CC BY
25
УДК 620.1
В.С. Ерасов, Р.Р. Байрамуков
РОЛЬ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ, ОБРАБОТКЕ ДАННЫХ И ПРЕДСТАВЛЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ
На примере испытания при растяжении показана роль фактора времени при проведении механических испытаний, начиная с создания первых испытательных машин и до наших дней. Представлен переход от 1D к 3D представлению процесса испытаний, обработки данных и регистрации результатов. Предложены направления по совершенствованию испытательной техники, программного обеспечения и стандартов на испытания.
Ключевые слова: механические испытания, растяжение, влияние времени, скорость деформирования, 3D-диаграммы, стандарты на испытания.
The influence of time factor in mechanical testing (tensile tests as an example) was shown starting from the first test-machine manufacture till present. A transfer from 1D to 3D presentation of testing procedure, data processing and logging was shown. The directions on improvement of test facility, software and testing standards are offered.
Key words: mechanical tests, tensile test, influence of time, strain rate, 3D diagrams, standard test methods.
Для инженерных объектов решение проблем прочности и ресурса сводится к определению расчетных значений характеристик прочности и деформируемости и удержанию их в допустимых пределах. Все величины, определяющие свойства материала, носят вероятностный характер [1-5]. Требуется статистическое обоснование расчетных параметров, что, в свою очередь, приводит к необходимости обработки и простого визуального представления большого объема данных [6, 7]. Особое значение имеют диаграммы деформирования, по которым определяют базовые характеристики механических свойств [8]. Использование компьютеров позволяет компактизировать большое количество информации. Массив диаграмм деформации в координатах (о; е) представлен на рис. 1.
О 5 10 15 20 25
Удлинение, %
Рис. 1. Массив диаграмм деформирования в координатах (о; е) образцов из алюминиевого сплава 1163-АТВ
Для решения задачи наглядного представления объема данных механических испытаний, на примере диаграмм деформации при растяжении пред-
ложено представление диаграмм в трехмерной системе координат (3D). Для этого к осям s и e добавлена ось времени t.
Рассмотрим историческое развитие получения и представления результатов механических испытаний. При первых механических испытаниях преобладало «мягкое» нагружение, которое осуществлялось путем приложения силы, и регистрировалась только одна величина - разрушающая нагрузка. (Испытания носили 1D характер.)
После открытия закона Гука в 1660 году понадобилось не одно столетие, чтобы перейти от зависимости
P=K2l, (1)
где Р - нагрузка; 2l - абсолютное удлинение; K - коэффициент упругости, к зависимости
o=E-e, (2)
где о - нормальное напряжение в поперечном сечении; е - относительное удлинение; E - модуль упругости (модуль Юнга или модуль упругости первого рода).
Этот переход позволил оценить свойства именно материала, а не конструкции, как раньше.
При регистрации результатов испытаний в 2D-системе координат регистрировали зависимость напряжения от деформации: «жесткое» нагружение, при котором задается деформация образца, а регистрируется соответствующее данной деформации напряжение (см. рис. 1)
o=F(e). (3)
Основное преимущество «жесткого» нагружения перед «мягким» - получение диаграмм деформирования при большой скорости пластической деформации в образце, когда напряжение остается постоянным (площадка текучести) или даже падает (зуб текучести), что невозможно при «мягком» нагружении.
Рис. 2. Рекомендуемые стандартом EN ISO 6892-1(2009) скорости деформирования и нагружения по методу А (а) и В (б): £ - скорость деформирования; R - скорость возрастания напряжения; t - начало испытания; tc -контроль по перемещению траверсы; tec - контроль по экстензометру или перемещению траверсы; td - упругое поведение материала; tpl - пластическое поведение материала; tf - время до разрушения; ReL, ReeH - нижняя и верхняя точки зуба текучести; Rm - прочность при растяжении; Agt - полное относительное удлинение в точке максимального напряжения; Ag - остаточное (пластическое) относительное удлинение в точке максимального напряжения; At - полное относительное удлинение при разрыве; A - остаточное (пластическое) относительное удлинение при разрыве; Z - относительное сужение после разрыва; ■ - показаны предпочтительные скорости проведения испытаний (деформирования) - 2а, 4а (по методу А) и b (по методу В) - в случае отсутствия возможности управления по экстензометру
В настоящее время методику испытания определяют международные стандарты EN ISO 6892-1 (2009) Metallic Materials - Tensile Testing, ASTM E8-08 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. Скорости испытания по EN ISO 6892-1(2009) могут быть выбраны по методам А или В (рис. 2). По методу А скорости испытания контролируются по экстензометру, закрепленному на рабочей части образца, по методу В - по изменению напряжения на упругом участке и перемещению активной траверсы после появления пластической деформации. Предпочтение следует отдать методу А как более современному.
Задача стандартизации механических испытаний заключается в создании условий, при которых образцы материалов будут испытываться в одинаковых условиях [9]. Это необходимо для получения достоверных сравнимых результатов.
Преимущества 3D представления процесса и результатов испытаний
С введением цифрового компьютерного управления регистрация результатов испытаний происходят в трехмерной системе координат (3D). Испытание проходит в трехмерной системе (о; е; t) (рис. 3). Далее будем рассматривать только 1/8 часть этого пространства, где проходят испытание при растяжении и регистрация результатов.
Диаграмма в плоскости (о; 0; e) существует только как проекция диаграммы из 3D-системы в 2D-систему, как показано на рис. 3, б. Две другие плоскости (о; 0; t) и (e; 0; t) (см. рис. 3, в, г) - соответственно «мягкого» и «жесткого» нагружения, где происходит управление нагружением при испытании. В случае управления испытанием в «жестком» режиме - испытание регистрируют в плоскости (о; 0; 4) (см. рис. 3, б). Здесь ось 4 -пересечение этой плоскости с плоскостью (e; 0; t).
а) о)
Рис. 3. Трехмерная (3D) система координат для проведения испытаний и представления результатов (а). Диаграмма деформации в 3D-системе и ее проекция на плоскость (о; 0; е) (б). Плоскость «мягкого» нагружения (о; 0; t) с линейной функцией управления o=Kt (в) и плоскость «жесткого» нагружения (е; 0; t) с линейной функцией управления £=Kt (г)
Величину 4 можно выразить через значения е, е и t: I-------- I----------
4 = д/ е 2 + (bt)2 = t V е 2 + Ь2, (4)
где е - скорость деформирования образца на рабочей длине; b=1 c-1 - коэффициент, приводящий к одинаковой размерности складываемых величин.
Следует иметь в виду, что е =tg9, где ф - угол между плоскостями (о; 0; х) и (о; 0; t). Чем меньше ф (или е), тем больше напряжение о зависит только от фактора времени, тем ближе плоскость (о; 0; 4) к плоскости (о; 0; t) и тем ближе «жесткое» нагружение к «мягкому». И наоборот, чем меньше величина K при «мягком» нагружении по закону о=К (см. рис. 3, в), тем ближе «мягкое» нагружение к «жесткому», т. е. при нагружениях, оси которых (4 на рис. 3, б) близки к оси времени t, «мягкое» и «жесткое» нагружение могут быть взаимозаменяемыми.
Представлена зависимость величины 4 от скорости испытания е (рис. 4). При малых скоростях испытания ( е —>0) величина 4—^bt. Это позволяет сделать вывод о том, что при малых скоростях
испытания время является определяющим параметром: о(е)—-о(0, плоскость (о; 0; 4) находится рядом с плоскостью (о; 0; t), ф— 0 (см. рис. 3, б).
5 /Ы
Рис. 4. Влияние скорости испытания ( е) на ве-лучину 4
Рис. 5. Диаграмма с горизонтальным участком (а). Плоскости ползучести с диаграммами (б) и их проекция на (е; 0; t) (в). Пересечение плоскости регистрации ползучести и плоскости регистрации при «жестком» нагружении (г)
Статические испытания можно рассматривать как серию равновесных состояний, возникающих со скоростями порядка от 10-11 до 10-3 с-1. При проведении многих стандартных механических испытаний фактор скорости (или времени) часто вообще не учитывается и не регламентируется [10]. Парадокс заключается в том, что временной фактор является важным, но при этом его не учитывают.
При построении диаграмм механических испытаний встречаются диаграммы деформирования с выраженным горизонтальным участком (рис. 5, а). На этом участке:
do do de
dt de dt
(5)
где de/dt= e =const - скорость испытания, т. е. o=const. А е =const при o=const - означает установившуюся стадию ползучести.
Рассмотрим плоскости, в которых регистрируется испытание на ползучесть. Две плоскости, в каждой из которых o=const, o1>o2, представлены
на рис. 5, б, в. Диаграммы ползучести и их проекции на (е; 0; t) показывают: е 1 > е 2. Далее рассмотрим рис. 5, г, на котором пересекаются плоскости регистрации при испытании на ползучесть и при «жестком» нагружении. Скорость «жесткого» нагружения выберем равной скорости ползучести при напряжении о1 (жирный прямолинейный участок на диаграмме ползучести). Из рис. 5, г видно, что при «жестком» нагружении выше напряжения о1 диаграмма деформации не поднимется. При этом напряжении материалу образца энергетически выгодно «ползти» (жирный участок на диаграмме растяжения). Если взять две точки друг над другом: одну на жирной линии, другую на пунктирной (предполагаемая линия деформирования), то напряжение соответствующее первой точке будет меньше, чем напряжение, соответствующее второй точке, а деформация в обеих точках одинакова. Таким образом, на жирной линии потенциальная энергия, запасенная в образце, меньше, чем на пунктирной линии.
Рис. 6. ЭБ-поверхность «упругости» (а). Упругая прямая, получаемая при пересечении ЭБ-поверхности плоскостями регистрации испытания при «жестком» и «мягком» нагружении (б)
Следовательно, активное растяжение при малой скорости деформации на участке 6=const -ползучесть.
С помощью поверхности, образованной множеством 3Б-диаграмм деформации при разных скоростях испытания, можно получить свойства материала как при статических испытаниях, так и при ползучести. Назовем эту поверхность ЭБ-поверхностью деформации. Реально работа проводится с набором таких поверхностей, лежащих между поверхностями с максимальными и минимальными значениями механических характеристик [11-14].
Рассмотрим 3Б-поверхность, образованную множеством диаграмм, в упругой области при разных скоростях испытания (рис. 6). Интересна 3Б-поверхность упругости тем, что является плоскостью и содержит в себе ось времени. Это свидетельствует о том, что время не имеет никакого значения на стадии упругости. Однако ее верхняя граница является нисходящей по времени. Она примечательна также и тем, что плоскости регистрации испытания и при «мягком», и при «жестком» нагружении (при соблюдении условия 6 = Е ■ е), пересекая ее, дают одну и ту же прямую, т. е. на упругом участке не имеет значения и способ нагружения (рис. 6, б). Таким образом, современные стандарты весьма правомерно разрешают контроль скорости по напряжению на упругом участке.
Схематичный полный вид 3Б-поверхности для металлического материала показан на рис. 7.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Фактор времени является определяющим параметром при проведении механических испытаний, обработке и представлении результатов.
Рис. 7. Схематичный вид 3Б-поверхности для металлического материала
2. Представление процесса испытания и его результатов в 3Б-системе координат (напряжение, деформация, время):
- визуализирует реальные процессы управления испытанием и регистрации его результатов, является наглядным материалом в процессе обучения;
- компактизирует в пространстве процессы испытания и регистрации результатов.
3. Полученные результаты показывают возможность прогнозирования испытаний на ползучесть статическими испытаниями при низких скоростях деформирования, что будет экономически выгодно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Махутов Н.А. Система критериев прочности, ресур-
са, надежности и безопасности машин и конструкций //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012. №9. С. 50-55.
2. Ерасов В.С. Физико-механические характеристики как основные интегральные показатели качества авиационных конструкционных материалов: Мето-дич. пособ. М.: ВИАМ. 2011. 16 с.
3. Ерасов В.С., Гриневич А.В., Сеник В.Я. и др. Расчет-
ные значения характеристик прочности авиационных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 14-16.
4. Ерасов В.С., Яковлев Н.О., Нужный Г.А. Квалифика-
ционные испытания и исследование прочности авиационных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 440-448.
5. Каблов Е.Н., Гриневич А.В., Ерасов В.С. Характери-
стики прочности металлических авиационных материалов и их расчетные значения /В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007. М.: ВИАМ. 2007. С. 370-379.
6. Metallic Materials Properties Development and Standard-
ization (MMPDS-02). Atlantic City: NJ. 2005. 1826 p.
7. Ерасов В.С., Крылов В.Д., Панин С.В., Гончаров А.А.
Испытания полимерного композиционного материала на удар падающим грузом //Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 60-64.
8. Расчетные значения характеристик авиационных металлических конструкционных материалов: Справочник. М.: ОАК. 2009. Вып. 1.268 с.
9. Каблов Е. Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
10. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов.
Ч. 1. Деформация и разрушение. М.: Машиностроение. 1974. С. 214-235.
11. Харитонов Г.М., Хитрова О.И., Яковлев Н.О., Ерасов В.С. Закономерности поведения ВЭ деформаций в авиационных стеклах из линейных и поперечносшитых полимеров при знакопеременных нагружениях //Авиационная промышленность. 2011. №3. С. 28-32.
12. Беляев М.С., Кошкин С .Б., Горбовец М.А. Определение предела усталости жаропрочного сплава способом ступенчатого изменения нагрузки //Авиационные материалы и технологии. 2011. №1. С. 27-30.
13. Вильдеман В.Э., Третьсяков М.П. Испытания материалов с построением полных диаграмм деформирования //Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. №2. С. 93-98.
14. Стружанов В.В., Миронов В.И. Деформационное разупрочнение материала в элементах конструкций. Екатеринбург: УрО РАН, 1995. 191 с.
