Метод лазерного зондирования применительно к исследованию локальных пластических деформаций тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

Институт физико-технических проблем Севера

На правах рукописи

Р^ЕТОД ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИССЛЕДОВАНИЮ

ЛОКАЛЬНЫХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

01.02.06

"Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Якутск 1996

Работа выполнена в Институте физико-технических проблем Севера Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Новопашин М.Д.

Официальные оппоненты

доктор технических наук Лыглаев А. В.

кандидат технических наук Прохоров В. А.

Ведущая организация

Вычислительный центр СО РАН г. Красноярск

Защита диссертации состоится 29 марта 1996 года в</£>час. на заседании специализированного совета К.003.43.01 в Институте физико-технических проблем Севера Сибирского отделения РАН по адресу: 677891, г.Якутск, ул. Октябрьская, 1

Автореферат разослан ¿¿1" .1.(1 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета д. т.н.

Н.П.Болотина

характеристика работы

Актуальность работы. Различные типы металлоконструкций, газопроводы, горнодобывающая и подъемотранспортная техника в Северо-Восточном регионе России работают в условиях низких климатических температур, при этом элементы машин и металлоконструкций подвергаются большим механическим нагрузкам. Распределение напряжений в основной массе элементов машин и металлоконструкций неоднородно, из-за наличия концентраторов напряжений. В то/же время, разрушение материала, как правило, происходит из зон концентрации напряжений.

Проведение экспериментов, учитывающих многообразие видов напряженных состояний, неоднородность распределения напряжений, температурные и другие воздействия, практически невозможно. Поэтому для расчетов элементов конструкций используются различные критерии прочности.

Экспериментальное обоснование критериев прочности в большинстве случаев проводится без учета неоднородности распределения напряжений и температуры. Необходимость исследования влияния неоднородности распределения напряжений и температуры на изменение локальных характеристик материала в зонах концентрации напрязкений отмечали: Ильюшин A.A., Серенсен C.B., Писаренко Г.С., Лебедев A.A. и др. Изучению этой проблемы были посвящены работы Давиденкова H.H., Баскулл А., Мазо С.К.. Ломашевского В.П., Нозопашина М.Д. и др.

В тоже время, разработка критериев прочности, учитывающих неоднородность распределения напряжений и влияние температуры, затруднена из-за ограниченных возможностей экспериментальных методов.

Большой вклад в развитие экспериментальных методов внесли: Александров А.Я., Бородин H.A., Жилкин В.А., Кобаяши A.C., Левин O.A. Пригоровский Н. И.. Фридман Я.Б, Шнейдерович P.M. и др.

В настоящее время для решения этих задач используются методы муаровых полос и голографической интерферометрии. Вместе с тем 1 чувствительность метода муаровых полос не достаточно высока, а метод голографической интерферометрии весьма трудоемок, кроме того ни тот. ни другой методы не могут быть эффективно использованы при низких температурах. Это обуславливает актуальность

разработки метода, позволяющего проводить исследование пластических деформаций в локальных зонах с неоднородным распределением напряжений в условиях низких климатических температур.

Цель настоящей работы. Разработка метода и исследование влияния низких климатических температур на напряжение течения материала в зонах с неоднородным распределением напряжений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Разработать метод исследования локальных пластических деформаций в зонах неоднородного распределения напряжений при низких климатических температурах.

2. Создать экспериментальную установку для реализации метода.

3. Разработать методику исследования локальных пластических деформаций.

4. Исследовать влияние низких климатических температур на напряжение течения в локальных зонах. Работа выполнена в соответствии с координационными планами АН СССР по проблеме "Механика твердого тела" на 1985-1990 г. г. (шифр темы 1. 11.1.9) и на 1991-1995 гг. (шифр темы 1.11 52).

Научная новизна работы:

1. Создан метод лазерного зондирования, основанный на регистрации изменения отраженного ст поверхности деформируемого м~йА,Л1 светового излучения. Метод защищен двумя авторскими свидетельствами.

2. Разработана методика обработки результатов измерений, позволяющая определить предел текучести материала, без использования допуска на величину остаточной деформации.

3. Разработана методика определения напряжения локального течения материалов в зонах концентрации напряжений, основанная на использовании метода лазерного зондирования.

4. Проведены исследования влияния низких климатических температур на напряжение локального течения.

Практическая ценность. Получены новые экспериментальные данные о зависимости напряжения локального течения от температуры, которые рекомендовано использовать в расчетах на прочность при проектировании элементов машин и металлоконструкций,

в том числе техники, эксплуатируемой в условиях низких климатических температур. Созданы экспериментальные установки и программное обеспечение для исследования локальных пластических деформаций при неоднородном распределении напряжений в широком диапазоне климатических температур.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Зональном научно-техническом семинаре "Применение лазеров в промышленности и научных исследованиях" (Челябинск, 1988). Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Якутск,1990), Всесоюзной конференции "Прочность материалов и конструкции при низких температурах" (Киев, 1991), Объединенном семинаре Института физикотехнических проблем Севера СО РАН (Якутск,1995).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит ПО страниц, в том числе 38 иллюстраций и список использованных источников, включающий 99 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматривается современное состояние исследований прочности материалов. Анализируются имеющиеся в литературе данные по исследованию влияния неоднородности распределения напряжений на процесс пластического деформирования и разрушения материалов. Отмечается, что возникновение пластических деформаций существенно зависит от степени неоднородности напряженного состояния и температуры. Поэтому исследование влияния низких климатических температур на напряжение локального течения конструкционных материалов весьма актуально.

Во второй главе проводится анализ методов исследования локальной текучести. Рассматриваются экспериментальные методы исследования напряженно-деформированного состояния. Показано, что методы исследования напряженно-деформированного состояния отличаются друг от друга измеряемыми величинами, чувстьитель-

ностью, диапазонами измерений, условиями проведения экспериментов и т.д. В зависимости от конкретных требований, предъявляемых к эксперименту, может быть выбран тот или иной метод исследования или их комбинация. По результатам анализа сформулированы требования, которым должен отвечать метод исследования процессов пластического деформирования материала в локальных зонах. Поставлена задача создать метод, который должен удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Обеспечивать проведение исследований при высокой степени неоднородности распределения деформаций.

2. Обладать широким диапазоном измерений, позволяющим исследовать локальную текучесть материала.

3. Иметь высокую точность.

4. Позволять проводить исследование элементов машин и металлоконструкций в реальных условиях, при низких климатических температурах. .

В третьей главе дано описание метода лазерного зондирования. Метод основан на регистрации изменения отраженного светового излучения от поверхности деформируемого металла. Так, если деформировать полированную пластинку, то при некотором уровне деформирования будет видно, что ее поверхность становится матовой. Этот эффект хорошо известен и в механике используется, в частности, для выявления линий Людерса. Достаточно очевидно, что деформируемый металл становится матовым постепенно и только ограниченные возможности зрения не позволяют обнаружить это при малых уровнях деформаций. Если же использовать достаточно чувствительные оптические приборы, то этот эффект может быть зафиксирован и на более ранних стадиях.

На изменении интенсивности отраженного от поверхности деформируемого металла светового излучения основан способ определения предела текучести, предложенный автором и защищенный а.с. СССР N1462152,1989г. Метод заключается в том, что, нагружая образец, измеряют отраженное от его поверхности лазерное излучение, интенсивность которого связана с уровнем деформирования. В качестве иллюстрации на рис. 1,а дана диаграмма деформирования мягкой углеродистой стали (1) и диаграмма "напряжение - интенсивность отраженного лазерного излучения" (2). Видно, что на

Диаграмма деформирования (1) и диаграмма 'напряжение - интенсивность отраженного лазерного излучения" (2)

б,МПа

- ВстЗспб; б. - Д19АТ

Рис. 1

обеих диаграммах наблюдается площадка текучести. На рис.1,6 представлена диаграмма деформирования (1) и диаграмма "напряжение - интенсивность отраженного лазерного излучения" (2) алюминиевого сплава Д19АТ, не имеющего ярко выраженной площадки текучести. Здесь также диаграмма деформирования аналогична диаграмме "напряженишнтенсивность отраженного лазерного излучения ".

Таким образом, с помощью отраженного лазерного излучения можно исследовать процесс деформирования материала. Поскольку на диаграмме "напряжение - интенсивность отраженного лазерного излучения" (рис.1,а) имеется площадка текучести, то в случае исследования образцов из материалов, имеющих физический предел текучести, определение его методом лазерного зондирования не вызывает особых затруднений. В случае отсутствия на диаграмме деформирования ярко выраженной площадки текучести, определяется условный предел текучести, соответствующий определенному допуску на величину остаточной деформации.

При использовании метода лазерного зондирования подобный подход невозможен, поскольку нельзя определить величину остаточной деформации по изменению интенсивности отраженного лазерного излучения. Поэтому в данной работе предлагается за критерий перехода материала в пластическое состояние принять соотношение между долями пластической и общей деформации Деп/Де (рис.2,а). Порядок построения диаграмм деформирования в координатах Деп/ДЕ-£0СТ. следующий. Проводятся прямые, параллельные упругому участку диаграммы деформирования, с заданным шагом по величине остаточной деформации. Из точек пересечения этих прямых с диаграммой деформирования опускаются отрезки, перпендикулярные оси деформаций. Причем первый перпендикуляр проводится из точки, в которой диаграмма деформирования отклоняется от линейного' закона, т.е. из точки соответствующей пределу пропорциональности (рис.2,а, точка А). Из этих же точек проводятся отрезки, параллельные оси деформации, до ближайшего отрезка, перпендикулярного оси деформации. При этом горизонтальный отрезок пересечет соответствующую прямую, параллельную упругому участку диаграммы деформирования.

Отрезок между первым перпендикуляром и прямой, параллельной упругому участку диаграммы деформирования, будет соответс-

Диаграмма деформирования сп.лаза Д19АТ

АЕ„А6,7.

».1 ОД 03 0.40.5

-у'Л >

0,1 ОД 0.3 0,4 £ост>}°/. 5.

Диаграмма ' "напряжение - интенсивность отраженного лазерного излучения" ( Д19АТ)

в.ИИа

ЗАО

- 100

- 100

дЗ„/лЗ,%

3 6 37 зд зл 4

г.

твовать приращению пластической деформации Деп на соответствующем участке диаграммы деформирования, а отрезок между соседними перпендикулярами - приращению полной деформации Де ( рис.2,а). Если кривую деформирования перестроить в координатах Деп/Де-еост , то получим ломаную линию, состоящую из трех участков (рис.2,б). При упругом деформировании Деп =0, а участок 0-1 соответствует медленному росту пластических деформаций от предела пропорциональности и выше. На участке 1-2 наблюдается резкое увеличение отношения Деп/Де, которое происходит за счет роста пластической компоненты деформации: перегиб ломаной линии в точке 1 означает, что в ней изменяется характер деформирования. Резкое изменение скорости роста пластической деформации соответствует началу пластического течения материала (пределу текучести).

Таким образом, по диаграмме деформирования, перестроенной в координатах Деп/Де- еост, можно определить предел текучести материалоз. не имеющих площадки текучести.

На рис.2,в представлен начальный участок диаграммы "напря-жениеинтенсивность отраженного лазерного излучения" (б-Л). Диаграмма не имеет каких-либо характерных точек, если же ее перестроить в координатах ДЛП/ДЛ-Л, аналогично тому, как это было сделано с диаграммой деформирования, то также получим ломаную, линию состоящую из трех участков (рис.2,г). На участке 0-1 наблюдается медленное изменение отношения ДЛП/ДЛ, на участке 1-2 происходит резкое изменение этого отношения. Точка перегиба 1 соответствует началу пластического течения. Напряжение начала пластического течения, определенное методом лазерного зондирования, совпадает с пределом текучести исследуемого материала, определенным по диаграмме деформирования.

Таким образом, по диаграмме б-Л можно определить напряжение начала пластического течения (предел текучести) материала без использования допуска на величину остаточной деформации.

Поскольку при наличии концентраторов напряжений результаты испытаний существенно зависят от базы измерений, было проведено исследование влияния базы измерений на точность метода. Испытанию подвергались стандартные образцы из алюминиевого сплава Д1ЭАТ.

- И - ;

Зависимость величины интенсивности отраженного лазерного излучения от базы измерений

1 -диаграмма деформирования, 2 -интенсивность отраженного

зерного излучения на базе 20 мм, 3 -на базе 10 мм, 4 -на базе 1 мм -на базе 1 мм, 6 -на базе 1 мм, 7 -на базе 10 мм, 8 -на базе 20 мм'

На рис.3,а приведены диаграммы деформирования 6-е (1) и диаграммы "напряжение - интенсивность отраженного лазерного излучения" 6-3 (2,3,4) на базах измерения 1 мм, 10 мм, 20 мм соответственно. Диаграмма деформирования в координатах Деп/Де-еост (5) приведена на рис.3. б. Диаграммы "напряжение-интенсивность отраженного лазерного излучения" в координатах Д>1П/Д.1-Л (6,7,8) на базах измерения 1 мм, 10 мм, 20 мм соответственно приведены на рис.3,в,г.д. Из представленных диаграмм видно, что величина интенсивности отраженного лазерного излучения зависит от базы измерения. Интенсивность отраженного лазерного излучения, при которой происходит изменение характера деформирования материала составляла на базе 1 мм Л=3,8 В, на базе 10 мм Л=5.3 В, на базе 20 мм Л=5,8 В. Проводя прямые, параллельные соответствующему упругому участку деформирования, из точек Л=3,8 В, Л=5,3 В, >5,8 В на диаграмме б-Л (рис.3,а), получаем величину напряжения, соответствующую началу пластического течения материала. Причем величина напряжения начала пласти-чекого течения, как видно из рис. 3, не зависит от базы измерения. Для отработки методики и оценки точности метода определялись пределы текучести материалов ВСтЗсп5, Д16АТ, Д16АК, Х18Н10Т, 10Х2ГМ методом лазерного зондирования и стандартными методами. Установлено, что погрешность определения предела текучести с использованием метода лазерного зондирования по сравнению со стандартными методами не превышала 1%.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования влияния градиента напряжений и низких климатических температур на относительное напряжение локального течения. Исследование влияния неоднородности распределения напряжений на напряжение локального течения проводились на образцах с центральными вырезами. Разметка образцов и контроль качества изготовления осуществлялись с помощью инструментального микроскопа ММИ-2.

Исследования образцов из стали ВстЗсп5 и алюминиевого сплава Д19АТ проводилось одновременно методами лазерного зондирования и голографической интерферометрии.

На рис.4,а приведены результаты испытаний образцов из материалов ВСтЗспб, полученные методами лазерного зондирования и

Зависимость напряжения локального течения от относительного градиента напряжений (ВстЗсп5)

эт

й

г

Д - ГОАОГРАЧ»МЧССКАЯ интерферометрия

д - лА»срмое

3-0(1 АНРОЬАМИО

мм"'*

а..

гемпература 293 К;

б.-температура 213-293 К

Рис. 4

1

гологрзфической интерферометрии. Видно, что результаты испытаний, полученные обоими методами совпадают. Исследования влияния температура на напряжение течения в локальных зонах концентрации напряжений проводили при климатических температурах в диапазоне 293-213 К. Для чего разрывная машина УМЭ-10ТМ помещались на испытательном полигоне. Лазерная установка устанавливалась на подвижной траверсе разрывной машины. Пульт управления разрывной машиной, измерительно - вычислительный комплекс "Хьюл-летт Паккард" находились в помещении. Температура наружного воздуха измерялась спиртовым термометром, температура образца определялась с помощью термопары.

При вычислении относительных напряжений б/ использовался предел текучести материала бх, определенный при той же температуре. при которой определяли напряжение локального течения бт'= бт * / бх.

Относительный градиент напряжений £ изменялся от 0 до 1,77 мм"1. теоретический коэффициент концентрации напряжений варьировали от 1 до 6. Результаты испытаний приведены на рис.4.б. из которого видно, что с понижением температуры относительное напряжение локального течения растет. Таким образом, при понижении температуры наблюдается эффект локального упрочнения стали ВстЗспб, который необходимо учитывать в расчетах на прочность элементов машин и металлоконструкций.

Заключение

В диссертационной работе описан метод лазерного зондирования, отличительной особенностью которого является: возможность автоматизации исследований, существенное снижение трудоёмкости и стоимости экспериментов, возможность проведения исследований в широком диапазоне низких климатических температур. Проведены экспериментальные исследования и получена зависимость величины напряжения локального течения от температуры.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан метод лазерного зондирования, основанный на ^ регистрации изменения отраженного от деформируемого металла

светового излучения (а. с. СССР N 1462152,1989г., а.с. СССР N 1633330,1991г.).

2. Созданы экспериментальные установки и программное обеспечение для исследования пластических деформации в локальных зонах, с неоднородным распределением напряжений.

3. Разработана методика обработки результатов измерений, позволяющая определить величину предела текучести без использования допуска на величину остаточной деформации. Экспериментальная проверка методики показала ее высокую точность.

4. Разработана методика экспериментального определения напряжений локального течения материала в зонах концентрации напряжений, основанная на использовании метода лазерного зондирования.

5. Проведено исследование влияния неоднородности распределения напряжений на напряжение лекального течения материала в широком диапазоне климатических температур от 293 до 213 К.

6. Экспериментально установлено, что напряжение локального течения является параметром чувствительным к изменению температуры, это создает хорошие предпосылки для разработки модели, описывающей поведение материала в условиях низких температур.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. A.c. 1462152 СССР Мкп G01 N3/28. СносоО определения предела текучести /Шириков Б. А., Новопашин И.Д.. Сукнев С.В.//Открытия, Изобретения. -1939. -N 8. -С.179.

2. A.c. 1633330 СССР МкиС01 N3/28. Способ определения предела текучести /Шириков Б. А., Иванов А.М.//Открытия. Изобрете-

•ния.-1991.-N 9.-С.181

3. Гуляев В.П., Лпросимов B.C., Шириков Б.А. Применение рентгеновского излучения для изучения процессов ыейкообразования металлов //Физикохимическая механика материалов. -1982.-N 4. -С. 10-11.

4. Шириков Б.Л., р/ляев В.П., Апросимов B.C. Изменение интенсивности рентгендбкого излучения при прохождении его через деформируемый материал //Информ. бюлл. НТИ. -Якутск, 1983. -С.10-11.

5. Шириков Б.А., Гуляев В.П., Апросиыов B.C. Эффект проникающего через деформируемый материал рентгеновского излучения//Физи-ко-механические аспекты работоспособности северной техники. -Якутск, 1987. -С.13-14.

6. Шириков Б.А., Новопашин М.Д. Исследование предельного состояния элементов конструкций с концентраторами напряжений при низких температурах //Прочность материалов и конструкции при низких температурах. Тезисы докладов 3-й Всесоюзной конференции. -Киев, 1991. С. 89-90.

7. Шириков Б. А., Новопашин М.Д. Методика определения напряжения локального течения в зонах концентрации напряжений при низких климатических температурах //Испытания листовых материалов и конструкций при низких температурах. -Якутск, 1991. С.135.

8. Шириков Б.А., Сукнев C.B., Новопашин М.Д. Определение напряжения локального течения методом лазерного зондирования //Применение лазеров в промышленности и научных исследованиях. -Челябинск. 1988. С. 22-23.

9. Шириков Б.А.. Сукнев C.B., Новопашин М.Д. Определение предела текучести методом лазерного зондирования//Сибирская школа по современным проблемам механики деформируемого тела. -Якутск, 1990. -С.181-182.