CC BY
58
The results of studies of plasticity of metals at volumetric stress state are presented. Experimental data on the effect of hydrostatic pressure and its changes in the plasticity of metals are processed. The effect of the invariants of the stress tensor on the plasticity is shown. Here the process of samples loading is considered in the space of three dimensionless invariant characteristics of the stress-strain state. It is shown that the plasticity is affected by the first and second derivative of the indicators of stress state. It is also shown that the defor-mability criteria based on the linear theory of damage accumulation provide a significant deviation between the calculated and experimental results.
Key words: ductility of metals, volumetric stress state, hydrostatic pressure, defor-mability criteria.
Aliieva Leila Igramotdinovna, candidate of technical sciences, docent, omd@dgma. donetsk. ua, Ukraine, Kramatorsk, Donbass State Engineering Academy,
Ogorodnikov Vitalij Antonovich, doctor of technical sciences, professor, the head of chair, va.ogorodnikov@mail.ru, Ukraine, Vinnitsa, Vinnitsa National Technical University
УДК 539.374; 621.983
ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЁННОСТИ МАТЕРИАЛА ПРИ РАСЧЕТЕ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В.Ю. Травин
Показано применение характеристики повреждённости микродефектами материала при разработке конструкции и технологии изготовления элементов корпусных конструкций методами холодного деформирования.
Ключевые слова: повреждённость, пластическое деформирование, запас прочности, вытяжка, разрушение, напряжение, деформация.
Понятие «прочность конструкций» неразрывно связано с использованием противоположного понятия «разрушение». По существу, под «прочностью конструкции» понимается её способность противостоять разрушению при всех возможных режимах нагружения в течение всего периода эксплуатации [1 - 3].
Накопленный опыт эксплуатации конструкций различного назначения показывает, что, как правило, их преждевременные повреждения, связанные с «запуском» тех или иных механизмов разрушения материала, происходят при совокупном действии нескольких конструктивных, техно-
логических и (или) эксплуатационных факторов. Поэтому уже на стадии проработки конструкторского проекта необходимо уметь прогнозировать величину повреждённости, которую получит конструкция в процессе изготовления и эксплуатации.
При конструировании изделий для учёта последствий накопления повреждённости в процессе изготовления и эксплуатации материалом конструкции можно воспользоваться моделью
о? - СУ
у (Л ,Л2/3
(1 -ш)2
где о? - эффективные напряжения, возникающие в материале с повреж-дённостью ю; о у - напряжения в сплошном материале [2, 3].
В настоящее время в рамках феноменологической теории разрушения используется скалярная характеристика повреждённости микродефектами ю (0<ю<1). Значению ю=0 соответствует материал с идеальной неповреждённой структурой, значению ю=1 соответствует образование магистральной трещины (макроразрушение образца) [2, 3].
Множитель при напряжении о у можно трактовать как коэффициент запаса прочности п, который необходимо задать изделию на стадии конструирования. Изменение коэффициента запаса прочности материала ^ в зависимости от повреждённости представлено рис. 1. Из анализа графических зависимостей, приведенных на рис. 1, следует, что при запасе прочности 2,6, задаваемом при конструировании сосудов, работающих под избыточным давлением, значение повреждённости может достигать 0,76. Это значение повреждённости соответствует начальной стадии объединения микропор в крупные полостные дефекты, то есть началу микроразрушения материала.
Повреждённость материала изделия в конце срока эксплуатации можно оценить как сумму повреждённостей, полученной материалом при изготовлении и накопленной материалом за время эксплуатации изделия.
Рассмотрим динамику повреждённости, получаемую изделием при его изготовлении методом холодного деформирования (вытяжки с утонением стенки) с промежуточными операциями рекристаллизационного отжига [4, 5].
Изменение величины повреждённости материала можно проследить на протяжении всего технологического процесса. Прогнозируемая повре-ждённость материала полуфабриката после >й вытяжной операции
где Аа>} - приращение повреждённости на /-й операции; юост1-1 - остаточная повреждённость после промежуточной термической операции, для её оценки можно принять экспоненциальный закон
Мот = с*(1- е
где ю* = 0,2...0,3 - уровень технологической повреждённости материала, начиная с которого рекристаллизационный отжиг не восстанавливает полностью пластические свойства материала; е - основание натуральных логарифмов.
Рис. 1. Зависимость требуемого запаса прочности материала ц от его повреждённости ю, получаемой в конце срока эксплуатации
Приращение повреждённости на вытяжных операциях определяется по зависимости
. Л/' аЛа-1 ЕЛ* Ас/ = Г Е-сЛ@--,
Л* Л*
0 1Хпр 1Хпр
где Л/ - степень деформации сдвига на /-й формоизменяющей операции; Лпр - степень деформации сдвига, соответствующая моменту разрушения;
В - коэффициент немонотонности деформации; а, Ь - коэффициенты пластического разрыхления.
Допустимые степени деформации по операциям определяются из условия необразования в структуре материала крупных дефектов с учётом того факта, что промежуточный рекристаллизационный отжиг не восстанавливает полностью пластические свойства материала:
[Л / ] = Л
пр
г Ы-Юот-1л Е
1/а
где для изделии ответственного назначения, получаемых методами холодного деформирования, допустимый уровень повреждённости [&]=0,6.. .0,7.
Проведённые исследования позволяют установить характер изменения повреждённости материала при многооперационной технологии вытяжки с промежуточными операциями рекристаллизационного отжига. Полученные результаты можно проиллюстрировать на примере построения диаграмм повреждённости материала полуфабриката при многооперационной технологии изготовления корпусных осесимметричных деталей (рис. 2).
а
б
[СО]
со V ш3 )
Г °>1 ш Ш >стЗ тоотА
Л. АД=С ,69 -Л-
А2=0,58
в
Рис. 2. Диаграмма изменения повреждённости материала полуфабриката при многооперационной технологии изготовления корпусных деталей: а - в верхнем расчётном сечении;
б - в срединной части; в - в нижнем расчётном сечении
Диаграммы построены для трёх характерных сечений корпуса: верхнего, срединного и нижнего. Величина ординаты 0,6 соответствует допустимому уровню повреждённости материала; подъём каждой кривой соответствует приращению повреждённости на >й формоизменяющей операции. Вертикальные отрезки диаграмм соответствуют снижению по-вреждённости на операциях восстанавливающего отжига. При построении диаграмм учитывалось, что рекристаллизационный отжиг не восстанавли-
вает полностью исходную пластичность материала, что связано с жёсткой схемой напряжённого состояния на вытяжных операциях.
Оценка сокращения ресурса материала конструкции в процессе эксплуатации, а также при проведении перегрузочных испытаний подробно изложена в работе [6].
Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 13-08-97-519 р_центр_а.
Список литературы
1. Карзов Г.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. СПб.: Политехника, 1993. 391 с.
2. Богатов А. А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2002. 329 с.
3. Колмогоров В. Л. Механика обработки металлов давлением. Екатеринбург: УГТУ, 2001. 836 с.
4. Травин В.Ю. Анализ повреждённости деформируемого материала и степеней деформации на операции вытяжки // Теория, технология, оборудование и автоматизация обработки давлением и резанием. Тула: ТулГУ, 1999. Вып. 2. С. 189 - 194.
5. Глубокая вытяжка анизотропных материалов / С. С. Яковлев [и др.] под ред. С.С. Яковлева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 225 с.
6. Петров В.А. О перегрузочных испытаниях // Дефектоскопия. РАН. 1997. № 3. С. 92 - 98.
Травин Вадим Юрьевич, канд. техн. наук, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, ОАО «НПО «СПЛАВ»
EVALUATION OF THE MATERIAL IN CALCULATING DAMAGED
STRENGTH AND DURABILITY OF ELEMENTS OF HULL STRUCTURES
V.Y. Travin
The use of the characteristics of the damaged ma-microdefects the material in the development of design and technology elements of hull structures by cold deformation is shown.
Key words: damaged, plastic deformation, the stock firmly-sti, extractor, destruction, stress, strain.
Travin Vadim Yurievich, candidate of technical sciences, mpf-tula@rambler.ru,, Russia, Tula, JSC «NPO «SPLA V»
