книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов

В результате постановки краевой задачи для тел с трещинами и трещиноподобными дефектами численно решен ряд задач, иллюстрирующих поэтапное структурное разрушение изотропных пластин с применением вычислительного алгоритма разрушения. Получены поля интенсивности напряжений, иллюстрирующие процесс развития трещиноподобных дефектов, а также расчетная диаграмма деформирования в осях «нагрузка-перемещение». Таким образом, на примере разрушения изотропных пластин проиллюстрирована возможность применения алгоритма разрушения для моделирования развития трещиноподобных дефектов.

121

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ ОБЛАСТЕЙ ЗАКРИТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ В ТЕЛАХ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ И ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ

6.1. Закономерности развития неоднородных полей при закритическом деформировании стальных образцов в условиях растяжения

Испытание на одноосное растяжение является одним из наиболее распространенных способов исследования закономерностей механического поведения материалов и определения их деформационных и прочностных характеристик, что определяется относительной простотой изготовления образцов для испытаний, способов приложения необходимых нагрузок и регистрации соответствующих параметров. Важной особенностью поведения материалов является закритическая стадия деформирования [26, 75, 81–86], которая реализуется вследствие развития повреждений в материале и непосредственно предшествует моменту разрушения. Под закритическим поведением понимается деформирование, характеризуемое появлением ниспадающего участка на диаграмме «нагрузка-удлинение», то есть снижением нагрузки при прогрессирующих перемещениях. Разрушение образца может происходить при достижении максимальной нагрузки в случае «мягкого» (силового) нагружения или соответствовать различным точкам на ниспадающем участке в зависимости от жесткостных характеристик нагружающей системы. Данная особенность является принципиально важной с точки зрения прогнозирования условий разрушения [74]. В этом смысле использование зависимости «инженерное напряжение» – «инженерная деформация» с анализом ниспадающего участка представляется целесообразным.

Многие исследователи отмечают необходимость изучения ниспадающего участка кривой нагружения в связи с необходи-

122

мостью более полного описания поведения элементов конструкций вплоть до разрушения. При этом на данной стадии проявляется неравномерность процесса деформирования в виде формирования локального сужения (образование «шейки») в поперечном сечении растягиваемого образца. Возникает неопределенность при интерпретации экспериментальных данных в условиях локализации деформаций. В частности, при учете изменения площади поперечного сечения в «шейке» и переходе к «истинным» напряжениям [87–89] возникает неоднозначность при расчете деформаций. Представляет практический интерес оценка того, в какой степени полученные данные отражают изменение свойств материала, а в какой могут быть связаны с изменением геометрии образца как конструкции.

При изучении неоднородной пластической деформации в области формирования «шейки» целесообразно применение оптических методов экспериментальной механики, в частности метода накатанных делительных сеток, методов фотоупругих покрытий, методов муаровых полос, голографической и лазерной спекл-интерферометрии, теневого оптического метода каустик и др. [89–91]. В настоящее время одним из эффективных оптических методов анализа неоднородных полей деформаций является метод корреляции цифровых изображений [92].

Целью представленной работы является анализ закономерностей формирования полей деформаций в окрестности «шейки», установление соответствия диаграмм растяжения для образцов различной длины на основе учета неоднородности деформаций по длине рабочей части образца.

Программа экспериментальных исследований включала проведение механический испытаний на одноосное растяжение серии сплошных цилиндрических образцов (сталь 40Х) и плоских образцов в форме двухсторонних лопаток (сталь 20) при постоянной скорости деформирования 0 1,67 10 3 с–1. Цилиндрические образцы изготовлены из прутка стали 40Х диаметром 16 мм

123

в состоянии поставки, химический состав: Fe – 97,3 %, C – 0,36 %, Si – 0,24 %, Mn – 0,62 %, Cr – 0,10 %, Ni – 0,17 %, Cu – 0,20 %, W – 0,03 %. Диаметр рабочей части 8,0 мм, радиус перехода с захватной к рабочей части образца 3,0 мм, длина рабочей части 12,0, 18,0, 40,0 и 64,0 мм. Плоские образцы изготовлены методом гидроабразивной резки из листового проката стали 20 толщиной 3,0 мм в состоянии поставки, химический состав: Fe – 99,0 %, C – 0,18%, Si – 0,20 %; Mn – 0,35 %; Cr – 0,04 %; Ni – 0,03 %, Cu – 0,04 %. Ширина рабочей части 20,0 мм, радиус перехода с захватной части на рабочую часть образца 5,0 мм, длина рабочей части 100,0 мм.

Кинематическое нагружение осуществлялось на сервогидравлической двухосевой испытательной системе Instron 8850 (100 кН, 1000 Н∙м, 30 Гц) с использованием бесконтактной трехмерной цифровой оптической системы анализа полей перемещений и деформаций Vic-3D при комнатной температуре.

Регистрация полей деформаций осуществлялась с использованием камер высокого разрешения Prosilica с частотой 2 Гц с установленным разрешением камер 16,0 Мп. Описание особенностей математического аппарата видеосистемы, основанного на методе корреляции цифровых изображений, а также методические аспекты применения системы для решения задач механики деформируемого твердого тела приведены в работах [59, 93–95]. Относительно невысокие скорости регистрации полей деформаций выбраны ввиду монотонности исследуемых процессов.

Реализована серия механических испытаний на одноосное растяжение сплошных цилиндрических образцов стали 40Х диаметром 8,0 мм с различным соотношением длины рабочей части к диаметру (1,5; 2,0; 5,0; 8,0) при одинаковой для всех образцов задаваемой скорости макродеформирования 0 1,67 10 3 с–1.

На рис. 6.1 приведены опытные данные для образцов с длиной рабочей части l0 12,0 мм (сплошные линии), l0 16,0 мм

124

(пунктирные линии), l0 40,0 мм (штриховые линии) и l0 64,0 мм (штрихпунктирные линии). Кривые 1–4 на рис. 6.1 соответствуют диаграммам деформирования в осях «напряжение σ (МПа) – деформация ε». Необходимо отметить, что деформация регистрировалась видеосистемой на основе использования дополнительного модуля программного обеспечения «виртуальный экстензометр» [96], при этом база экстензометра соответствовала длине рабочей части образцов.

Рис. 6.1. Диаграммы деформирования цилиндрических образцов с различной длиной рабочей части (1 – 12 мм; 2 – 18 мм; 3 – 40 мм; 4 – 64 мм), коэффициент неоднородности kinh и изменение радиуса

рабочей части в минимальном сечении ∆R

125

Для оценки степени неоднородности процесса деформирования в области формирования «шейки» рассмотрен коэффициент неоднородности kinh , равный отношению максимального зна-

чения продольной деформации εmaxyy к среднему значению про-

дольной деформации εavyy для каждого кадра, зафиксированного

видеосистемой. Кривые 1'–4' отражают его изменение в процессе нагружения. Для образцов с большей длиной рабочей части l0 40,0 мм (кривая 3') и l0 64,0 мм (кривая 4') зарегистриро-

ван двухстадийный характер процесса локализации пластических деформаций, кривые 1' и 2', соответствующие образцам с меньшей базой ( l0 12,0 мм и l0 16,0 мм), возрастают монотонно.

Кривые 1''–4'' отражают изменение ∆R (мм) радиуса рабочей части образца в минимальном сечении.

Диаграммы 1–4 существенно отличаются ниспадающими участками по уровню деформаций. Это отличие начинает проявляться после достижения максимальной нагрузки и обусловлено появлением зоны локализации деформаций [81], что соответствует резкому увеличению коэффициентов концентрации деформаций (3' и 4') и уменьшению минимального радиуса образца в «шейке» (3'' и 4''). Распределения продольных деформаций по длине рабочей части образцов, зарегистрированные в последнем кадре перед разрушением и иллюстрирующие значительную неоднородность, приведены на рис. 6.2. Номера кривых соответствуют графикам 1–4 на рис. 6.1.

Полученные данные подтверждают возможность использования модельного представления рабочей части образца, как состоящей из зоны, в которой непосредственно реализуется закритическое деформирование, и периферийных участков, в которых происходит упругая разгрузка [85, 95]. Построение диаграмм деформирования для всех образцов на одинаковой базе, соответствующей зоне локализации деформаций, позволяет значительно уменьшить расхождение ниспадающих участков диаграмм деформирования. На рис. 6.3 приведены построенные на основе полученных опытных данных диаграммы на базе 9,0 мм.

126

Неполное совпадение диаграмм, построенных для приведенной длины, связано с отличием максимальных значений деформаций в шейке, достигнутых к моменту разрушения (см. рис. 6.2). Кроме того, существует неоднозначность при выборе приведенной длины, которая должна соответствовать области локализации, ввиду сложной формы шейки. На рис. 6.3 приведена конфигурация рабочей части образца длиной 12 мм с шейкой на различных стадиях, соответствующих упругопластическому (I, II) и закритическому (III, IV) деформированию.

Представляет интерес анализ конфигурации неоднородных полей компонент деформаций в области формирования «шейки» на поверхности плоских образцов в форме двухсторонних лопаток при одноосном растяжении.

Рис. 6.4. Конфигурация неоднородных полей продольных (εyy), поперечных (εxx) и сдвиговых деформаций (εxy), а также поле перемещений вдоль оси Oz (uz, мм) для момента, предшествующего разрушению образца

Для области локализации пластических деформаций в зоне формирования «шейки» построены картины распределения полей продольных (ε yy ), поперечных (εxx ) и сдвиговых деформаций

(εxy ), а также поле перемещений вдоль оси Oz (uz , мм) для момента, предшествующего разрушению образца (рис. 6.4). Оси Ox

128

и Oy направлены перпендикулярно и вдоль линии нагружения образца соответственно, ось Oz ориентирована перпендикулярно плоскости образца. Также построена серия эпюр вдоль линий 1–6, обозначенных белыми отрезками (см. рис. 6.4), длина каждого из которых принята за единицу (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Серии эпюр компонент деформаций (εyy, εxx, εxy) и перемещения вдоль оси Oz (uz), построенные

вдоль линий 1–6 (см. рис. 6.4)

Особый интерес представляет получение данных о процессах деформирования, протекающих в материале непосредственно в «шейке» образца, а также оценка его деформационных и прочностных характеристик. В литературе отмечается возможность проведения испытаний образцов, вырезанных из области «шейки» [87].

129

Проведена серия механических испытаний на одноосное растяжение сплошных цилиндрических образцов стали 40Х с длиной рабочей части l0 40,0 мм и диаметром d0 8,0 мм при

постоянной скорости кинематического нагружения. Часть образцов доведена до разрушения, которое происходило на закритической стадии деформирования при падении напряжения до уровня σ 700 МПа, чему соответствует диаграмма 1 (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Диаграмма деформирования сплошного цилиндрического образца, доведенного до разрушения (1), с разгрузкой (2),

а также диаграмма деформирования «образца из образца» (2)

Конфигурация образца в последнем кадре перед разрушением приведена на фотографии 1 (см. рис. 6.6). На основе анализа неоднородных полей деформаций зарегистрировано сужение образца в зоне локализации до значения R 0,8 мм.

Другие образцы подвергались растяжению до падения напряжения на закритической стадии до уровня 800 МПа, после чего разгружались кривая 2 (см. рис. 6.6). На фотографии 2 (см. рис. 6.6) приведена конфигурация рабочей части образца на момент на-

130