Закономерности деформационного упрочнения некоторых металлических материалов при сложном напряженном состоянии тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Стр.

Введение

Глава I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Основные направления в теории пластичности

1.2. Гипотезы трансформации поверхности нагружения

1.3. Обзор экспериментальных исследований

1.4. Методика эксперимента

1.5. Методика определения предела текучести

1.6. Задачи исследования.

Глава П. ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ

ТЕКУЧЕСТИ В УСЛОВИЯХ ПРОСТОГО НАГРУЖЕНИЯ

2.1. Определение формы.начальной поверхности текучести.

2.2. Исследование эффекта Баушнгера на.трубчатых образцах.

2.3. Трансформация поверхности текучести при простом нагружении.

2.4. Исследование пространственной формы поверхности текучести.

2.5. Анализ экспериментальных результатов и аналитик ческой-аппроксимации плоских сечений поверхности текучести.

2.6. Форма поверхности простого нагружения в координатах главных напряжений - (р 2 • * •

2.7. Поверхность нагружения в координатах б -Т

Стр. /

Глава Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ТЕКУЧЕСТИ

ПРИ СЛОЖНОМ НАГРУЖЕНИИ.

3.1. Особенности процесса нагружения = и основные результаты опытов

3.2. Исследование- анизотропии упрочнения при нагружении по двух-трехзвенным траекториям

3.3. Локальные Трансформации поверхности текучести в точке нагружения

3.4. Общая, картина изменении поверхности текучести при сложном нагружении.

В документах ХХУТ съезда КПСС ускорение научно-технического прогресса рассматривается как одна из основ выполнения главной задачи одиннадцатой пятилетки. Современные тенденции развития машиностроения характеризуются снижением материалоемкости конструкций при обеспечении оптимальной прочности, более экономичное использование материалов нередко достигается за счет работы несущих элементов машин при напряжениях, превосходящих предел упругости. В этом случае при выполнении прочностных расчетов приходится опираться на закономерности уже не упругого, а пластического деформирования материала. С другой стороны, всё возрастающая в современном машиностроении доля технологических процессов обработки металлов давлением диктует необходимость совершенствования теоретического описания процессов пластического деформирования и разрушения конструкционных материалов; всё это делает чрезвычайно актуальными исследования, направленные на изучение процессов произвольного нагружения, которые более типичны для реальных условий обработки металлов нежели простые нагружения более или менее удовлетворительно описываемые теорией.

Для экспериментального обоснования предпосылок, гипотез, постулатов, на которых базируются эти теории пластичности, необходимы опытные данные, полученные при испытании материалов при сложном нагружении. Эти данные, кроме того, являются существенной дополнительной информацией дян расчета на прочность и для оптимального конструирования реальных деталей.

При построении моделей деформирования твердых тел с позиций механики сплошной среды широко используется концепция поверхности текучести /нагружения/, под которой подразумевается геометри-1 совокупности " . ческая интерпретация^пределов текучести для множества различных напряженных состояний в пространстве напряжений. Закономерности трансформации этой поверхности, отражающие его сопротивление по различным направлениям,изучены недостаточно. Это объясняется испытаний сложностью реализации ^го множеству возможных траекторий нагружения, каждая из которых приводит к своей форме поверхности и особенностям ее трансформации* Имеются многочисленные попытки компенсировать недостаток таких сведений введением различных гипотез упрочнения, по которым, однако, нет единого мнения исследователей.

Значительная часть экспериментальных исследований, представленных в диссертации, направлена на решение этой проблемы. Полученные в работе результаты базируются на обширных экспериментах при простых и сложных программах нагружения на различных конструкционных материалах.

Учитывая неограниченное многообразие возможных траекторий нагружения-деформирования при сложных механических воздействиях на металл в элементах конструкций и обработке давлением, целесообразно выделение наиболее типовых траекторий нагружения, которые могли бы явиться составными частями произвольных траекторий. В настоящей работе исследованы закономерности изменения формы и размеров поверхности нагружения в ходе двух альтернативных процессов пластического деформирования:

1. Процесса, характеризуемого изменением только модуля вектора напряжений при фиксированном направлении /лучевые траектории пропорциональных нагружений/ и

2. Процесса, характеризуемого изменением только направления вектора напряжений при фиксированном модуле /для несжимаемого материала - нагружение с неизменяемой интенсивностью напряжений/. Возможность представления произвольной траектории нагружения в виде совокупности элементов этих процессов позволяет судить об изменении формы поверхности нагружения при более сложных траекториях, которым в работе также уделено большое внимание.

Выполненный цикл исследований позволил получить новые научные результаты, расширяющие существующие представления в теории пластической деформации металлов. В частности, предложен экспериментально-аналитический способ определения предела текучести, установлены некоторые возможные разновидности закона упрочнения материалов. Экспериментально исследованы законы трансформации поверхности текучести в условиях пропорционального и кругового нагружения в трехмерном подпространстве АД.Ильюшина. Установлены основные тенденции трансформации поверхности нагружения для целого ряда процессов сложного нагружения к локальные свойства этой поверхности.

Основные научные положения в достаточной степени обоснованы большим объемом экспериментальных исследований с тщательным анали-результатов зом^экспериментальных данных.

Полученные в исследовании результаты имеют практическую ценность. Они позволяют более достоверно определять работоспособность конструкций из упрочняющихся материалов при работе в условиях сложного нагружения, сократить объем необходимых'предварительных испытаний конструкционных материалов и более рационально использовать их свойства и особенности в инженерной практике.

Рациональное накопление экспериментальных данных об упрочнении материалов позволяет более обоснованно производить выбор аргументов уравнения состояния, что, в свою очередь, дает возможность построить определяющие соотношения теории пластичности, более точно описывающие поведение материалов в реальных элементах конструкций и при обработке материалов давлением.

- 7

Практический интерес для научно-исследовательских учреждений, занимающихся вопросами механики деформируемых сред, могут

- [ представить предложенные автором диссертации методики экспериментально-аналитического определения пределов текучести и получения трансверсально-изотропно упрочненных образцов. Результаты исследования по методике расчета несущей способности конструкций в условиях сложно-напряженных состояний уже использовались в ряде организаций, занимающихся проектированием и созданием изделий новой техники. Экономический эффект от внедрения работы на этапе ее выполнения составил 10 тыс. руб. в год, что подтверждается соответствующими актами.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных экспериментальных исследований закономерностей деформационного упрочнения материалов различных классов при нагружении по пропорциональным и сложным траекториям в пространстве напряжений получены следующие результаты:

1. Разработана методика статических испытаний металлических материалов в условиях пропорционального и сложного нагружения. На базе испытательной машины ЗДШ-ЗО создана установка, позволяющая реализовать контролируемые программы по напряженному состоянию с регистрацией деформаций испытываемого образца.

2. Предложен экспериментально-аналитический способ определения условных пределов текучести материалов, позволяющий ¡более четко /в сравнении с известными способами/ разделять состояния с преобладающей упругой и преобладающей пластической деформациями.

3. Показано, что формирующаяся в процессе пропорционального нагружения поверхность текучести представляет собой гиперповерхность вращения относительно луча пропорционального шгружения с уравнением образующей /в пятимерном векторном пространстве A.A. Ильюшина/ в виде разности полярных координат круга и Архимедовой спирали.

4. Экспериментально установлена угловая особенность на поверхности текучести в точке, лежащей на траектории пропорционального нагружения, что предопределяет прирост пластической деформации при ортогональном догружении.

5. Показано, что в процессе пластического деформирования металла при нагружении по круговой траектории вида ßL -Const поверхность нагружения принимает форму, соответствующую транс-версально-изотропному материалу. Этот эффект может быть использован в качестве технологического приема управления анизотропией металла трубчатых элементов конструкций. —

6. Подтверждена возможность описания локальной картины в окрестности точки нагружения при произвольной догрузке, соответствующей совокупностью трансформаций поверхности";, свойственных пропорциональному и круговому нагружению.

7. Анализ закономерностей упрочнения материалов в процессе различных произвольных нагружений подтвердил справедливость постулата изотропии Ильюшина для исследованных металлов. При этом установлено также, что каждая последующая стадия деформирования сопровождается приращением площади поверхности текучести. Это обстоятельство должно учитываться при формулировании законов упрочнения материалов в теории пластичности.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Графоаналитический метод определения предела текучести пластичных материалов. - Депонированная рукопись ВИНТИ )!? 10/132, 1982.

2. Исследование трансформации поверхности текучести при сложном нагружении. - Исследования по строительным конструкциям и фундаментам. Томск, 1979, с. 11-19 /соавтор Г.А.Дощинский/.

3. О возможной форме закона упрочнения. - Тезисы докладов, совещание "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии", Киев, 1977 /соавторы Г.А.Дощинский,

М.Г.Мартыненко/.

4. Исследование трансформации поверхности текучести в нагру-жениях с неизменной интенсивностью напряжений. - Прочность, пластичность и контактное взаиомодействие твердых тел. Томск, 1976, с. 3 - 6 /соавтор А.М.Коренева/.

5. Исследование поверхности текучести при простом нагружении. - Там же, с. II - 14 /соавтор Г.А.Дощинский/.

6. Экспериментальное определение пространственной формы по

1 верхности текучести. - Исследование по механике деформируемых сред. Иркутск, 1976, с. 10-13 /соавторы Г.А.Дощинский, М.Г.Мартынен^ 'ко, Э.С.Гончарова/.

7. Экспериментальное исследование эффекта Баушингера на трубчатых образцах. - Аннотации научно-исследовательских работ. -Томск, 1975, с. 59 /соавторы Г.А.Дощинский, Н.В.Ситникова/.

Отдельные вопросы опубликованы в сборниках тезисов или аннотаций докладов научных конференций ВУЗов.

1. Аннин Б.Д.-Современные модели пластических тел. Спецкурсдля студентов мат. ф~та. Новосибирск, 1975, с. 1-95.

2. Арутюнян.P.A.Вакуленко A.A., Уманский С.Э. 0.циклическом нагружении пластической среды со старением. Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1978, J£ 2, с. 78 - 83.

3. Айви Н. Соотношение- напряжения-деформации и поверхность текучести для алюминиевых сплавов. Механика, ИЛ, 1962, Ä 3 /73/.

4. Бастуй.В.Н., Черняк Н.И. О применимости гипотез упрочнения вобласти малых пластических деформаций. Прикладная механика. - Киев, 1973, т. IX, вып. 12, с. 53 - 57.

5. Батдорф, Будянскш. Математическая теория пластичности, основанная на.концепции скольжения. Сб.: Механика, ИЛ, 1962, » I.

6. Вязун Д.Е. , Анфилофьев A.B. Тензочувствительность пластическидеформированных проволочных.петлевых датчиков. В.сб. докладов Ш научно-технической конференции ТПИ. - Томск, 1971, с. 68 - 75.

7. Виноградов-H.H., Ягн Ю.И., 0 законах пластичности. Физика металлов и металловедение, 1956, т. 3, вып. I.

8. Вязун Д.Е. , Пахотин К.К., Седаков Л.М. Точность аппроксимациикривых течения .пластических материалов. Изв. ТЛИ, Томск, 1975, т. 263, с. 70 - 76.

9. Вязун Д.Е., Михайловский Э.М. Прочность стекла при плоском напряженном состоянии. Изв. ТЛИ, Томск, 1975, т. 241, с. 20 - 23.

10. Вязун Д.Е. , Коренева А.М„, Исследование трансформации поверхности текучести.в нагружениях- с неизменной-интенсивностью напряжений. сб. ТЛИ: Прочность, пластичность и контактное взаимодействие твердых тел. Томск, 1976, с. 3 - 7.

11. Вязун Д.Е., Дощинский Г.А. Исследование поверхности текучести -при-простом.нагружении твердых тел. В сб. ТЛИ: Прочность, пластичность и контактное взаимодействие твердых тел. - Томск, 1976, с. II - 15.

12. Вязун Д.Е*, Дощинский Г.А., Ситникова Н.В. Экспериментальноеисследование .эффекта Баушингера на трубчатых образцах. -.Сб. аннотаций научно-исследовательских работ ТПИ, Томск, 1975, с. 153 154.

13. Вязун Д.Е»-,. Михайловский-Э.М.,-Седаков Л.М. Прочность стеклаа чугуна при .плоском напряженном состоянии. В сб. докладов-научно-технической конференции ТПИ, Томск, 1970, с. 25 - 31.

14. Вязун Д.Е. , Мартыненко М.Г. ,. Гончарова Э.С. , Дощинский Г.А.

15. Экспериментальное определение.пространственной формы поверхности-текучести. -тВ сб.: Исследование по механике деформируемых сред. Иркутск, 1976, с. 10 - 14.

16. Вязун Д.Е., Дощинский Г.А., Мартыненко М.Г. О возможной формезакона упрочнения. Тезисы докладов. Совещание "Прочность материалов -и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии", Киев, 1977.

17. Волков С.Д. Статистическая теория прочности, Машгиз.1. М., i960.

18. Горб М.Л., Карпинос Д.М., Островский A.A. Исследование влияния предварительной-пластической , деформации на вид кривых текучести. Проблемы прочности, Киев, 1970, № 6, 7.

19. Данилов. В.Л. Об изменениях поверхности пластичности в процесседеформирования. Изв. вузов: "Машиностроение", М., 1972, Л 4, с. 9 - 15.

20. Дель Г.Д. технологическая механика. М., "Машиностроение",1978.

21. Данилов В.Л. К формулировке закона деформационного упрочнения.-."Известия АН СССР. Механика твердого тела',' 1971, Л 6, с. 146 150.

22. Вязун.Д.е. Графоаналитический метод определения предела текучести пластичных материалов. Депонированная рукопись ВИНТИ Л 10/132, 1982.

23. Дощинский Г.А., Вязун Д.Е.,. Мар.тыненко М.Г., 0 форме, законаупрочнения. 3 сб. ¡ Исследования по механике деформируемых сред. - Иркутск, 1976, с. 5 - 10.

24. Дощинский Г.А. .0 совпадении направляющих тензоров напряженийи деформаций в теории пластичности. Тезисы докладов 1У всесоюзной конференции по прочности и пластичности. -М., Наука, 1967.

25. Дощинский.Т^А., Вариант .теории^упруго-гпластической деформации.- Аннотация- докладов Ш Всесоюзного съезда по теор. и прикладной механике. М., Изд-во АН СССР, 1968.

26. Дощинский Г.А., Коренева.A.M. Исследование прямого и возвратного нагружения с постоянной интенсивностью напряжений в пластической области. Изв. АН СССР, МТТ, 1968, № 4.

27. Дощинский Г.А.-, Вязун Д.Е., Трансформация поверхности текучести, при произвольных путях нагружения. Сб. ТИСИ, Томск, 1989.

28. Елсуфьев С#А„. О .плас.тическом деформировании при сложном нагружении. Труды ЛПИ, 1967, с. 278.

29. Жуков А.Н. .Некоторые особенности-кривой нейтралЕНого нагружения. Изв. АН СССР, ОТН механика и машиностроение, 1958, ä 8.

30. Жуков А.Н. Поведение металлов при разгрузке и повторной нагрузке. Инж. ж., 1961, т. I, вып. 4.

31. Ивлев Д.Д., .Быковцев Г.И. Теория упрочняющегося пластического тела. М., Наука, 1971.

32. Ильюшин A.A., Ленский B.C. О соотношениях и методах современной, теории-пластичности. В сб.: Успехи механики деформируемых сред. - М., Наука, 1975.

33. Ильюшин-А.Д.,-Пластичность. Основы общей математической теори.

34. М., Изд-во АН СССР, 1963, с. 271.

35. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. М., Изд-во МГУ, 1971,с. 247.

36. Ишлинский.-А.Ю. .Общая теория пластичности с линейным упрочнением. Украинский математический журнал, 1954, т. 6, № 3.

37. Исследование процесса получения заготовок растяжением в состоянии .сверхпластичности, -.Кузнечно-штамповочное производство, 1975, $ 7, с. .3 г- 4. Авт.: О.М.Смирнов, Я.М.Охри-менко, В.Е.Шкляев и др.

38. Кадашевич Ю.И. Теория пластичности, учитывающая эффект Баушингера и. влияние-среднего нормального напряжения на границу текучести. Труды ЛТИИ, Б., 1965, вып. 8.

39. Кадашевич И., Новожилов В.В. Теория .пластичности, учитывающая остаточное микронапряжение. ПММ, 1958, т. 22, вып. I.

40. Каменцева-Э.Д. Исследование эффекта Баушингера при малых-пластичных деформациях.Исследования по теории упругости и пластичности. Изд-во ЛГУ, 1967, Л 6.

41. Клюшников BJv Поверхность нагружения и допуски при ее экспериментальном определении. Доклады АН СССР, 1975, 221, № 2.

42. Крегерс А.Ф. Исследование-поверхности нагружения в теории локальных, деформаций. Механика полимеров, 1971, № 5, с. 795 - 800.

43. Кадашевич Ю.И. 0 квазистатическом варианте теории пластического течения. МТТ, 1973, В 4.

44. Кроха В Л. Нривые упрочнения металлов при холодной деформации. М., Машиностроение, 1968.

45. Лебедев A.A. Методы механических испытаний материалов присплошном напряженном состоянии. К., Наукова думка, 1976.

46. Лебедев. A.A., Ковальчук Б.И., Кульчицкий Н.М. Экспериментальное, исследование поверхности, нагружения стали I при нормальной и низких температурах. Проблемы прочности, 1978, № 5.

47. Линдин Т.Л. Анизотропия.упрочняющегося пластического материала. Автореф. дисс. ученой.степени кандидата технических наук, Новосибирск, 1978,

48. Москвитин В.В. Пластичность при переменном нагружении. МГУ,1. М., 1965, с. 43 60.

49. J МансуровР.М.0б учете деформированной анизотропии в теории пластичности. Изв. АН СССР, МТТ, 1974, № 4.

50. Малинин-И.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести.1. М., Машиностроение, 1973.

51. Митрохин HJL,. Ягн. Ю.И. 0 систематическом характере отклонений, от законов пластичности. ДАН СССР, I960, т. 135, Ä 4.

52. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести.

53. М., Машиностроение, 1975, 400 с.

54. Марченко-В.М.Вывод уравнения поверхности-нагружения в теориипластического течения, опирающейся на учет эффекта Баушингера. Уч. зал. Центр, аэрогидродинам. ин-та, 1978, 9, J5 2.

55. Никитин О.Я. „Об -инвариантности кривых деформирования изотропных-материалов при сложном нагружении. Вестник машиностроения, 1976, № 9.

56. Новожилов-В.В. Некоторые проблемы пластичности при сложномнагружении. Второй всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. - М., Изд-во АН СССР, 1964.

57. Нахди Л.М,.,. Эссенбург ,Ф., Кофф В. Экспериментальное изучениеначальной, л-последующей-поверхностей текучести в пластической области. В сб.: Механика, ИЛ, 1958, № 6 /52/.

58. Островский A.A. .Влияние лредварительной. пластической деформации, на формоизменение кривых предельного состояния. ПроиЬяемы прочности, 1973, # 6.

59. Ольшак В., .Мруз 3.,.Пежина П. Современное состояние теориипластичности. М., Мир, 1964.

60. Писаренко-Г.С., Лебедев A.A. Деформирование и. прочность материалов-при сложном напряженном состоянии. Киев, Науко-ва душа, 1976.

61. Поль В. Разрушение. М., Мир, 1975.

62. Прегер.В., Ходж П.Ф.»Теория идеально пластических тел. ИЛ,1. М., 1956.

63. Работнов Ю.Н. Модель,- иллюстрирующая некоторые свойства, упрочняющегося пластического тела. ПШ, 1959, 23, № I.69