Рекомендации по экспериментальному определению анизотропии механических свойств двухслойных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 539.374; 621.983

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМУ ОПРЕДЕЛЕНИЮ АНИЗОТРОПИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДВУХСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ

М.В. Грязев, С.С. Яковлев, О.В. Пилипенко, А. А. Пасынков

Приведены рекомендации по экспериментальному определению анизотропии механических свойств двухслойных материалов. В отличие от известных методик определения механических характеристик двухслойных материалов предложено их оценивать, как свойства основного и плакирующего материалов слоев.

Ключевые слова: экспериментальные исследования, механические характеристики, анизотропия, коэффициент анизотропии, напряжение, деформация, кривая упрочнения, двухслойный материал.

Расчет напряженного и деформированного состояний заготовки, силовых параметров и предельных возможностей формоизменения операции вытяжки с утонением стенки двухслойных материалов возможен только при наличии информации о характеристиках механических свойств и параметров кривых упрочнения исходной заготовки [1, 2]. Эти величины для конкретного материала определяются экспериментально.

В отличие от известных методик определения механических характеристик двухслойных материалов, когда механические свойства двухслойных листов оценивают свойствами материала основного слоя [3], предложено их оценивать, как свойства основного и плакирующего материалов слоев.

Для этого необходимо вырезать образцы из металла со снятым плакирующим слоем и со снятым основным слоем. Образцы с разной исходной толщиной необходимо изготавливать фрезерованием. Пропорциональные образцы должны быть вырезаны в соответствии с ГОСТ 11701-84 (при sо < 3 мм) и ГОСТ 1497-84 (при ^о > 3 мм) в пределах одного листа

под углами 0, 45 и 90° к направлению прокатки по шесть штук каждого вида. Точность размеров образцов обеспечивается их обработкой в специальных шаблонах.

Схема раскроя листов и вырезки образцов приведена на рис. 1. Предварительно перед испытаниями на образец в зоне расчетной длины /д

наносят делительную сетку со стороной квадрата 10 мм. Делительная сетка с точностью до 0,025...0,03 мм должна наноситься алмазным индентором на измерительном микроскопе УИМ-21 по методике, изложенной в работе [4]. До и после испытаний размеры ячеек образцов измеряются на том же микроскопе.

направление прокатки

(3=90° (3=45° Р=0°

Рис. 1. Схема раскроя листов и вырезки образцов для испытания на анизотропию механических свойств листового материала

Растяжение образцов, вырезанных под углами 0, 45 и 90° к направлению прокатки, необходимо осуществлять на универсальной испытательной машине типа «ЩБТКОК». Испытательная машина должна работать в автоматическом режиме по заданной программе нагружения и осуществлять автоматический расчет следующих механических характеристик материалов в зоне растяжения: предел пропорциональности Спц, модуль упругости Е, условный предел текучести С0 2, временное сопротивле-ние Св, относительное удлинение после разрыва 8 и относительное сужение

у.

Величина коэффициента анизотропии образца, вырезанного под углом а, находится по формуле [5]

/ е г. а)

Деформации по ширине е^, длине е/ и толщине е2 определяются по выражениям

ч = 1п(ь1/ьо); е=1п(/^/0); е^=~ч,

где Ь и /1 - размеры ячейки соответственно поперек и вдоль образца после разрыва; Ь° и /°— ее начальные размеры.

Среднее значение коэффициента анизотропии в плоскости листа ЯСр вычисляют по выражению

Кср = (К0 + К45 + К90)/3 .

Степень плоскостной анизотропии механических свойств оценивают величиной 1К [4]:

1К = |Кшах — Кшт |/ Кср, (2)

где Кшах и КШ1П— максимальное и минимальное значения коэффициента анизотропии в плоскости листа.

Отношения параметров анизотропии О/Е, И/Е и Ы/Е следует определять по формулам

И

Е

К

О К

К

90; — = -9°; —= К45 + - 1 + . (3)

ггр гг 45 о т?

Е к0 е V 2/V к0 )

Для получения наиболее достоверных результатов по определению равномерного относительного удлинения 8 р необходимо использовать ту часть

разорванного образца, в которой ячейка была наиболее удалена от очага локальной деформации (места разрыва).

Изменение пределов текучести 2 р в зависимости от угла вырезки образцов по отношению к направлению прокатки определяют по уравнению [5]

С2Р=С290 (1 + И1Е )

8Ш2 р + — 0082 В +----+

Е Е

+

1

О И

----4—

Е Е)

8Ш2 Р 0082 Р

(4)

где с59°— предел текучести материала образца, вырезанного в направлении, перпендикулярном направлению прокатки.

Изменение величин коэффициентов анизотропии Кр оценивают по

выражению [6]

КР =

И

Е

+

1

О

И

4

ЕЕ

8Ш2 Р 0082 Р

8Ш2 Р + О0082 Р

Е

(5)

Экспериментальные исследования позволяют рассчитать константы кривых упрочнения

= С0,2к + Ок(е!к)"к , к = 1>2. (6)

5

Константы кривой упрочнения (6) для исследуемых материалов определяют путем обработки индикаторных диаграмм «сила — путь» в области равномерной деформации с учетом постоянства объема материала на базовой длине образца. Экспериментальные константы Ок и щ вычисляют с использованием методики нелинейного оценивания параметров [5].

Обработка экспериментальных данных должна осуществляться в предположении изотропного упрочнения анизотропного материала [6], что позволяет значительно упростить обработку опытных данных и сократить объем экспериментальных исследований при построении единой кривой упрочнения.

Принимая в качестве базовых экспериментальные данные Сs90 = Сs90 (е9о) при растяжении плоских образцов в направлении оси у, можно рассчитать величины интенсивности напряжения О/ и интенсивно-

сти деформации е, по выражениям

а, =

' 'У

3К0( К90 +1) _ .

а ^90 •

2( Ко + К0 К90 + К90) (7)

=

І

2(к0 + К0К90 + К90) „

_е90:

3К0( К90 +1)

где а ^90, Є90 - сопротивление материала пластическому деформированию

и степень логарифмической деформации при растяжении образца в направлении оси у.

Аналогично в качестве базовых данных могут быть приняты результаты экспериментальных исследований, полученных при растяжении

плоских образцов, вырезанных под углами 0 и 45° по отношению к направлению прокатки (оси х).

Константы кривых упрочнения основного и плакированного материалов позволяют рассчитать величины долевых напряжений а5 дол при

растяжении двухслойного материала различной начальной толщиной по формуле

// /2

а ^ дол = а ^ 1 + а ^ 2 , (8)

где /1 и /2- площади поперечных сечений основного и плакированного слоев соответственно; а 5 2 и а 51- сопротивление материала пластическому деформированию первого и второго слоев соответственно; / = /1 + /2.

Операция вытяжки с утонением стенки реализуется в условиях плоского деформированного состояния заготовки.

Следуя работам Р. Хилла [6], введем характеристику анизотропии в условиях плоского деформированного состояния:

1 N (Я0 + Я90)

'ху

1

2 Е Я90 (Я0 + Я90 + 1)

(9)

а также, учитывая, что / = — 1

_2

а^90

1 +

V

Л ’

N

Я45 + Т 2

1 +

Я

90

Я

2 N = ■

т

эху

получим выражение для определения величины сопротивления материала пластическому деформированию на сдвиг в плоскости ху:

т

эху

090

2

_ (^О + Я9О)(1 + Я9О) (ю)

У Я9О (1 - сху )(^О + Я9О +1)

Используя соотношения (1О), получим окончательное выражение для определения величины сопротивления материала пластическому деформированию на сдвиг в плоскости ху :

тэху аі-

I(Я0 + Я0 Я90 + Я90 ) 3Я0( Я90 +1)

II

(Я0 + Я90)(1 + Я90)

Я90 (1 - сху )(Я0 + Я90 +1) Определение коэффициентов О.к и кривых разрушения вида

еіпрк = Ок ехр

А Л

ик

V аі J

невозможно без оценки напряженного состояния образцов, в момент разрушения при растяжении их в условиях плоского напряженного и плоского деформированного состояний. Вырезанных в направлениях главных осей анизотропии, следует заметить: принимается, что предельная величина интенсивности деформации в момент разрушения не зависит от направления растяжения образца.

Когда имеет место локализация очага пластической деформации, схема напряженного состояния в образце изменяется на схему всестороннего растяжения. Напряженное состояние в локальном очаге пластической деформации при растяжении плоского образца из анизотропного материала, в частности при растяжении плоского образца в направлении оси анизотропии х , может быть оценено по выражениям

а хср = Р/ (2'У ю); а

■у

а х = а

эх

1 +

у 2 у 10

эх' 2

эх

2 у 10 Р У

(у 20- у2 У(2 У10 Р)=

1

где Р — сила растяжения образца; К = 1/[1 + ую/(Эр)]— поправочный коэффициент; р — радиус кривизны контура шейки в наименьшем сечении; ох, а у и о 2 — главные напряжения, действующие в направлениях главных

осей анизотропии х, у и 2 соответственно; ^ и у 1°—толщина и половина ширины образца в наименьшем сечении.

Для определения напряжений в минимальном сечении образцов,

о

вырезанных в направлении 45 и 90 по отношению к направлению прокатки, можно воспользоваться приведенными выше формулами, в которых необходимо заменить направления главных осей анизотропии по смыслу.

Заметим, что величина показателя напряженного состояния в минимальном сечении образца на каждом этапе растяжения должна определяться по выражению

Уи

а 11 !° а х + а у + а 2

$ —------±----йУ, (12)

°1 Э У10 о о

а величина среднего показателя напряженного состояния за весь процесс испытания образца — по формуле

ґ Л і

а 1

V аі у

ср Єі пР

Є Є

1рав а , 1 1Пр а

) — Л е, +--------- ----------- \ — Л е,

0 аі еіпр еі рава е, рав аі

(13)

где рае — интенсивность деформации, соответствующая максимальной

равномерной деформации.

Приведенные выше рекомендации по экспериментальному определению анизотропии механических свойств двухслойных материалов, а также результаты экспериментальных исследований могут быть использованы при расчете напряженного и деформированного состояний, силовых параметров и предельных возможностей операции вытяжки с утонением двухслойных анизотропных материалов.

Работа выполнена в рамках государственного задания на проведение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2О14 — 2О2О годы и гранта РФФИ № 1Э-О8-97-519 р_центр_а.

Список литературы

1. Трегубов В.И., Яковлев С.П., Яковлев С.С. Технологические параметры вытяжки с утонением стенки двухслойного упрочняющегося материала // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2ОО5. № 1. С. 29 — 35.

2. Грязев М.В., Яковлев С.С., Ремнев К.С. Математическая модель операции вытяжки с утонением стенки двухслойных анизотропных мате-

риалов в конической матрице// Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2014. Вып. 1. С. 66-76.

3. Ковка и штамповка: справочник. Т. 4. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.

4. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант. 1997. 331 с.

5. Яковлев С.С., Кухарь В.Д., Трегубов В.И. Теория и технология штамповки анизотропных материалов / под ред. С.С. Яковлева. М.: Машиностроение, 2012. 400 с.

6. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: ГИТТЛ, 1956.

408 с.

Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, mpf-tulaarambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пилипенко Ольга Васильевна, д-р техн. наук, проф., mpf-tulaarambler.ru, Россия, Орел, Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс,

Пасынков Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., mpf-tulaarambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

RECOMMENDA TIONS FOR EXPERIMENTAL DETERMINA TION ANISOTROPY OF MECHANICAL PROPERTIES TWO-LAYER MATERIALS

M.V. Gryazev, S.S. Yakovlev, O.V. Pilipenko, A.A.Pasynkov

The recommendations for the experimental determination of the anisotropy of the mechanical properties of two-layer materialsare given. In contrast to the known methods of op-definiteness of the mechanical properties of two-layer materials it is offered to estimate them as properties of the base material and the cladding layers.

Key words: experimental study, a mechanical-sticks, anisotropy, anisotropy factor, stress, strain, curve up-rochneniya, two-layer material.

Gryazev Michail Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, the rector, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, the head of chair, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pilipenko Olga Vasilievna, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Orel, State University - Education-Science-Production Complex,

Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University