Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению при сложном напряженном состоянии..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
35.18 Mб
Скачать

§ 2. Экспериментальная проверка гипотез теорий пластичности

Теория пластичности занимается установлением связи между ком­ понентами тензора напряжений и компонентами тензора деформа­ ций при пластическом деформировании (преимущественно метал^ лов). Проверкой этих теорий путем непосредственного сопоставле­ ния результатов теоретических расчетов с опытными данными фак­

тически нельзя установить, какая именно из

гипотез, положенных

в основу

теории, не

согласуется с опытом и тем самым

является

причиной

обнаруженных расхождений.

 

 

Непосредственная

проверка отправных

предпосылок

в этом

смысле имеет существенные преимущества, так как позволяет уточ­ нять и устанавливать физические закономерности общего харак­

тера. Для проверки гипотез теорий

пластичности ставились

спе­

циальные опыты.

 

 

 

Экспериментальные

исследования

влияния гидростатического

давления сводятся к

проверке принятой линейной зависимости

0 = Да0 в области малых упруго-пластических деформаций

и ги­

потезы постоянства объема при больших пластических деформа­ циях, а также к исследованию влияния гидростатического давле­ ния на обобщенную кривую.

О том, что при наложении гидростатического сжатия изменя­ ются пластические свойства материала, известно давно. Еще Т. Кар­ ман [116] и Р. Бекер [18] в опытах по разрушению каррарского мрамора и цинка при одновременном действии давления в осевом и поперечном направлениях обнаружили, что дополнительные сжи­ мающие напряжения увеличивают пластичность материала. Более, полные данные по истории вопроса можно найти в работе [195].

Систематическим изучением деформирования металлов в усло­ виях всестороннего сжатия занимался П. Бриджмен [26]; который уже к началу 40-х годов довел диапазон доступных давлений до 100 000 дан/см2. Бриджмен установил, что предельная пластич­ ность, определяемая как логарифм отношения начальной площади поперечного сечения образца к площади сечения шейки в момент разрыва, связана с гидростатическим давлением линейной зависи­ мостью

бпл = 8 + К Р 1

где е — деформация при разрыве без давления; К — коэффициент пропорциональности.

Более тщательный анализ результатов Бриджмена показывает [251], что при достаточно высоких давлениях линейная зависимость не соблюдается для многих материалов.

Использование более совершенных методик позволило устано­

вить, что при определенной величине давления кривая

епл = f(P)

имеет перегиб [251], а у некоторых металлов — два

перегиба.

Качественно общий вид кривой гр = /(Р ) показан на рис. 64 [172), из которого видно, что при малых давлениях пластичность практи­ чески не изменяется; однако, начиная с некоторого характерного

 

£лл

 

 

 

 

 

 

 

1,5

 

 

Г 2 / '3

 

 

 

1,0

У

 

 

 

 

о и

/

.

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

п

 

 

5

10 РШ'5,кн{ыг

 

 

 

 

Рис. 64. Общий вид зависимости

Рис. 65.

Экспериментальные

кри­

предельной пластичности от гидро­

вые предельной

пластичности для

статического давления.

латуни (/),

молибдена

(2) и хро­

 

 

 

 

 

ма (3)

[172].

для каждого материала давления

Ри наблюдается сначала

интен­

сивный рост пластичности, который при дальнейшем

увеличении

давления уменьшается.

 

 

 

 

 

 

 

Величина «порогового давления» Рх возрастает с увеличением

прочности и твердости материала. Различные материалы

по дан­

ным работы [172] имеют следующие

приближенные значения Рх

к«/ж2):

 

 

 

Алюминий

78 000

 

 

Медь охрупченная

100 000

 

 

Сталь (0,45 % С)

160 000

 

 

Молибден

200 000

 

 

Хром

450 000

 

 

Ванадий

700 000

 

 

На рис. 65 приведены опытные кривые предельной пластичности

для

латуни, молибдена и хрома. Как

видно из рисунка,

кривые

пластичности для указанных материалов отличаются от типичной кривой (рис. 64). Эго объясняется тем, что для пластичных метал­ лов из-за низкого «порогового» давления трудно получить ниж­ ний перегиб кривой, а для малопластичных материалов в связи с искажением формы поперечного сечения шейки при больших де­ формациях — верхний перегиб [172]. Справедливость допущения об отсутствии изменения объема при больших пластических деформа­ циях подтверждается работами [26, 62, 89, 178].

Бриджменом [26] исследовано изменение объема при линейном сжатии на образцах из железа, меди, бронзы, дюралюминия, низко- и высоколегированных сталей. Тщательный обмер образцов спе­ циальным дилатометром показал, что остаточное изменение объема практически равно нулю. Так, для стали с содержанием углерода 0,2% , деформированной до 13,6%, остаточное изменение объема составило 0,012%.

Интересно, что у некоторых материалов (чугун, норвежское же­ лезо, отдельные горные породы) обнаружен эффект увеличения объема при одноосном сжатии. Так, при испытании чугуна после снятия нагрузки, при которой остаточное укорочение составляла 1,5%, остаточное увеличение объема составило 0,19%.

По мнению Бриджмена, при деформировании материала сжа­ тием происходит не только закрытие трещин, приводящих к уве­ личению плотности, но и их раскрытие. Эти процессы могут да­ вать остаточное изменение плотности после снятия нагрузки раз­ ных знаков. У чугуна, очевидно, компонента увеличения объема преобладает над другими эффектами.

На существенное изменение объема горных пород при деформи­ ровании и на целесообразность специального подхода для учета этого явления при решении задач механики указывалось в работе [2711.

Опыты на сплошных образцах из сталей 10, 15, 30, 40, 45 и У8 были проведены А. В. Гурьевым [62]. Деформация измерялась на инструментальном микроскопе (измерение диаметра) и рычажным индикатором (измерение удлинения) с точностью 0,001 мм. При де­ формации 5% коэффициент поперечной деформации был равен 0,498. При этом обнаружена неравномерность конечных деформа­ ций в радиальных направлениях одного и того же сечения.

А. М. Жуков [89) на основании анализа результатов испытания сплошных цилиндрических образцов из сталей 30 и 45, сплава Д1 и алюминия на растяжение пришел к выводу, что для исследован­ ных материалов, начиная с деформации 1 %, коэффициент попереч­ ной деформации отличался от 0,5 менее чем на 10%. При пласти­ ческих деформациях порядка упругих отклонение составляло более 20%. Характер изменения коэффициента поперечной деформации в зависимости от степени деформации, по данным А. М. Жукова, хорошо аппроксимируется формулой

а

ЗК — ——

где К — модуль объемного сжатия; ог и ег — текущее напряжение и соответствующая ему продольная деформация.

Незначительное остаточное изменение объема на тех же мате­ риалах подтверждается опытами Н. Н. Давиденкова и Д. М. Василь­ кова |£8], проводившими испытания сталей 40 и 45 на растяжение до 10% с последующим взвешиванием в четыреххлористом угле­ роде. Ими обнаружено, что указанной деформации соответствует коэффициент поперечной деформации, равный 0,47.

Аналогичные результаты получили Марин и Ху [378] на труб­ чатых образцах из алюминиевого сплава 14 S — Т16, испытанных на растяжение с внутренним давлением. Обмер образцов, доведен ных до определенной степени деформации, производился после оче­

редной разгрузки. Было выявлено, что при деформациях примерно 2 % остаточное изменение объема доходило до 1%.

Качественные результаты по объемной сжимаемости твердых тел в условиях всестороннего сжатия впервые получили Паррот и Ленц, которые в 1833 г. обнаружили сжимаемость стекла при дав­ лении 100 дан!см2 [195]. Однако первые надежные количественные результаты при давлениях' около 50 000 дан!см2 были получены спустя более 100 лет Бриджменом 126]. Для определения остаточного изменения объема Бриджмен рекомендует формулу

0 = аР + ЬР\

где а и b — константы материала, приблизительное значение кото­

рых следующее: для

железа а = 6 - 10~7, b = 2-10-12; для алюми­

ния а = 13,3-10-7,

b = 3,5 Л 0~12; для стекла а = 28 ЛО-7, b =

- 7 Л 0 -12.

Нелинейная зависимость относительного изменения объема от давления подтвердилась исследованиями динамическими методами [195], позволившими расширить область исследованных давлений до 5Л0® дан!см2.

В работе [2431 сделана попытка теоретически определить сжи­ маемость материала. Получено простое соотношение, позволяющее вычислять сжимаемость металлов и сплавов при данном давлении в зависимости от их температуры плавления.

Большое количество работ посвящено проверке гипотезы о

су­

ществовании обобщенной кривой течения, не зависящей

от

вида

напряженного

состояния.

 

 

 

Понятие о единой кривой течения было введено впервые

Людви-

ком [372], который считал,

что такой кривой является диаграмма

максимальное

касательное

напряжение — максимальный

сдвиг.

Впоследствии сначала формально по соображениям удобства, а затем на основании опытов эта кривая вытеснялась диаграммой интенсивность напряжений — интенсивность деформаций. Для вы­ яснения вопроса о том, какой из этих кривых следует отдавать пред­ почтение, ставились специальные опыты.

Е. Дэвис [80] провел серию опытов на трубчатых образцах из отожженной меди и стали. Пропорциональное нагружение образ­ цов проводилось осевой силой и внутренним давлением. По резуль­ татам ОПЫТОВ строились кривые Ттах — Ушах И ТоКТ — Уокт, ЭНЭЛИЗ которых показывает, что они могут быть приняты с одинаковыми приближениями.

К аналогичным выводам пришли Осгуд и Вашингтон [392], испытавшие трубчатые образцы из алюминиевого сплава 24S — Т. Испытания проводились при следующих соотношениях главных напряжений: 0; 0,5; 1; 2; оо. Результаты были представлены в виде графиков Тщах — Утах и т0КТ — уок*. Отклонение от обеих кривых со­

ставляло ± 5%. Авторы объясняют это неоднородностью и ани­ зотропией материала.

Этот же сплав был испытан Мариным [375] на трубчатых об­ разцах при простом нагружении осевой силой и крутящим момен­ том. Наибольшее отклонение от кривых о,- — etсоставило ± 6 % , причем кривые, соответствующие одновременному нагружению осе­ вой силой и крутящим моментом, располагались между кривой одноосного растяжения (верхние кривые) и кривой чистого круче­ ния (нижние кривые). Отклонение от кривых or,—е,- примерно ±7% обнаружено при испытании трубчатых образцов из магниевого сплава осевой силой и внутренним давлением [344].

По мнению С. И. Ратнер [236, 237], единая кривая деформиро­ вания является физическим законом только для чистых металлов с кубической решеткой, отожженных алюминиевых сплавов, а так­ же отожженных и высокоотпущенных сталей. Этот закон не при­ меним к металлам с гексагональной кристаллической решеткой и

кметаллам, обладающим метастабильностыо.

С.И. Ратнер указывала [236], что разным напряженным состо­ яниям присущи разные кривые течения, причем влияние напряжен­ ного состояния тем существеннее, чем резче выражены неравномер­ ность и гетерогенность структуры, роль которых особенно прояв­ ляется при изменении шарового тензора. При разных напряжен­ ных состояниях создаются разные возможности для структурных превращений: чем больше пересыщен твердый раствор, тем больше зависит поведение материала в области пластических деформаций от характера напряженного состояния.

Подтверждение концепции С. И. Ратнер можно найти в опытах

Т.Н. Мартыновой [173], исследовавшей обобщенные кривые на метастабильных сплавах Д16Т, МА5 МАЗ и стали У 10 при растя­ жении, сжатии и кручении. Было обнаружено значительное рас­ хождение кривых, которое автор объясняет метастабильностыо сплавов.

Другую точку зрения высказал А. М. Жуков [92, 93]. Заметное

расхождение обобщенных кривых для сплавов Д16Т и МА2 он объяс­ нил анизотропией, а не метастабильностыо структуры или типом кристаллической решетки. Такой же концепции придерживается большинство зарубежных ученых [376, 377, 392].

Результаты испытания изотропных в исходном состоянии латуни Л-62 и сталей 40 и 30ХН2МФА при двухосном растяжении при­ ведены в работе [3]. В упругой области обобщенные кридые, по­ строенные в координатах а,-, в,-, совпали с кривой одноосного растя­ жения. Удовлетворительное совпадение кривых получено и в пла­ стической области.

Аналогичные результаты получены в опытах при двухосном растяжении хромоникелевой стали [87], сталей ЭИ415 [90] и ЗОХНЗА [91]. Максимальное расхождение кривых в пластической области не превышало 5%. Такое же расхождение наблюдается и

при сложном нагружении, если в процессе нагружения не происхо­ дит поворота главных осей. Это подтверждается также опытами авторов работ 13, 142].

Большая группа исследований посвящена экспериментальному изучению влияния отдельных параметров напряженного состояния

 

1и - -

на вид обобщенной кривой.

 

10'*

Опыты Бриджмена по

растяжению и

/

сжатию чистых металлов,

углеродистых и

 

/

!специальных сталей при высоких гидроста­

 

 

 

/

 

тических давлениях показали, что сопро­

 

 

 

/

; м

тивление деформированию

при

больших

 

 

Т "

/

пластических

деформациях

возрастает с

 

 

с/

 

/

увеличением

гидростатического

сжатия.

 

 

/

Увеличение гидростатического давления на

_______JL

,, 'Со

 

 

т

 

 

10 000

дан/см2 приводит к

возрастанию

 

 

/

 

 

 

/

 

Си

предела

прочности на 6—7% и заметному

 

 

 

 

/

/

>Аи

расхождению

обобщенных кривых дефор­

 

 

U

 

 

/

/ >

> А1

мирования.

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 66 приведены результаты обра­

h '

У

^ <

 

 

 

'I n

ботки опытов

Бриджмена [26] по испыта­

 

 

 

 

5/7

нию некоторых металлов на сдвиг при вы­

Ш

^ =

1 г

: т

~

соком гидростатическом давлении

(крести­

 

 

 

 

 

ками показаны предельные значения мак­

Рис. 66. Зависимость пре­

симального касательного напряжения при

дельных напряжений при

испытаниях на разрыв при атмосферном

сдвиге различных метал­

давлении). Несмотря на приближенный ха­

лов от гидростатического

рактер этих данных (в процессе опыта гид­

давления.

 

 

ростатическое давление не поддерживалось

 

 

 

 

 

строго постоянным, а методика проведения испытаний и подсчета напряжений не позволяла исключить влияние касательных сил трения уплотнения), из рисунка однозначно сле­ дует, что при наложении гидростатического давления сопротивле­ ние сдвигу заметно повышается, причем для более прочных метал­ лов влияние гидростатического давления более существенно.

Значительное увеличение пластичности и максимальных напря­ жений при гидростатическом давлении по сравнению с их значе­ ниями при простом сжатии наблюдалось при испытании меди, алю­ миния и цинка в условиях всестороннего сжатия [353].

Закономерности деформирования при растяжении меди, маг­ ния, бериллиевой бронзы и некоторых сплавов на основе алюми­ ния и магния под гидростатическим давлением исследовали С. И. Ратнер и М. Н. Хохоева [236]. Было обнаружено, что с изменением давления изменяются кривые деформирования. Верхнее располо­ жение кривых соответствует большим значениям среднего нормаль­ ного напряжения. Опыты С. И. Ратнер противоречат результатам опытов Кросленда [343], исследовавшего влияние шарового тен­ зора на сопротивление сдвигу на сплошных образцах из стали,

отожженной и нагартованной меди, кремне- и цинкоалюминиевых сплавов и цинка при давлении 1580 и 3160 am. Кривые ттазс — утах, построенные для исследованных сплавов, оказались независящими от бокового давления. Для цинка и его сплава эти кривые пол­ ностью совпали, а для остальных металлов увеличение давления приводило лишь к увеличению длины кривой.

И. А. Чаплинский [308, 328] исследовал влияние на обобщен­

ные кривые параметра k = — . Исследования сталей 25, 45, ЗОХГСА, at

б/

80

W

 

 

 

 

0

2

4 Ef-tO*

 

 

Рис. 67.

Влияние

параметра k

Рис. 68.

Результаты испытаний

на обобщенные кривые:

грунтов

на трехосное сжатие

/-£ « 0 ,3 3 3 ; 2 — £=1,5.

 

[42]:

 

 

 

1 — (Уов 1500 KHfM*; 2 — <Т0“ 2000 кн/м2]

 

 

 

 

3 — а0«4000 кн/м2.

железа и алюминиевой бронзы при растяжении, сжатии, двухосном и трехосном сжатии с разным соотношением главных напряжений показали, что при изменении параметра k от 0,333 до — 1,667 рас­ хождения обобщенных кривых могут доходить по напряжениям до 10%, при этом расхождения кривых а,- — е( меньше, чем расхожде­ ния кривых (o?i — or3) ~ ( 8i — 83). На основании анализа полученных результатов авторы работы [328] предлагают искать обобщенные кривые в виде 07 -f A<J0 = f(e,).

Аналогичные результаты были получены И. Н. Виноградовым и Ю. И. Ягном [34] при испытаниях на двух- и трехосное сжатие технически чистого железа, бериллиевой и алюминиежелезистой бронзы (рис. 67). Кривые, показанные на рис. 67, являются крайними из совокупности кривых для промежуточных значе-

.. (То

иии — <Т/

На неприемлемость применения обобщенной кривой ог4- — е,- для материалов, по-разному сопротивляющихся растяжению и сжатию, обращали внимание А. И. Боткин [22] и другие исследователи [41, 162, 273], установившие на основании испытаний грунтов на трехосное сжатие, что кривая — в, зависит от среднего нормаль-

ного давления. На рис. 68 показаны результаты этих исследова­ ний. Различные формы учета влияния гидростатического давления на обобщенные кривые для грунтов предлагались в работах 141, 42, 162, 273].

Первые опытные данные о влиянии вида девиатора напряжений на обобщенную кривую можно найти в работе Дэвиса 180]. Опыты

Дэвиса проводились

при следующих

значениях параметра Лоде:

— 1; — 0,5; — 0,25;

+ 0 ,2 5 ; + 0 ,5 ;

+ 1. В расположении обоб­

щенных кривых, построенных по результатам Дэвиса, можно обна­ ружить следующую закономерность: нижняя кривая соответствует нулевому значению параметра Лоде; увеличению абсолютного зна­ чения параметра Лоде соответствует более высокое расположение обобщенных кривых; веер кривых ограничивают обобщенные кри­

вые ДЛЯ [Лет = ± 1.

Систематическим изучением влияния вида девиатора напряже­ ний на сопротивление пластическому деформированию занимался Ю. И. Ягн с сотрудниками. Испытания образцов в виде кубиков [329] производилось на специальном механическом реверсе (одно­ осное растяжение, одноосное, двухосное и трехосное сжатие). Ис­ пытания, проведенные при постоянном значении отношения среднего нормального напряжения к интенсивности напряжения, показали, что кривые о,- — в/, полученные при различных значениях р0, не

совпадали.

Эти кривые располагались по-разному. При испыта­

нии бронз

на

двухосное и

трехосное

сжатие

нижняя

кривая

соответствовала

параметру

р0 = — 0,5.

Этот

результат,

одна­

ко, авторы

работы [179] связывают как с нестабильностью

струк­

туры бронз, так и со спецификой испытаний на сжатие. При испы­ тании трубчатых образцов из технически чистого никеля 1179], под­ вергнутых действию растягивающей силы, крутящего момента и внутреннего давления в различных сочетаниях, были качественно подтверждены результаты опытов Дэвиса [80] — увеличение абсо­

лютного значения параметра

соответствовало более

высокому

расположению кривых.

Изменение

сопротивления пластическо­

му

деформированию с

изменением \х а можно найти также

в

опытах Марина [375],

Осгуда

и

Вашингтона [392],

Френкеля

1348].

 

 

 

 

 

А. М. Жуков [92] при обсуждении полученных им результатов

испытаний магниевого сплава высказал предположение, что откло­ нение экспериментальных точек от прямой = ре, соответствую­ щей условию подобия девиаторов, связано с начальной анизотро­ пией материала. Д ля исключения влияния анизотропии авторы работы [179] на каждый вид напряженного состояния испытывали по несколько образцов при различных направлениях главных на­ пряжений. Это, по их мнению, дало возможность усреднением ре­ зультатов испытаний практически исключить влияние на кривые деформирования анизотропии материала и неоднородности образ­ цов. Осредненные кривые представлены на рис. 69.

Следует отметить, что использование отношения ~ в качестве

характеристики напряженного состояния может привести к абсурд­ ным выводам.

Как видно из рис. 70, одному и тому же значению параметра — соответствуют напряженные состояния, характеризуемые точками

«V

30

20

10

Рис. 69. Влияние параметра Лоде на

Рис. 70. Геометрия пространства

обобщенные кривые деформирования

напряжений.

технически чистого никеля.

 

пространств напряжении, лежащими на поверхности конуса с углоч при вершине:

2V = 2arcctg7 !

( .

 

Если испытания проводятся при неизменном значении

пара-

 

Ро

то на­

метра Лоде pff, т. е. при постоянном угле а — arcctg

гружение происходит по лучу On. При

изменении параметра —

 

 

at

изменяется угол у наклона этого луча к биссектрисе пространства напряжений. Поэтому, проводя испытания при pff = const, можно

, ? М

по характеру зависимости af = f \ — I судить о влиянии шарового

тензора. Совершенно другая картина получается при исследовании

°о влияния параметра рс при постоянном значении отношения —

Используя эту методику, невозможно, например, получить пре­ дельную кривую на девиаторной плоскости, если предельная по­ верхность для исследуемого материала не является цилиндриче­ ской. Поэтому приводимые в работах [34, 179, 307, 329 и др.] пре­ дельные кривые на девиаторной плоскости объективно отражают результаты опытов лишь в том случае, если на сопротивление ис­ следуемых материалов не влияет шаровой тензор.

Рассмотрев экспериментальные работы по проверке основных гипотез пластичности, можно отметить, что эти гипотезы справедли­ вы лишь в первом приближении.

Опыты не подтверждают гипотезу о неизменности объема при пластическом деформировании. В зоне перехода от упругих дефор­ маций к большим пластическим коэффициент поперечной деформа­ ции растет, асимптотически приближаясь к своему предельному значению ц =0,5. В соответствии с изменением коэффициента попе­ речной деформации изменяется величина соотношения работ, иду­ щих на объемную деформацию и на формоизменение. Поэтому в об­ ласти малых упруго-пластических деформаций коэффициент р вы­ ступает как показатель деформационной способности материала при заданном виде напряженного состояния.

Изменение коэффициента поперечной деформации при пе­ реходе от упругого деформирования в пластическую зону не всегда происходит по тому закону, который предполагает теория. Различные формы учета влияния коэффициента поперечной деформации в об­

ласти

малых упруго-пластических деформаций рассматривались

Н. И.

Черняком [310].

Опыты Бриджмена и других исследователей не подтверждают линейную связь между относительным изменением объема и шаро­ вым тензором. Однако при тех значениях гидростатических давле­ ний, которые встречаются втехнических расчетах (до 10 000 дан/см?), пренебрежение квадратичным членом в формуле Бриджмена вносит ошибку, не превышающую 2,5—3%. При давлении 1000 дан1смй эта ошибка практически не ощутима; для железа она составляет 0,33, а для стекла — 0,024%.

Большой интерес представляют исследования инвариантных к напряженному состоянию функций, описывающих закон упрочне­ ния. Здесь нет единого мнения даже о принципиальной возможности существования обобщенной, кривой как физического закона.

Предлагаемые феноменологические кривые в виде ттах — утах или а( — 8/ нельзя, конечно, рассматривать как универсальные, верные для всех материалов. Опыты показывают, что наилучшее соответствие дают изотропные материалы со стабильной структу­ рой. Значительные расхождения с результатами отдельных испыта­ ний указывают на несовершенство выбранных инвариантов и лишь подчеркивают необходимость учета специфики поведения этих ма­ териалов под нагрузкой путем введения новых констант, а также других характеристик напряженного и деформированного состоя­ ний. Г. А. Дощинский [74], например, считает, что обобщенную кри­ вую следует искать в виде

где рл — текущее значение коэффициента поперечной деформации. Наибольшее сомнение вызывает гипотеза о пропорциональности

девиаторов. В настоящее время накопилось достаточно материала, подтверждающего влияние вида девиатора на закон упрочнения пластичных материалов. Эта гипотеза может быть принята в ка­ честве первого приближения. Учет того факта, что [ха Ф ре, т. е. учет анизотропии и нелинейности, связан с необходимостью до­ полнительного определения большого числа характеристик мате­ риала. Это усложняет теорию и тем самым умаляет ее практическое значение.

§ 3. Экспериментальная проверка теоретических соотношений между напряжениями и деформациями. Влияние истории нагружения

Первые попытки найти связь между напряжениями и деформациями в пластической области были сделаны еще в 1870 г. Сен-Венаном для плоской деформации. В 1871 г. уравнения Сен-Венана обобщены Леви на случай пространственного течения. Такие же соотношения получены Мизесом при использовании формально введенного им условия текучести. Уравнения Леви — Мизеса рассмотрены Рейсом применительно к упрочняющимся материалам. В таком виде теория пластического течения, связывающая напряжения и деформации в дифференциальной форме, фактически сохранилась до настоя­ щего времени.

Основы деформационной теории, устанавливающей связь на­ пряжений с деформациями в конечном виде, заложены Генки и Надаи и нашли развитие в работах советских ученых [106, 268 и др.1.

Обе теории наряду с гипотезами, рассмотренными в § 1 настоя­ щей главы, предполагают изотропность и однородность материала в исходном состоянии, сохранение упругих свойств в пластической области и отсутствие влияния временных факторов. В 1945 г. А. А. Ильюшин [105] дал математическое определение простого и сложного нагружения и для случая простого нагружения теорети­ чески доказал тождественность теории малых упруго-пластических деформаций и теорий течения.

Достаточно полный обзор экспериментальных работ по проверке теорий пластичности в условиях простого нагружения дан в ра­ ботах [106, 183, 268]. На основании этих исследований можно счи­ тать установленным, что для изотропных в исходном состоянии материалов, обладающих стабильной структурой, теории пластич­ ности удовлетворительно описывают процесс простого (и близкого к простому) нагружения.

Теория малых упруго-пластических деформаций в отличие от теории течения не предполагает влияния истории нагружения тела на его деформированное состояние. Поэтому в случае сложного нагружение деформационная теория и теория течения дают каче­ ственно различные результаты. Это обстоятельство наглядно иллю­

стрируется опытом с растяжением и кручением тонкостенной трубы (см. § 1 настоящей главы). Надо полагать, что влияние истории нагружения тем значительнее, чем больше отклоняется траектория деформации от простого нагружения.

Экспериментальные исследования закономерностей, пластиче­ ского деформирования при сложном нагружении проводятся в на­ стоящее время путем накопления экспериментальных данных для

Рис. 71. Кривые деформирования стали ЗОХНЗА в условиях сложного нагружения [91].

оценки погрешностей существующих теорий пластичности и их уточнений, а также для непосредственной проверки основных по­ стулатов общей теории упруго-пластических деформаций.

Опыты на сложное нагружение с сохранением ориентации осей тензора напряжений проведены А. М. Жуковым [90, 91]. Нагруже­ ние тонкостенных трубчатых образцов из стали ЗОХНЗА произво­ дилось внутренним давлением и осевой силой таким образом: сна­ чала путь нагружения (в истинных напряжениях) был пропорцио­ нальным, а затем изменялся при постоянном или незначительно возрастающем значении интенсивности напряжений. Результаты опыта с образцом № 12 в координатах аг, ег и а е, ее представлены на рис. 71, где, кроме того, показан путь нагружения образца; пропорциональное нагружение (участок ОА) производилось до на­ ступления пластических деформаций.

Полученные экспериментальные данные были обработаны по теории деформаций сначала путем задания деформированного со­ стояния (штриховые линии), а потом — путем задания напряженного состояния (штрих-пунктирные линии). Как видно из рисунка, тео­ ретические кривые сравнительно хорошо качественно и количест­ венно соответствовали опыту. На основании этих опытов А. М. Ж у­ ков приходит к выводу о пригодности в первом приближении деформационной теории и для случая сложного нагружения, если при неизменной ориентации осей тензора напряжений интенсив­ ность ot напряжений продолжает возрастать.

Об удовлетворительном соответствии теории течения опыту, если сложное нагружение производится при неизменной ориента­

ции главных осей, свидетельствуют опыты Марина и Ху [380j по испытанию внутренним давлением и осевой силой трубчатых образ­ цов из малоуглеродистой стали.

Существенное количественное расхождение опытных данных с результатами теоретических расчетов по теории малых упруго­ пластических деформаций и теории течения наблюдается в тех слу­ чаях, когда сложное нагружение сопровождается резким поворо­ том главных осей. Некоторые авторы придерживаются мнения, что существующие теории пластичности в этом случае дают результаты, в одинаковой мере не согласующиеся с опытом. В то же время в ряде работ получены данные, показывающие, что теория течения лучше отражает влияние истории нагружения.

В. А. Свешниковой [253] проведены испытания трубчатых об­ разцов из меди, латуни и дюралюминия по двум программам. В соответствии с первой программой образец растягивался до на­ пряжений, превышающих предел пропорциональности, после чего закручивался при сохранении постоянного значения осевого на­ пряжения. В соответствии со второй программой предварительно закрученный образец подвергался растяжению при постоянном зна­ чении напряжений кручения.

Проведенные эксперименты показали, что модули нагрузки G' (первая программа) и Е' (вторая программа) оказались не равными соответствующим модулям упругости материала. При этом вме­ сте с ростом деформаций догрузки наблюдался дополнительный рост основной деформации. Увеличение наклона линейных участ­ ков с возрастанием начальной пластической деформации наблюда­ лось также А. М. Жуковым [95].

На рис. 72 представлены кривые догрузки кручением для латуни при разных значениях осевого напряжения. Кривые имеют началь­ ный линейный участок. Наклон этих участков показывает, что во всех случаях модуль сдвига при догрузке оказался меньше началь­ ного модуля, равного для латуни 0,35-104 дан/см2.

Известно [88], что, согласно теории течения, в рассматриваемом случае сложного нагружения пластический модуль должен быть равен упругому. В соответствии с деформационными теориями

а в соответствии с теорией скольжения

где Et — касательный модуль кривой растяжения в точке, соответ­ ствующей началу догрузки.

На графиках рис. 72 нанесены начальные участки закручива­ ния по различным теориям пластичности. Штриховым линиям соот­ ветствуют теории малых упруго-пластических деформаций; штрихпунктирным — теории течения, а кривым, отмеченным крестиком,— теории скольжения [332]. Как видно из рисунка, ни одна из ука­ занных теорий не может описать экспериментальные результаты, если догрузка сопровождается поворотом главных осей тензора напряжений. К аналогичным результатам приводят опыты авторов работ [86, 88, 376, 389 и др.].

Однако в литературе описаны опыты, показывающие, что при нагружениях, сопровождающихся поворотом главных осей, в луч-

Рис. 72. Кривые кручения ла­

туни при разных

значениях

осевого напряжения

[254]:

а—<х«8.7 дан/млг2: б-—

9,4 дан!мм2;

в—а=9,8 дан1мм2\ г—а«=10,6 дан/мм*; ^—cr=* 1! дан)мм3; е—а=»13,2 дан/мм\

I— по деформационной теории; 2— по теории течения; 3— по теории скольжения; 4— экспериментальная кривая.

шем соответствии с опытом находится теория течения. Рассмотрим для примера результаты И. 3. Паллея [2101 по испытанию трубча­ тых образцов из аустенитной стали 1Х18Н9Т при растяжении с кручением. В процессе эксперимента линейные деформации ег и е9 измерялись индикаторами, закрепленными в специальном приспо­ соблении, а угловые угв — зеркальным прибором Мартенса. По сведениям автора, точность измерения ■деформаций составляла 10~4%. На основании анализа результатов испытаний, представ­ ленных в виде кривых т — у и т — е при а = const и а = е и а — у при г = const, автор делает вывод о предпочтительном использова­ нии для описания деформационных свойств испытанной стали при развитых пластических деформациях теории течения, которая дает результаты, достаточно близкие к экспериментальным. Разница между данными опыта и предсказаниями теории малых упруго­ пластических деформаций возрастает с увеличением степени пред­ варительного деформирования.

О степени отклонений данных опыта от результатов теоретиче­ ских расчетов можно судить по данным рис. 73, где представлено сравнение пути деформации образца 2 (рис. 73, а) и образца 4 (рис. 73, б) с путями деформации, предсказанными теорией тече­ ния (штрих-пунктирные линии) и теорией малых упруго-пласти­ ческих деформаций (штриховые линии). Программы испытания об­ разцов показаны на рис. 74.

Путь пластической деформации, предсказанный теорией тече­ ния, близок к экспериментальному. Приращение пластических

деформаций по теории малых упруго-пластических деформаций значительно больше экспериментальных, однако наибольшее расхо­ ждение с опытом произошло, как видно из графиков рис. 73, в мо­ мент разгрузок, когда в соответствии с деформационной теорией пластический сдвиг должен полностью исчезнуть.

При рассмотрении результатов, приведенных на рис. 73, не­ обходимо, однако, учитывать следующие обстоятельства. Область

жения [210]. / — образец 2; 2 — образец 4.

применимости теории малых упруго-пластических деформаций дав­ но установлена [1061. Это — простые и близкие к простым нагруже­ ния. Поэтому полученные значительные отклонения нельзя счи­ тать неожиданными. Расхождения теории с опытом при рассмо­ тренных нагружениях указывают лишь на необходимость выдвиже­ ния новых экспериментально обоснованных исходных гипотез.

Теория течения, наиболее полно отражающая, по мнению мно­ гих авторов, влияние истории нагружения, также не лишена су­ щественных недостатков. Эта теория, например, не предсказы­ вает экспериментально известного факта изменения упругих свойств материала при пластической деформации [94, 95, 253]. По-преж­ нему остается неяс ым вопрос о характере изменения формы пре­ дельной поверхности в процессе деформирования.

Экспериментальной проверкой основных постулатов общей те­ ории упруго-пластических деформаций посвящены работы [82, 83, 154—156, 178 и др.]. Здесь также нет единого мнения.

В. С. Ленски 1 на основании испытаний трубчатых образцов из меди, стали 45, стали 38ХА и алюминиевого сплава Д16 в усло­

Соседние файлы в папке книги