CC BY
37
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ
Терауд Валентин Викторович
канд. техн. наук, с. н. с., Научно-исследовательский институт механики, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
РФ, г. Москва E-mail: ldmww@2mail.com
Сафатинов Евгений Вениаминович
н. с., Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова,
РФ, г. Москва E-mail: safatinov@2mail.com
Уколова Александра Владимировна
магистр, Московский государственный индустриальный университет,
РФ, г. Москва E-mail: ukolshurika@gmail. com
SOME PART OF THE RESULTS OF THE DEFORMATION FLAT SPECIMENS
Teraud Valentin
candidate of Technical sciences, Senior Research scientist, Research Institute of Mechanics, Lomonosov Moscow State University,
Russia, Moscow
Safatinov Eugenie
research fellow, V.A. Trapeznikov Institute of Control Sciences
of Russian Academy of Sciences, Russia, Moscow
Ukolova Alexandra
master, Moscow State Industrial University,
Russia, Moscow
Терауд В.В., Сафатинов Е.В., Уколова А.В. Некоторые результаты испытаний деформирования плоских образцов // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2014. № 11 (12) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/1754
АННОТАЦИЯ
Рассматривается экспериментальное исследование деформирования плоских образцов в условиях высокотемпературной ползучести. В экспериментах применялись образцы галтелевидной формы из алюминиевого сплава. Было выяснено, что равномерная деформаций образцов происходит только в течение 20—40 % от длительности испытаний, после чего появляется значительная неоднородность деформирования. Предложено ввести понятия «быстрая» и «долгая» локализация деформаций. Показано, что плоские образцы, по сравнению с образцами круглого поперечного сечения, деформируются более равномерно по своей рабочей части.
ABSTRACT
There are presenting deformations of flat specimens under high temperature. Dumbbell shape of the specimens is used in the experiments. Uniform deformation of the specimens is happens up to 20—40 % of fracture time. In next time the significant heterogeneity of deformation is occurred. There was introduced the concepts of “fast” and “long” strain localization. There was shown that flat specimens are deformed more uniformly along their working part versus cross-circle specimens.
Ключевые слова: ползучесть, эксперименты, локализация деформаций, разрушение, высокая температура.
Keywords: a creep, the experiments, the localization of deformation, a fracture, a high temperature.
При высокотемпературных испытаниях возникает множество проблем, вызванных невозможностью проведения прямых измерений параметров в эксперименте, при этом значительно снижается возможность использования датчиков, большинство из которых не рассчитано на высокую рабочую температуру. Обычно в подобных экспериментах производятся измерения очень малого количества параметров, что не лучшим образом сказывается
на сравнительном анализе с проверяемой теорией. Образец находится внутри закрытой печи, поэтому единственная характеристика деформированного состояния, которую можно измерить в реальных опытах, — это зависимость удлинения образца от времени.
Известно, что в некоторый момент времени в слабом сечении образца образуется шейка, характеризуемая локальным уменьшением поперечного сечения. С течением времени размеры шейки увеличиваются вплоть до разрушения образца. Изменение размеров шейки во времени представляет безусловный интерес. При стандартных испытаниях эти данные получить невозможно.
В отношении полимеров Г.И. Баренблаттом предложена теория изотермического распространения шейки [1]. В [3] по перемещениям выбранных частей растягиваемого образца автолистовой стали исследована эволюция профиля шейки в зависимости от вида концентратора напряжений и типа стали. В [4] показана возможность расчета параметров движущихся микрошеек в метастабильных аустенитных сталях.
В основу измерений был положен бесконтактный принцип измерений геометрических параметров. Автором была изложена разработка подобной системы в [5]. Эта методика была использована в [2].
Испытания проводились на установке ИМех-5 в Институте механики МГУ. Установка ИМех-5 способна поддерживать заданную высокую температуру во времени и в рабочей части печи. Растягивающее усилие создается грузами, установленными на платформу в нижней части установки. В качестве испытываемого материала был выбран алюминиевый сплав Д16Т, рабочая температура 400°С. Начальная рабочая длина — 100 мм, ширина — 9,5 мм, толщина 1,3 мм.
Испытания проводились по следующей схеме. Сначала образец, закрепленный в тягах установки, нагревался до рабочей температуры. После выхода температуры на заданный уровень включался фотоаппарат, настроенный на съемку через заданные промежутки времени. Производилось
быстрое нагружение образца до заданного уровня осевого напряжения ст0 . Дальнейшее деформирование производилось в условиях ползучести при постоянной растягивающей силе вплоть до разрушения. После разрушения образца съемка прекращалась, температура в печи постепенно уменьшалась до комнатной, и после этого образец извлекался из установки.
Было проведено более 30 натурных испытаний на плоских галтелевидной формы образцах при 400°С. Были получены данные деформирования образца при постоянной температуре и нагрузке, а также данные о формоизменении образца при нагреве и остывании без действия нагрузки.
Рисунок 1. Максимальные напряжения, полученные для экспериментов 1 (кривые 1,4) ,2 (кривые 2, 5) и 3 (кривые 3,6), кривые 1, 2, 3 — реальное максимальное напряжение в образце, 2, 4, 6 — напряжение, полученное из предположения об однородной деформации
При стандартном способе испытаний предполагается, что образец деформируется равномерно. Это предположение верно только для начальной стадии деформирования, при этом никто из известных авторов не отвечает на вопрос о продолжительности этого начального участка. В данной статье приводится ответ на этот вопрос. На рис. 1 приведены графики amax(0 для трех экспериментов. Кривые 1, 2 и 3 показывают реально действующее
максимальное напряжение (с учетом возможной неоднородности), а кривые 4, 5 и 6 показывают максимальные напряжения, полученные стандартным образом (с предположением об однородной деформации). Как можно видеть,
после 20—40 % времени до разрушения эти кривые расходятся, показывая, что неоднородность деформирования в образце начинает играть существенную роль, а максимальное напряжение, полученное стандартным образом, неверно.
Благодаря непрерывному процессу фотографирования образца при деформировании были зафиксированы моменты образования трещин и их рост, приводящие к разрушению образца.
Рисунок 2. Распределение диаметров в образцах в различные моменты времени (показаны в процентах относительно времени разрушения). а) и б) — для образцов круглого поперечного сечения, в) и г) — для плоских образцов. Слева приведены фотографии образцов
На рис. 2 показаны графики распределения диаметров образца в различные моменты времени, вплоть до разрушения для образцов круглого поперечного сечения и плоских образцов. Образцы, показанные на рис. 2 а) и в), характеризуется тем, что образец деформируется равномерно большую часть времени с последующей локализацией деформаций и разрушением, такие образцы предложено называть образцы с «долгой» локализацией. Образцы,
показанные на рис. 2 б) и г), характеризуются «быстрой» локализацией деформаций и дальнейшим деформированием только в зоне локализации. Статистически было установлено, что плоские образцы в процессе эксперимента более равномерно деформируются (начало стадии неравномерного деформирования начинается позже), чем образцы с круговым поперечным сечением.
Следует отметить, что образец, распределение диаметров которого показано на рис. 2 в), иллюстрирует процесс развития двух шеек — слева и справа рабочей зоны образца, с разрушением в правой стороне рабочей зоны. В высокотемпературных экспериментах, где поле температур на образце поддерживается постоянным, а образец изначально считается структурно симметричным, такой характер деформирования образцов встречается редко. Из более 70 проведенных экспериментов на различных образцах, только 3 образца имели двухшеечный характер деформирования. Для металлических образцов образование двух шеек не характерно.
Рисунок 3. Распределение смещений перед разрушением на исходном образце в виде дополненной реальности
Наглядным способом изображения деформаций на образце является изображение полей деформаций образца на изображении образца при помощи дополненной реальности. В этом случае область образца окрашивается в цвет, соответствующей величине деформации этой области, относительно остальной части образца. На рис. 3. показано распределение будущих поверхностных смещений (модуль пространственного смещения) на поверхности
недеформированного образца. Из рисунка хорошо видно, что процесс деформирования образца относительно горизонтальной линии симметрии не происходил симметрично, хотя образец и условия деформирования были симметричными. Красная область справа сверху рабочей части показывает достаточно интенсивное движение материала к центру, по сравнению с той же областью снизу. Подобная несимметрия вызвана скорее всего неидеальностью структуры образца. Имеются и другие образцы, на которых деформирование происходит более симметрично.
Было выяснено, что равномерная деформаций образцов происходит только в течение 20—40 % от времени разрушения, после этого появляется значительная неоднородность деформирования. Было зафиксированы моменты образования трещин в образцах. Предложено ввести понятия «быстрая» и «долгая» деформация. Показано, что плоские образцы, по сравнению с образцами круглого поперечного сечения, деформируются более равномерно по своей рабочей части.
Автор выражает благодарность Н.Е. Валисовскому за помощь в обработке экспериментов. Работа выполнена в рамках гранта РФФИ №1408-00570.
Список литературы:
1. Баренблатт Г.И. О распространении шейки при растяжении полимерных образцов // Прикладная математика и механика. — 1964. — Т. 28. — Вып. 6. — С. 1048—1060.
2. Локощенко А.М., Терауд В.В. Исследование методом фоторегистрации локализации деформации в цилиндрических образцах при высокотемпературной ползучести // Деформация и разрушение материалов. — М., 2013. — № 11 (№ 289/2013). — С. 43—46.
3. Назаров Р.А., Никулин С.А. Исследование эволюции профиля шейки на образцах автолистовых сталей с различными концентраторами напряжений // Деформация и разрушение материалов. — М., 2009. — № 7. — C. 29—35.
4. Потехин Б.А. Особенности деформации цилиндрических образцов из метастабильных аустенитных сталей при растяжении // ФММ. — 1979. — Т. 48, № 5. — С. 1058—1064.
5. Терауд В.В. Инновационная многокомпонентная система бесконтактных измерений при высокотемпературных испытаниях // Труды конференции-конкурса молодых ученых Инст. Мех. МГУ (14—16.10.2009). — Изд-во МГУ, 2010. — С. 307—317.
