Исследование локализации деформации и разрушения в зонах макроконцентраторов напряжений металлических поликристаллов с разным структурным состоянием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Стрелкова, Ирина Леонидовна

• Стрелкова, Ирина Леонидовна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стрелкова, Ирина Леонидовна

ВВЕДЕНИЕ.

1. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

В ЗОНЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МАКРОКОНЦЕНТРАТОРА

НАПРЯЖЕНИЙ.

1.1. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния в сечениях, ослабленных геометрическим макроконцентратором напряжений, для упругой области.

1.2. Методы измерения деформаций.

1.2.1. Метод тензометрии.

1.2.2. Определение деформаций по распределению твердости.

1.2.3. Метод сеток.

1.2.4. Метод муаровых полос.

1.2.5. Голографическая интерферометрия.

1.2.6. Поляризационно-оптические методы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование локализации деформации и разрушения в зонах макроконцентраторов напряжений металлических поликристаллов с разным структурным состоянием»

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 локализованного 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 концентратора; 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 разработайной 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:

I. 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.

II. В поликристаллах с развитой деформацией на микро- и мезомасштаб-ном 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.

III. 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.

IV. 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 мезомеханика 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 В.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 ЭМ МПУ РАН - СО РАН 3.11.3; грант Президента РФ для поддержки ведущих научных школ «Школа академика В.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:

1. Вторая всероссийская конференция молодых ученых « Физическая мезомеханика материалов», Россия, г. Томск, 23-25 ноября, 1999 г.

2. V Международная конференция молодых ученых «Современные техники и технологии», Россия, г. Томск, 26-30 апреля, 1999 г.

3. III Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (MESO-2000), Росси, г. Томск, 12-14 декабря, 2000 г.

4. Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НТИ-2001), Россия, г. Новосибирск, 11-13 декабря, 2001 г.

5. 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 приложения» (Mesomechanics'2001), Россия, г. Томск, 26-28 марта, 2001 г.

7. III Школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии», Россия, г. Томск, 30 января-1 февраля, 2002г.

8. 1-ая Международная конференция «Современные проблемы машиностроения 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 физики, технологии и инновационного развития», Россия, г. Томск, 5-7 февраля, 2003 г.

11. IX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (СТТ-2003), Россия, г. Томск, 7-11 апреля, 2003 г.

12. International Workshop «Mesomechanics: Fundamentals and Applications» (MESO'2003), August 18-23, Tomsk.

13. V Всероссийская конференция (школа) молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», Россия, г. Томск, 18-22 августа, 2003 г.

14. Региональная школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2003», Россия, г. Томск, 17-18 июня, 2003г.

15. 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.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Стрелкова, Ирина Леонидовна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертации разработаны и экспериментально обоснованы принципиально новые методические аспекты экспериментальной количественной аттестации напряженно-деформированного состояния на мезо- и макромасштабных уровнях с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC высокого разрешения. Эффективность предложенной методики проверена при исследовании отклика разных по структуре и механическим свойствам поликристаллических материалов, в том числе с упрочненным поверхностным слоем, на характер мезо- и макролокализации деформации в зонах макроконцентраторов напряжений.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана методика расчета локальных характеристик деформации на мезо- и макромасштабном уровнях по полям компонент векторов смещений, основанная на анализе линий равных перемещений - изотет. Благодаря высокой разрешающей способности комплекса, быстродействию и высокой степени его автоматизации, этим методом может быть аттестован in situ непрерывно меняющийся характер напряженно-деформированного состояния в геометрически неоднородных образцах, а также в образцах с упрочненными поверхностными слоями или упрочняющими покрытиями.

2. Обнаружено, что конфигурация зон макролокализации деформации в образцах с надрезом поликристаллической и субмикрокристаллической меди существенно различается. Для поликристаллической меди характерна «двулепестко-вая» форма сильно размытых зон макролокализации деформации, аналогичная той, что рассчитана для упругой пластины с надрезом. По мере роста внешне приложенного напряжения в зоне макролокализации деформации максимальное значение интенсивности скорости деформации растет, а напряжения уменьшаются и сглаживаются. Симметричность напряжений в зонах макролокализации «двулепе-стковой» формы сохраняется вплоть до разрушения. Как следствие, образец разрушается отрывом под действием нормальных растягивающих напряжений.

3. Конфигурация зон макролокализации деформации субмикрокристали-ческой меди определяется ее особенностью деформироваться развитием сопряженных макрополос локализованного сдвига. Это связано с сильной неравновесностью субмикрокристаллической меди, что обусловливает разупрочнение материала в макрополосах локализованной деформации. Как следствие, в зоне надреза развиваются две макрополосы локализованной деформации с максимальной интенсивностью скорости деформации в них. На заключительной стадии деформации максимальная интенсивность скорости сдвига в одной из макрополос усиливается. Разрушение субмикрокристаллической меди осуществляется сдвигом вдоль макрополосы, развивающейся более интенсивно.

4. Принципиальным отличием образцов NiTi с надрезом от поликристаллической и субмикрокристаллической меди является изменение конфигурации зон макролокализации деформации с ростом степени деформации. В начале стадии с малым коэффициентом деформационного упрочнения указанные зоны имеют «двулепестковую» форму, которая изменяется в конце этой стадии. Максимальная скорость деформации наблюдается на противоположной от надреза боковой грани образца, где развиваются мезополосы локализованной деформации во встречных (по отношению к мезополосам в зоне надреза) сопряженных направлениях ттах. При этом в области надреза скорость деформации понижается. С началом линейной стадии и до разрушения конфигурация упомянутых зон в области надреза становится вновь симметричной «двулепестковой», что обусловливает разрушение образца по схеме нормального отрыва.

5. В образцах с тремя круговыми надрезами важную роль в разрушении материала играет характер самосогласования зон макролокализации деформации, осуществляемый надрезами на противоположных боковых сторонах образца. Развитие макрополосы с максимальной интенсивностью скорости деформации усиливается, если надрезы на противоположных боковых сторонах образца располагаются вдоль направления ттах.

6. Наблюдаемые различия в характере неоднородной пластической деформации образцов стали 65X13 с азотированным поверхностным слоем определяют разный характер их разрушения. Если зоны макролокализации деформации не перекрывают все поперечное сечение образца (азотированы боковые грани), то он разрушается подобно материалу без поверхностно упрочненного слоя нормальным отрывом на фоне сформированной симметричной шейки. Если развиваемые зоны макролокализации деформации перекрывают все сечение образца (азотированы лицевые грани), то его разрушение происходит сдвигом вдоль макрополосы локализованной деформации с максимальной интенсивностью скорости деформации в ней.

7. Сформулирован критерий предразрушения, согласно которому зарождение и распространение магистральной трещины происходит в зоне макролокализации деформации, которая перекрывает все сечение образца и характеризуется максимальной интенсивностью скорости деформации.

8. Даются практические рекомендации снижения концентрации напряжений в реальных конструкциях путем оптимизации пространственного расположения макроконцентраторов напряжений.

128

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стрелкова, Ирина Леонидовна, 2005 год

1. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел - М.: Мир, 1954 - Т. 1. -647с. (Kirsch В. Z. Ver. Deut. 1.g, Iuli, 16, 1898. S. 597)

2. Галин Л.А. Пластические области у круговых отверстий в пластинах и балках // Прикладная математика и механика- 1946 №10- Вып.З-С. 367-386.

3. Савин Г.Н. Концентрация напряжений около отверстий. М-Л.: Изд-во техн.-теор. лит-ры, 1951 - 496с.

4. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости М.: Наука, 1966 - 707с.

5. Финк К., Рорбах X. Измерение напряжений и деформаций: Пер. с нем./ Под ред. Н.И. Пригоровского. М.: Машгиз, 1961 - 535 с.

6. Беняковский М.А., Бровман М.Я. Применение тензометрии в практике. -М.:Металлургия, 1965 145 с.

7. Немец И. Практическое применение тензометров.-М.: Энергия, 1970-144 с.

8. Крылов Н.А., Глуховский К.А. Испытание конструкций сооружений. Л.: Стройиздат, 1970.-270 с.

9. Малашенко С.В. О пневматических тензометрах // Инж. сб. 1952-Вып. 12. - С 244-252.

10. Методы и приборы тензометрии.: Сб. тр. / Под ред. Н.И. Пригоровского. -М.: ГОСИНТИ, 1964.-Вып. 1. 86 с.

11. Бауманн Э. Измерение сил электрическими методами: Пер. с нем. А. С.Вишнякова и С.Н. Герасимова / Под ред. И.И. Смыслова. -М.: Мир, 1978 430 с.

12. Рузга 3. Электрические тензометры сопротивления: Пер. с чешек. / Под ред. И.П. Раевского. М.: Госэнергоиздат, 1961 - 336с.

13. Напряжения и деформации в деталях и узлах машин. / Под ред. Н.И. Пригоровского. -М.: Машгиз, 1961 564с.

14. Смирнов-Аляев Г.А., Розенберг В.М. Технологические задачи теории пластичности. Ч. 1. Лениздат, 1951- 216 с.1.5