книги / Экспериментальные исследования закритического деформирования и разрушения конструкционных материалов
..pdf
дел текучести σ0,2 , предел прочности σВ , остаточное удлинение
после разрыва δ, относительное сужение после разрыва ψ), несущие информацию о прочностных и деформационных свойствах, а также рассчитывался коэффициент реализации закритической стадии деформирования k p . На рис. 2.3 и 2.4 приведены
характерные диаграммы деформирования образцов сталей ЭП517Ш и 40Х в координатах «напряжение – удлинение по встроенному датчику», полученные при температурах 22 °С (а) и 600 °С (б) соответственно.
а |
б |
Рис. 2.3. Диаграммы деформирования стали ЭП517Ш при комнатной температуре (а) и при 600 °С (б)
а |
б |
Рис. 2.4. Диаграммы деформирования стали 40Х при комнатной температуре (а) и при 600 °С (б)
21
Для оценки влияния высоких температур на упругопластическое и закритическое деформирование рассматриваемых конструкционных сталей проводился анализ температурных зависимостей основных механических характеристик, полученных по результатам испытаний. На рис. 2.5 и 2.6 представлены зависимости основных прочностных и деформационных характеристик от температуры испытания для стали ЭП517Ш. На рис. 2.5, а представлено изменение модуля Юнга от температуры. Рис. 2.5, б иллюстрирует изменение предела пропорциональности σпц (■), ус-
ловного предела текучести σ0,2 (▲) и предела прочности σВ (♦)
от температуры испытаний. Рис. 2.6, а отражает изменение остаточного удлинения после разрыва δ и относительного сужения ψ от температуры испытания, а рис. 2.6, б – изменение коэффициента реализации закритической стадии деформирования kр от температуры испытаний.
а б
Рис. 2.5. Экспериментальные данные для стали ЭП517Ш: а – изменение модуля Юнга от температуры; б – изменение предела пропорциональности σпц (■); условного предела
текучести σ0,2 (▲) и предела прочности σВ (♦) от температуры
На рис. 2.7 и 2.8 представлены аналогичные зависимости основных прочностных и деформационных характеристик от температуры испытания для стали 40Х. На рис. 2.7, а представлено изменение модуля Юнга от температуры. Рис. 2.7, б иллюстриру-
22
ет изменение предела пропорциональности σпц (■), условного предела текучести σ0,2 (▲) и предела прочности σВ (♦) от температуры испытаний.
а |
б |
Рис. 2.6. Экспериментальные данные для стали ЭП517Ш: а – изменение остаточного удлинения после разрыва δ (♦) и относительного сужения ψ (■) от температуры; б – изменение коэффициента реализации закритической стадии деформирования kр от температуры
а б
Рис. 2.7. Изменение модуля Юнга (а) и изменение предела пропорциональности σпц (■), условного предела текучести σ0,2 (▲) и предела прочности σВ (♦) от температуры (б) для стали 40Х
Рис. 2.8, а отражает изменение остаточного удлинения после разрыва δ и относительного сужения ψ от температуры испытания, а рис. 2.8, б – изменение коэффициента реализации закритической стадии деформирования k p от температуры испытаний.
23
а |
б |
Рис. 2.8. Изменение остаточного удлинения после разрыва δ (♦), относительного сужения ψ (■) (а) и изменение коэффициента реализации закритической стадии деформирования k p
от температуры (б) для стали 40Х
На рис. 2.9 и 2.10 представлены образцы стали 40Х и ЭП517Ш, испытанные на одноосное растяжение при повышенных температурах. На рис. 2.11 приведены фотографии поверхностей излома образцов стали 40Х, разрушенных при растяжении при различных температурах; на рис. 2.12 – фотографии поверхностей излома образцов стали ЭП517Ш после растяжения при различных температурах.
Рис. 2.9. Образцы стали 40Х после испытаний при различных температурах
24
Рис. 2.10. Образцы стали ЭП517Ш после испытаний при различных температурах
В результате анализа полученных опытных данных для стали 40Х отмечено, что повышение температуры приводит к большей степени деформации материала, в том числе непосредственно в шейке, к моменту разрушения, которая оценивались по остаточному удлинению и относительному поперечному сужению после разрыва. Однако при температуре 500 °С (см. рис. 2.11, г) наблюдается уменьшение областей пластического среза, а при температуре 600 °С (см. рис. 2.11, д) они практически отсутствуют и всю поверхность излома занимает зона нормального отрыва.
При оценке полученных данных для стали ЭП517Ш отмечено, что повышение температуры способствует увеличению степени деформации материала к моменту разрушения, которая также оценивалась по величинам остаточного удлинения и относительного поперечного сужения после разрыва. Повышение температуры в рассмотренном диапазоне способствовало уменьшению зоны нормального отрыва в центральной части поверхностей излома образцов, реализованного по типу «чашка-конус» (см. рис. 2.11), и увеличению областей пластического среза, что проявляется на диаграммах деформирования в более протяженной реализации закритической стадии деформирования и снижении нагрузки, прикладываемой к образцу, до нулевого значения к моменту разрушения.
25
а |
б |
в |
г |
д |
Рис. 2.11. Поверхности излома разрушенных образцов стали 40Х
при температуре 22 °С (а); 300 °С (б); 400 °С (в); 500 °С (г) и 600 °С (д)
Полученные опытные данные демонстрируют, что увеличение температуры приводит к известному снижению таких характеристик, как модуль Юнга Е, условный предел текучести σ0,2 ,
предел прочности σВ , которые связаны с деформированием на
упругопластической стадии деформирования. В то же время наблюдается увеличение значений остаточного удлинения после разрыва δ, относительного сужения после разрыва ψ и коэффициента реализации закритической стадии деформирования , которые характеризуют склонность материала к пластическому поведению и реализации деформационных ресурсов. Полученные зависимости являются немонотонными в рассмотренном диапазоне температур. Таким образом, на основе анализа полученных опытных данных можно сделать вывод, что для рассмотренных конструкционных сталей повышение температуры в рассмотренном диапазоне будет приводить к снижению несущей способности конструкций, но способствовать увеличению деформационных ресурсов, что, в свою очередь, может положи-
26
тельно сказаться на безопасности и катастрофичности разрушения изделий в аварийных ситуациях.
а |
б |
в |
г |
д |
Рис. 2.12. Поверхности излома разрушенных образцов стали ЭП517Ш
при температуре 22 °С (а); 200 °С (б); 400 °С (в); 500 °С (г) и 600 °С (д)
Экспериментальное исследование влияния скорости деформирования на характеристики закритической стадии стали 40Х и сплава ЭП517 проведено на описанной выше сервогидравлической испытательной системе Instron 8850. Использовались сплошные цилиндрические образцы с диаметром рабочей части 6 мм и длиной 8 мм. Малое отношение длины рабочей части к диаметру обусловлено необходимостью реализации высокой жесткости нагружающей системы по отношению к области деформирования. Деформации измерялись осевым динамическим экстензометром Instron 2620-601. Реализованный диапазон скоростей удлинений составил от 8·10–4 до 8·101 мм/с, что соответствует скоростям деформирования от 10–4 с–1 до 1 с-1. При каждой из пяти выбранных скоростей деформирования (1 с–1; 10–1 с–1; 10–2 с–1; 10–3 с–1 и 10–4 с–1) испытания проводились не менее чем на трех образцах, диаграммы деформирования которых приведены на рис. 2.13.
27
а |
б |
в |
г |
д
Рис. 2.13. Диаграммы деформирования стали 40Х для различных скоростей деформирования (серый цвет – отдельные образцы,
черный цвет – кривая после осреднения): 1 с–1 (а); 10–1 с–1 (б); 10–2 с–1 (в); 10–3 с–1 (г); 10–4 с–1 (д)
28
Полученные диаграммы деформирования проходили процедуру осреднения для их дальнейшего сопоставления. На рис. 2.14 приведены осредненные графики зависимости напряжений от деформаций для разных значений скорости жесткого нагружения, реализованных в испытаниях образцов конструкционной стали 40Х.
Рис. 2.14. Осредненные диаграммы деформирования стали 40Х, полученные при различных скоростях деформирования: 1 с–1 (сплошная линия); 10–1 с–1 (штриховая линия – длинный штрих); 10–2 с–1 (штрихпунктирная линия); 10–3 с–1 (штриховая линия – короткий
штрих) и 10–4 с–1 (пунктирная линия)
Так как в испытаниях реализован жесткий режим нагружения (контроль перемещений), при всех скоростях деформирования зарегистрированы участки развитого закритического поведения. Полученные графики характеризуются долей деформирования на закритической стадии, достигающей 78 % от полной деформации до разрушения, что, очевидно, необходимо учитывать при оценке деформационных резервов материалов в конструкциях. Анализ полученных экспериментальных данных для
29
стали 40Х показывает, что скорость нагружения помимо известного влияния на пределы пропорциональности, текучести и прочности (увеличение характеристик при повышении скорости нагружения) приводит к изменению наклона ниспадающего участка диаграммы деформирования и, следовательно, к увеличению модуля разупрочнения. Протяженность закритической стадии практически не зависит от скорости деформирования в рассмотренном диапазоне.
2.2. Закритическое поведение сталей при пропорциональном растяжении с кручением
при нормальной и повышенных температурах
Экспериментальное изучение закономерностей пластического и закритического деформирования и разрушения металлов в условиях плоского напряженного состояния проводилось на тонкостенных трубчатых образцах, эскиз которых приведен на рис. 2.15, в условиях пропорционального растяжения с кручением при комнатной и повышенных температурах с использованием двухосевой сервогидравлической испытательной системы Instron 8850. Геометрия образца обеспечивает возможность использования высокотемпературного двухосевого экстензометра Epsilon 3550HT-025M при работе с высокотемпературной двузонной печью Instron (максимальная температура 1600 °С).
В испытаниях на совместное растяжение с кручением соотношение осевой деформации и угла сдвига задавалось по встроенным датчикам испытательной системы, скорости деформирования также контролировались по встроенным датчикам, поскольку рабочие диапазоны двухосевого экстензометра не позволяют использовать его на протяжении всего процесса испытания вплоть до разрушения образца. Данные экстензометра использовались для построения начальных участков диаграмм деформирования и корректировки диаграмм, построенных по
30