунок, 3 таблиці, список використаних джерел з 151 найменувань на 14 сторінках, додаток на 2 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету роботи та основні напрямки її досягнення, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено відомості про публікації та апробацію роботи.

У першому розділі проведений критичний огляд досліджень процесу накопичення пошкодження в металічних конструкційних матеріалах. Відзначається, що в багатьох роботах формування відповідних рівнянь та критеріїв повинно спиратись на сучасне представлення фізики твердого тіла про мікро- та субмікроскопічні механізми пластичних деформацій та накопичення пошкоджень в конструкційному матеріалі. На рівні мікроструктури, поява мікродефектів впливає на механічні властивості матеріалу, а це в свою чергу приводить до зниження несучої здатності конструкції чинити опір експлуатаційним навантаженням. Показано вагомий внесок у розв'язуванні цієї проблемі роботами видатних вчених Л.М. Качанова, Ю.М. Работнова, В.В. Новожилова, Ж. Леметра, А.О. Лебедєва та ін.

Розглянуті результати досліджень існуючих методів по експериментальному визначенню закономірностей накопичення пошкоджень в конструкційних матеріалах та феноменологічних моделях. Показано, що на сьогодні ще не розроблено методику по експериментальному визначенню величини, яка однозначно описувала б процес накопичення мікропошкоджень в металічному конструкційному матеріалі в процесі його експлуатаційного напрацювання.

Виявлено, що параметр пошкоджуваності можна виразити скалярною, векторною та тензорною величиною. В першому наближенні, як правило, за основу беруть скалярний параметр D. При цьому його критичне значення пошкоджуваності на стадії зародження макротріщини DR>1. Проаналізовано існуючі критерії, які характеризують стан зародження макротріщини з урахуванням пошкоджуваності.

Показано, що на сьогодні практично відсутні дані по закономірностях кінетики накопичення пошкоджуваності при складному напруженому стані. У зв'язку з цим виникає необхідність у виборі адекватного параметру оцінки та розробки методики безперервного вимірювання деградації характеристик фізико-механічних властивостей матеріалів при пружно-пластичному деформуванні та процесів руйнування на стадії накопичення розсіяних пошкоджень з відповідним детальним експериментальним обґрунтуванням.

У результаті проведеного аналізу сформульована мета і поставлені задачі дослідження.

У другому розділі розглянуті методики дослідження пошкоджуваності конструкційних матеріалів - визначення питомого електричного опору с та зміні модулів Е і G при пружнопластичному деформуванні і описано розроблений метод дослідження кінетики накопичення пошкоджуваності, який на сучасному експериментальному рівні включає безперервне вимірювання навантаження, поздовжньої та поперечної абсолютних деформацій, зміни електричної напруги робочої зони зразка матеріалу на різних стадіях пружно-пластичного деформування до його руйнування (Патент України №65499А (G01N3/08)). За характеристику кінетики руйнування D прийнято відносну зміну об'ємного питомого електричного опору робочої зони зразка

, (1)

що має змінний поперечний переріз. На цю величину не впливає геометрія зразка, а тільки кристалічна будова матеріалу. Питомий електроопір визначено з рівняння

; (2)

де l0, F0, li, Fi - довжина та площа поперечного перерізу зразка відповідно до та при пружно-пластичному навантаженні; R0, Ri - електричний опір робочої зони зразка до та при пружно-пластичному навантаженні; U0, Ui - значення напруги, що безперервно вимірюється на робочій зоні зразка до та при деформуванні; I - стабілізована величина струму, що проходить через зразок від початку навантаження до руйнування.

Метод високочутливий до дефектів решітки матеріалу, що дозволяє:

- достатньо точно встановити момент початку активного процесу утворення та розвитку мікротріщин і переходу в лавиноподібне руйнування;

- збільшити обсяг інформації про стан структури матеріалу і визначити ступінь її пошкоджуваності і, відповідно, визначати ресурс несучої спроможності металоконструкцій в цілому.

Проведено модернізацію установки TIRATEST 2300 по дослідженню кінетики накопичення пошкоджень до руйнування в умовах пружно-пластичного розтягу-стиску при статичному та циклічному навантаженні. При цьому пошкоджуваність в матеріалі безперервно визначалася через зміну питомого електроопору та зміну модуля пружності при пружно-пластичному деформуванні зразка металічного конструкційного матеріалу. Для кріплення зразка розроблено відповідну конструкцію струмоізольованих захватів, тензометрів по виміру поперечної та повздовжньою деформації. Установка забезпечувала вимір осьової сили до Р - 100 кН з ціною поділки 1Н, осьового видовження індуктивними датчиками переміщень соленоїдного типу до Дl - 100 мм з ціною поділки 1 мкм, поперечної деформації до Дd - 7 мм з ціною поділки 1 мкм та електричного напруження до ДU - 10 В з ціною поділки 1,0 мкВ. Всі вимірювані величини реєструвалися двохкоординатними потенціометрами залежностями у вигляді:

Р= f (Дl); Р= f (Дd); Р= f (ДU).

На базі випробувальної установки УМЕ-10ТМ спроектовано і змонтовано експериментальний стенд, що дозволив проводити випробування (комбінація дії осьової сили та крутного моменту) в автоматичному режимі з автоматичною реєстрацією і програмною обробкою експериментальних результатів за допомогою ПЕОМ. Установка забезпечує вимір осьової деформації Дl від 0 до 30 мм з ціною поділки 1мкм, поперечної деформації Дd від 0 до 15 мм з ціною поділки 0,5мкм, осьової сили Р до 100 кН з ціною поділки 1Н, кута закручування Дц від 0 до 360 град. з ціною поділки 20 секунд, крутного моменту М від 0 до 300 Нм з ціною поділки 0,1Нм та електричного напруження ДU до 10 В з ціною поділки 1,0 мкВ. Всі величини відображаються у графіках та реєструються у цифровому вигляді на ПК.

Випробувальні установки забезпечували вимоги до нормативів по виміру величин, які необхідні для проведення експериментальних досліджень та до похибки виміру за вимогами ГОСТ 1497-84 та ГОСТ 3565-80 .

Закономірності кінетики руйнування матеріалів в процесі їх пружно-пластичного деформування визначали слідуючим чином:

На зразок, який закріплено в струмоізольованому верхньому та нижньому затискачах випробувальної установки подавався постійний струм від стабілізованого джерела П 321 величиною А і напругою В. Різниця потенціалів Ui між верхнім і нижнім затискачами, яка під час пружно-пластичному деформуванні безперервно знімалась з робочої зони зразка. При цьому безперервно вимірювалася поточна площа поперечного перерізу - , робоча довжина - , кут закручування ці, зусилля навантаження Рі, крутний момент Мі .

Особливістю пропонованого методу є те, що параметр питомого об'ємного електричного опору матеріалу - , на відміну від традиційного (1) визначали співвідношенням

, (3)

де - опір робочої зони на одиницю довжини зразка; V/l -об`єм робочої зони зразка на одиницю його довжини.

Залежність (3), для визначення питомого електричного опору при пружнопластичному деформуванні матеріалу, враховувала зміну об`єму і зміну форми робочої зони зразка. Форма робочої зони зразка при пружно-пластичному деформуванні до границі міцності сприймалась як ціліндр з постійною площею поперечного перерізу, а за границею міцності (рис. 1) розділена по позиціях, де І та IV показані циліндричні складові робочої зони і позиціями ІІ та ІІІ - складові робочої зони з місцевим звуженням.

Повний питомий опір робочої зони пружно-пластично деформованого зразка доведеного до стану руйнування сі дорівнює:

(4)

де Rц - електричний опір циліндричної форми робочої зони зразка; Vц - об'єм циліндричної зони; lц=l1+l4 - поточна довжина циліндричної форми робочої зони зразка; Rk - електричний опір форми робочої зони зразка з місцевим звуженням; Vk - об'єм робочої зони зразка з місцевим звуженням; lk=l2+l3 - поточна довжина робочої зони зразка з місцевим звуженням.

Рис. 1 Схема пружно-пластичнодеформовання робочої зони зразка.

Статичні модулі пружності Е та G визначали згідно методик описаних в ГОСТ 1497-84 та ГОСТ 3565-80 з використанням для обробки експериментальних даних методу найменших квадратів.

Рис. 2 Визначення усталеної величини модуля пружності Ест та Gст, для пластичного матеріалу (сталь 12Х 18Н 10Т) при Т=293К.

Модулі пружності, які визначались на ділянках при розвантаженні різко змінюються з початком пружно-пластичного деформування. При подальшому деформуванні до границі міцності уВ, відбувалося монотонне зменшення модуля пружності (рис.2). Для експериментальних точок зміни модулів Е та G в залежності від пружно-пластичного деформування до границі міцності, проводилась математична екстраполяція.

Перетин лінії математичної екстраполяції з віссю ординат дає значення усталеної величини модулів пружності Ест та Gст. Значення модулів пружності Е 0 та G0 визначались на початковій стадії пружно-пластичного навантаження.

Кінетику пошкоджуваності через зміну модулів пружності Е і G знаходили з рівнянь:

при осьовому навантаженні

 при крученні (5)

(6)

(7)

(8)

Для комплексного дослідження процесів пошкоджуваності та руйнування конструкційних матеріалів при розтязі та при плоскому напруженому станах, яке вимагає уточнених замірів поточних значень компонент переміщень та зусиль з підвищенням стійкості зразків до руйнування, розглянуто методику, яка базується на заміні тонкостінного трубчастого зразка з відношенням товщини стінки - t до зовнішнього діаметру

на два суцільних зразка з різними діаметрами, де D1 > D2 .

Прийнято, що при крученні в пружно-пластичній області суцільного кругового циліндра і трубчастого зразка крутним моментом Мкр, перерізи залишаються плоскими, а радіуси прямими. Відповідно до цього в перерізі виникає дотичне напруження - фr, що залежить тільки від радіуса - r.

Для тонкостінного трубчатого зразка з зовнішнім радіусом і внутрішнім для заданого значення кута кручення ц момент Мт визначено рівнянням:

. (9)

Різниця крутних моментів (М 1 - М 2), для двох суцільних (рис. 3 крива 1 та 2) і тонкостінного зразка (крива 3), при дотриманні сталості кута кручення еквівалентні з виразом (9).

Істинний зсув визначався залежністю:

. (10)

Залежність для знаходження напружень визначена рівнянням:

, (11)

де А, п - характеристики матеріалу визначаються по діаграмі деформування; Ri - поточний радіус зразка;

, .

Перевірка кореляції розрахункових та експериментальних данних показана на рис. 4, де приведені криві залежності ф= f(г) для алюмінієвого сплаву Д 16Т. Крива 1 поєднує отримані значення дотичних напружень для двох суцільних зразків різного діаметру. Крива 2 поєднує точки діючих дотичних напружень для "умовної" трубки та тонкостінної трубки. Аналіз кривих показує, що розраховані і експеримнтальні результати дотичних напружень діючих в тонкостінному трубчастому зразку при пружно-пластичному деформуванні практично співпадають

Рис. 3 Графік визначення моменту для "умовної" трубки сплаву Д 16Т при Т=293К.

Рис. 4 Порівняння кривих дотичних напружень для суцільних зразків, "умовної" трубки та тонкостінної трубки сплаву Д 16Т при Т=293К

У третьому розділі розглянутий комплекс експериментальних досліджень кінетики накопичення пошкоджуваності при лінійному та плоскому напружених станах для сталей 45, 30ХГСА та 12Х 18Н 10Т, алюмінієвого сплаву Д 16Т, титанового сплаву ВТ 22, яка визначалась через зміну питомого електроопору (1), що побічно врахував внутрішню деградацію матеріалу. Проведено порівняння з методами визначення накопичення пошкоджуваності через зміну модулів пружності Е і G.

Результати експериментальних досліджень по деградації модуля пружності Е від рівня пружно-пластичних деформацій (до рівня границі міцності матеріалу) для ряду конструкційних металічних матеріалів показана на рис. 5. Аналіз кривих показав, що для пластичних металічних матеріалів, таких як сталь 45 та 12Х 18Н 10Т (крива 1, 2) на початковому етапі навантаження з появою пластичної складової деформації, модуль значно змінюється і тому необхідно визначати величину Ест (див. Рис.1). В той час як для матеріалів Д 16Т та ВТ 22 (крива 3, 4) його зміна має майже лінійний характер від деформації і тому потреба в визначенні величини Ест - не актуальна.

Рис. 5 Залежність модуля пружності Е від рівня пружно-пластичного активного деформування для ряду конструкційних матеріалів при Т=293К: 1 - сталь 45; 2 - нержавіюча сталь 12Х 18Н 10Т; 3 - сплав Д 16Т; 4 - сплав ВТ 22.

Отримані криві кінетики накопичення пошкоджуваності D від рівня пластичної деформації е(р) конструкційних матеріалів при розтягуванні наведені на рис. 6. Показано, що метод, який базується на зміні питомого електроопуру (крива 1) є найбільш обєктивним феноменологічним методом визначення кінетики накопичення пошкоджуваності в металічних конструкційних матеріалах, що будується згідно залежності (1). Крива 2 та 4 побудована через зміну модуля пружності Е згідно рівнянь (5, 7), а криві 3 та 5 згідно рівнянь (6, 8). При цьому для кривих 2, 4 за основу прийнято модуль пружності Е 0, а для кривих 3, 5 - Ест. Критичне значення пошкоджуваності згідно залежності (1) становило: для сталі 45 DR=0,286, для нержавіючої сталі 12Х 18Н 10Т DR=0,48, для сплаву Д 16Т DR =0,12, для сплаву ВТ 22 DR =0,093. отримані результати граничної пошкоджуваності <1. При цьому в прийнятих на сьогодні розрахунках приймається DR =1.

Рис. 6 Кінетика накопичення пошкоджень для металевих конструкційних матеріалів при розтязі: а - сталі 45; б - 12Х 18Н 10Т; в - Д 16Т; г - ВТ 22 при Т=293К.

Аналіз результатів показав, що криві 5 накопичення пошкоджень для пластичних матеріалів типу - сталі 45 та 12Х 18Н 10Т через зміну модуля пружності Ест, що розраховані за формулою (8), є найбільш наближені до кривих 1. В свою чергу для менш пластичних матеріалів типу - ВТ 22 та Д 16Т, криві 4 близькі до кривих 1 і мають задовільну кореляцію між собою.

Криві кінетики накопичення пошкоджень для пластичних матеріалів, які отримані через зміну питомого електроопору (залежність (1)) можна розбити на дві зони: зону пластичних деформацій та зону лавинного руйнування (рис. 6 а, б). В першій зоні пошкоджуваність монотонно наростає і майже лінійно залежить від відносної деформації зразка. Друга зона відповідає ділянці локалізації пластичної деформації та характеризується нелінійною залежністю зростання пошкоджуваності до остаточного руйнування. Для менш пластичних матеріалів типу - ВТ 22 та Д 16Т, для яких максимальний рівень пластичної деформації становив =0,0387 та =0,1, відповідно, характер кривих кінетики накопичення пошкоджень носить майже лінійний характер в залежності від рівня пластичної деформації.

При крученні криві залежності накопичення пошкоджуваності для конструкційних металічих матеріалів показані на рис. 7. Крива 1 отримана згідно залежності (1), крива 2 та 4 згідно рівнянь (5, 7) через модуль пружності G0, а криві 3 та 5 згідно рівнянь (6, 8) через модуль пружності Gст.



Рис. 7 Закономірності накопичення розсіяних пошкоджень для конструкційних матеріалів при крученні (при Т=293К): а) - сталь 12Х 18Н 10Т; б) - сплав Д 16Т; в) - сталь 30ХГСА

Аналіз результатів показав, що крива 5 накопичення пошкоджень для конструкційних матеріалів типу 12Х 18Н 10Т, Д 16Т та 30ХГСА через зміну модуля пружності Gст, яка розрахована по формулі (8), є найбільш наближена до кривої 1, отриманої по зміні питомого електроопору (1) при пружно-пластичному крученні зразка. Експериментальна величина критичного значення пошкоджуваності згідно залежності (1) становила: для сталі 30ХГСА DR=0,05, для нержавіючої сталь 12Х 18Н 10Т DR=0,069, для сплаву Д 16Т DR =0,047, що також менше 1. Якщо порівняти результати кінетики накопичення пошкоджуваності при розтязі та крученні, видно, що характер кривих при крученні як для пластичних так і для крихких матеріалів носить майже лінійний характер, в той же час при розтязі характер кривих для пластичних і крихких матеріалів різний. Також є важливим те, що наближені результати визначення пошкоджуваності через зміну модуля пружності при крученні, отримано, якщо підставити значення сталої величини, як для малопластичних так і для пластичних матеріалів, що відрізняється від результатів отриманих при розтязі.

У четвертому розділі розглянуто основні закономірності впливу виду напруженого стану на критичне значення пошкоджуваності DR для конструкційних матеріалів при їх пластичному деформуванні.

За отриманими результатами експериментальних досліджень пошкоджуваності для сталей 45, 12Х 18Н 10Т, та 30ХГСА, сплавів Д 16Т та ВТ 22 при розтязі та при крученні, а також із використанням експериментальних результатів, які отримані іншими авторами на рис. 8 побудовані криві залежності для розтягування (крива 1) та кручення (крива 2). Вони у першому наближенні носять лінійний характер. Аналіз отриманих результатів показав, що критичне значення пошкоджуваності для конструкційних матеріалів DR<1 і прийняття гіпотизи про критичне значення пошкоджуваності для конструкційних матеріалів DR=1 є так як згідно даної гіпотези, розрахунки при цьому виконуються не в запас міцності.



Рис 8 Залежність критичного значення пошкоджуваності DR від пластичної деформації для металічних конструкційних матеріалів при пружно-пластичному деформуванні (при Т=293К): ¦ - розтяг; ¦ - кручення.

Рис. 9 Залежність граничних значень пошкоджуваності від границі текучості для матеріалів: сталь 45, 12Х 18Н 10Т; Д 16Т; 30ХГСА; ВТ 22 (при Т=293К).

Закономірність впливу значення границі текучості на рівень пошкоджуваності для ряду металічних конструкційних матеріалів при розтязі показано на рис. 9. З нього можна зробити висновок, що зі збільшенням значення границі текучості металу, зменьшується не лінійно критичне значення пошкоджуваності DR.

Для дослідження закономірностей пошкоджуваності та пластичності матеріалу розраховані залежності рівня від параметру жорсткості напруженого стану для досліджуваних матеріалів - 12Х 18Н 10Т, 30ХГСА, Д 16Т, отриманих в результаті проведених дослідів при різних траєкторіях пропорційного навантаження.

Побудовано криві кінетики накопичення пошкоджуваності нержавіючої сталі 12Х 18Н 10Т згідно рівняння (1) при розтязі, крученні та пропорційному деформуванні на рис. 10 а. Аналіз кривих показує, що розташування граничних значень пошкоджуваності при пропорційних навантаженнях розташоване в межах між граничними значеннями пошкоджуваності при розтязі та крученні.

Рис. 10 Залежності кінетики накопичення пошкоджуваності від рівня інтенсивності пластичних деформацій при Т=293К (крива 1 - розтяг; 2 - кручення; 3 - пропорційне): а - нержавіюча сталь 12Х 18Н 10Т; б - сплав Д 16Т; в - сталь 30ХГСА

Виходячи з цього, зроблено припущення, що граничні значення пошкоджуваності DR при пропорційному навантаженні для конструкційних матеріалів, розташовані на прямій, яка поєднує між собою граничні значення пошкоджуваності DR при розтязі та крученні.

Проведено розрахунок критичних значень пошкоджуваності методом найменших квадратів. На основі регресійного аналізу встановлено залежність граничних значень пошкоджуваності матеріалу DR від змінних інтенсивності деформацій з врахуванням параметру жорсткості матеріалу К у вигляді:

. (12)

За оцінкою методу найменших квадратів та максимальної ймовірності параметрів регресії отримано:

, (13)

де DR - результати розрахунків значень граничної пошкоджуваності; Т - матриця даних по інтенсивності деформацій та відповідних параметрів жорсткості матеріалу К; V-1 - зворотна матриця.

, (14)

де ТТ - транспонірована матриця для матриці перетворень Т.

В результаті проведених розрахунків отримано рівняння критичних значень пошкоджуваності DR від інтенсивності деформації з урахуванням виду напруженого стану для металічних конструкційних матеріалів у вигляді:

DR= (0,979657+0,0638795К-8,25983К 2). (15)

Згідно залежності (15) на рис. 11 приведена поверхня, яка побудована для визначення критичного ступеню пошкоджуваності металічних конструкційних матеріалів при лінійному та плоскому напруженому станах.

Рис. 11 Залежність критичних значень пошкодженості DR від інтенсивності деформації з урахуванням виду напруженого стану для металічних конструкційних матеріалів.

Підсумком дослідження кінетики накопичення пошкоджуваності металічних конструкційних матеріалів являється те, що на основі експериментальних даних критичне значення пошкоджуваності для конструкційних матеріалів DR<1 для всіх видів навантажень. Показано, що вид напруженого стану впливає на критичне значення пошкоджуваності і впливає на характер кривої кінетики накопичення пошкоджуваності матеріалу. Розроблене рівняння оцінки граничного накопичення пошкоджень від виду напруженого стану металічних конструкційних матеріалів дозволяє використовувати його для більш точних розрахунків роботи відповідальних високонавантажених конструктивних елементів на стадії проектування.

Висновки

В дисертаційній роботі одержано такі основні наукові та практичні результати:

1. Розроблено адекватний експериментальний метод безперервної кількісної оцінки накопичення розсіяних об'ємних пошкоджень D в конструкційних металічних матеріалах при пружно-пластичному деформуванні та визначено їх граничний стан на стадії зародження макротріщини для умов лінійного та плоского напружених станів на основі деградації значень модулів пружності і зміни питомого електричного опору. Запропонований метод оцінки накопичення пошкоджень враховує внутрішню будову матеріалу і дозволяє отримувати достовірні результати в умовах розтягу, кручення та при складному пружно-пластичному деформуванні. Експериментальна перевірка здійснена на ряду сучасних металічних конструкційних матеріалах.

2. Здійснено комплекс досліджень кінетики накопичення пошкоджень при пружно-пластичному деформуванні ряду металічних конструкційних матеріалів для умов одновісного та плоского напруженого станів. Експериментально встановлено, що граничне значення пошкоджень конструкційних матеріалів залежить від дії механізму руйнування: - відриву та зсуву. Розглянуто методику заміни трубчастого зразка двома суцільними при випробуванні на кручення з великими пластичними деформаціями.

3. Показано, що прийняття гіпотези про критичне значення пошкоджуваності для металічних конструкційних матеріалів DR=1 не являється константою, а в дійсності DR<1 та залежить від рівня граничної пластичної деформації. При цьому граничне значення пошкоджуваності DR при відриві більше, а ніж при зсуву. Граничне значення пошкоджуваності DR при складному навантаженні лежить в межах від DR при зсуві до DR при розтязі. Це підкреслює, що величина пошкоджуваності залежить від виду напруженого стану.

4. Отримано залежність по визначенню граничного значення пошкоджуваності для металічних конструкційних матеріалів від впливу інтенсивності деформації та від параметру жорсткості напруженого стану.

5. Побудовано узагальнюючу поверхню критичних значень пошкоджуваності для металічних конструкційних матеріалів, яка враховує вид напруженого стану та дозволяє уточнено визначати критичні величини пошкоджуваності для розрахунку роботи відповідальних високонавантажених конструктивних елементів виробів нової техніки на стадії їх проектування.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Грабовский А.П., Бобир М.І., Тимошенко О.В., Вишневский А.П. Накопичення пошкоджуваності та руйнування конструкційних матеріалів при циклічному програмному пружно-пластичному деформуванні. // Вестник НТУУ "КПИ", серия Машиностроение. К. 2000, №39, с.329-335.

Здобувачем розроблен стенд для одновісного навантаження.

2. Грабовский А.П., Пономаренко Т.Б., Тимошенко О.В. Експериментальне дослідження накопичення пошкоджень при пружнопластичному деформуванні конструкційних матеріалів. //Вестник НТУУ "КПИ", серия "Машиностроение". - К., 2001, №40, с. 128-133.

Здобувачем проведені експерименти та отримані графік накопичення пошкоджуваності для сталі 45.

3. Грабовский А.П., Пономаренко Т.Б., Тимошенко О.В. Пошкоджуваність в конструкційних матеріалах при їх деформуванні. //Вестник НТУУ "КПИ", серия "Машиностроение". - К., 2002, №43, с. 128-133.

Здобувачем проведені експерименти та отримані графіки накопичення пошкоджуваності для сталі 45, Д 16Т, 12Х 18Н 10Т та порівняно з результатами інших авторів.

4. Грабовський А.П., Тимошенко О.В., Масло О.М., Халімон О.П. Дослідження кінетики пошкоджуваності в конструкційних матеріалах при складному напруженому стані. // Вестник НТУУ "КПИ", серия Машиностроение. К. 2003, №44, с. 43-47.

Здобувачем розроблена конструкція зразка для стенду при пласкому напруженому стані.

5. Бобир М.І., Грабовський А.П., Тимошенко О.В., Халімон О.П. Визначення деформаційних пошкоджень в конструкційних матеріалах при навантаженні.// Международный сборник научных трудов "Прогрессивные технологии и системы машиностроения", вып.28, Донецк, 2004 г., с. 25-29.

Здобувачем отримані результати експериментальних досліджень впливу пошкоджуваності на напружений стан для металевих зразків із 12Х 18Н 10Т, Д 16Т, Сталь 45, ВТ 22, 30ХГСА.

6. Грабовський А.П., Тимошенко О.В., Халімон О.П. Руйнування конструкційних матеріалів при пружно-пластичному крутильному деформуванні // Вестник НТУУ "КПИ", серия Машиностроение. К., 2004, №45, с. 6-8.

Здобувачем отримані експериментальні криві накопичення пошкоджуваності при крученні.

7. Грабовський А.П., Тимошенко О.В., Халімон О.П. О кинетике деформационного накопления повреждений в конструкционных материалах при переменном деформировании. // Международный сборник научных трудов "Прогрессивные технологии и системы машиностроения", вып. 30, Донецк, 2005 г., с. 75-80.

Здобувачем представлені результати проведених експериментальних досліджень кінетики накопичення пошкоджень при розтязі-стиску.

8. Грабовський А.П., Халімон О.П., Тимошенко О.В., Лаугвітц Ф. "Оцінка кінетики накопичення пошкоджень в конструкційних матеріалах в умовах пружно-пластичного стискання" // Вестник НТУУ "КПИ". Машиностроение. - №46.- 2005. - с.28-30.

Здобувачем представлені результати деградації модуля пружності.

9. Грабовський А.П., Бабак А.М., Тимошенко О.В. Пошкоджуваність та граничний стан конструкційних матеріалів при пружнопластичному деформуванні // Вестник НТУУ "КПИ", серия Машиностроение. К., 2005, №47, с. 11-13.

Здобувачем представлені результати проведених експериментальних досліджень при циклічному деформуванні.

10. Н.И. Бобырь, А.П. Грабовский, А.В. Тимошенко, А.П. Халимон Методика определения накопления повреждений в металлических конструкционных материалах при сложном упругопластическом нагружении. // Проблеми міцності, Київ, 2006, №1, с. 128-137.

Здобувачем представлені результати проведених експериментальних досліджень на автоматизованому експериментальному стенді при пружнопластичному деформуванні.

11. Бобир М.І., Грабовський А.П., Халімон О.П., Тимошенко Вплив пружно-пластичного деформування на фізико-механічні характеристики матеріалів // Международный сборник научных трудов "Прогрессивные технологии и системы машиностроения", вып.32, Донецк, 2006 г., с. 9-13.

Здобувачем представлені результати проведених їм експериментальних досліджень зміни модуля пружності для конструкційних матеріалів від пружно-пластичної деформації до руйнування.

12. Бобир М.І., Грабовський А.П., Халімон О.П., Масло О.М., Тимошенко О.В. Кінетика розсіяного руйнування металевих конструктивних матеріалів при пружно-пластичному деформуванні// Проблеми міцності, Київ, 2007, №3, с.

13. Бобир М.І., Грабовський А.П., Тимошенко О.В. Спосіб визначення кінетики руйнування матеріалів в процесі їх пружно-пластичного деформування, Патент України №65499А (G01N3/08) Бюл. №3, 15.03.2004 р.

Здобувачем розроблено спосіб вимірювання зміни характеристик фізико-механічних властивостей матеріалів при вивченні пружнопластичного деформування та процесів руйнування на стадіях накопичення розсіяних пошкоджень.

14. Грабовский А.П., Тимошенко А.В,, Вишневский А.П. Исследование надежности высоконагруженных элементов конструкций на основе параметра поврежденности. //Доповіді міжнародної науково-технічної конференції "Надійність машин та прогнозування їх ресурсу", т.1, Івано-Франківськ, 2000. - с.191-194.

Здобувачем запропоновано параметр та розроблена принципова схема стенду для одновісного навантаження.

15. Кравец М.А., Мохонько А.А., Тимошенко А.В. Автоматизация эксперимента механических испытаний конструкционных материалов. // информационно-технический Жур. ПиКАД (Промышленные измерения контроль автоматизация диагностика), Киев, 2003, вып. 1-2, стр. 32-33.

Здобувачем розроблена принципова схема реєстрації даних на ПК стенду для плоского напруженого стану.

Размещено на Allbest.ru