Пластичность и прочность конструкционных сталей при объемном напряженном состоянии и учет этого фактора при расчете конструкций тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

од

На ПЕМШК л^ХОЗШЕСК!

ГАГАРИН ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ШОАСТИЧНОСТЬ. И ¡ПРОЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАСЕЙЙ ПРИ ОБЪЕМНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ м учет ЭТОГО ФАКТОРА ПРИ РАСЧЕТЕ 1ШНСТРУ1ЩКЙ

Специальность

01.02.04 - механика деформируемого твердого тала

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

. с

нижний Новгород - 1995

Работа выполнена в Опытном конструкторском бюро машиностроения.

Научный руководитель; доктор технических наук С.Н.Пиппщв

Официальные оппонеигш: доктор физико-математических наук,- профессор Ко^шпхшк Ю.Г., кандидат технических наук, доцент Вфлаган Ю.М.

Ведущая организация - Институт машиноведения мм. А.А. Благонравова РАН

Защипа состоится « /Г» ей и ТЯ^/лЯ. 1995 г. »_часов

не заседании диссертационного Совета Д 063.77.05 при Нижегородском ордена Трудового Красного Знамени государственном университете им.Н.ИЛобачевскош (603600, Нижний Новгород, пр.Гагарина,, 23, корп.6),

С диссертацией можно ознакомится в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного универешвта.

Автореферат разослан «. » ил О Л «Я._¡995 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета //у'у"^ /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальности темы. Разработанные в настоящее время расчет____ные методы дают возможность определить уровень напряженно-

деформированного состояния (НДС), степень накопления поврежденное™ при различных режимах нагружешш и, следовательно, оценить ресурс пракпгческилюбой конструкции. Однако, основньш препятствием для ¡сс практического применения является отсутствие необходимых экспериментальных данных о предельных возможностях материалов в реальных условиях эксплуатации. Как известно, обычным режимом работы элементов оборудован™ является сложные

•напряженные условияГв кшорых'могут гфибугствовал" два или три.......

главных напряжения.,г Более того,, локальпые области разрушения элементов оборудования, связанные' с поверхностными н внутренними дефектами или другими концентраторами напряжений, вызывают появление своего собственного поля многоосных напряжений даже в условиях одноосного нагружения элемента. >

Проведенные исследования показывают, что объемное напряженное состояние (ОНС) оказывает существенное влияние на процесс накопления повреждений и, следовательно, на предельные характеристики и характер разрушения материалов как при статическом нагружешш, так и при малоцикловой усталости. Поэтомусценка ресурса при использовании данных, полученных при одноосном напряженном состоянии, может привести к существенным погрешностям. Практика показывает, что появление даже двухосного напряженного состояния может снизить ресурс по сравнению с одноосньм на порядок.

Необходимость учета изменения механических свойств от ОНС связана еще с тем, что одним из факторов, обуславливающих хрупко-вязкое поведение пластичных .материалов, является характер возникающих от приложенной нагрузки напряжений. Особенно следует акцентировать внимание на высокой степени ОНС в зонах .....возникновения максимального растягивающего напряженного состояния, так как оно может служить основной причиной хрупкого разрушения конструкций. Поэтому сведение ОНС к эквивалентному линейному при использовании критериев прочности не позволяет предсказать характер возможного разрушения.

В силу вышесказанного исследование влияния ОНС на механические свойства материалов имеет большое теоретическое й ■ практическое значение. Особенно это важно для облаете действия

растягивающих напряжений. "

Цель работы. Исследование влияния ОНС при действии растягивающих напряжений на изменение прочностных и пластических свойств для широкою класса конструкционных сталей, применяемых в атомном энергетическом машиностроении.

Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:

-выбор формы образцов и видов их испытаний, вычисление НДС и величины показателя ОНС;

-построение зависимостей пластических и I рочностных свойств исследуемых конструкционных сталей при высоких температурах и скоростях деформации для области действия растягивающих напряжений от ОНС;

-получение критических значений параметра ОНС по

величинам упругих модулей Е, О и коэффициента Пуасрона ц в диапазоне высоких температур;

' -поиск связи между показателем чувствительности сталей к ОНС и пластическими характеристиками, определяемыми при стандартных испытаниях на растяжение;

-установление зависимости направления распространения трещины от характера распределения НДС и параметра ОНС;# -решение прикладных задач.

Научная новизна. Получены зависимости пластических и прочностных свойств для широкого класса конструкционных сталей, применяемых в атомном энергетическом машиностроении. Установлена зависимость между показателем чувствительности сталей к ОНС и пластическими характеристиками, полученными при тестированных испытаниях на растяжение. Определены критические значения параметра ОНС по величинам упругих модулей и коэффициента Пуассона для исследуемых материалов. Эспсркментально подтверждена зависимость скорости накопления повреждений от степени ОНС- Разработана методика прогнозирования вероятного направления распространения трещины по результатам упругого прочностного расчета.' Проведен расчет, дающий возможность взглянуть на прочность конструкции не только с точки зрения возникающего НДС, но и с позиции реакции ее материала на'.' .г напряженное состояние.

Практическая ^с шгость. Построеные зависимости пластическая и прочностных .свойств от О'г; для широкого класса конструкционных статей, подменяемых , «Томном энергетическом машиностроении, которые позволяют ирг олфовать поведение этих мате-

риалов в области действия растягивающих напряжении. Сравнение определенных при прочностном расчете конструкций значений показателя ОНС с критической величиной, установленной по упругим модулям и коэффициенту Пуассона, позволяет-выявить степень склонности материала к хрупкому разрушению в данных условиях эксплуатации. Используя • полученные ыатематотеские. формулы, описывающие зависимость вел1гчины показателя чувствительности от - ОНС, можно прогнозировать поведение практически любой стали по ее справочным данным, полученных при гостированньгхиспытаниях на растяжение. Применение предлагаемой методики значительно

'сокращает сроки.......установления. вероятного.....„ направления. ..

распространения трещины в случае ее образования как на стадии проектирования, так к при эксплуатации в случае контроля дальнейшего развития процесса разрушения.

Основные положения выносимые на защиту. 4 :

1.3ависимости предельной пластичности и прочности конструкционных сталей, применяемых в атомном энергетическом машиностроении, от ОНС при высоких температурах и скоростях деформации, полученные экспериментально при образцовых испытаниях.

2.Результаты исследования чувствительности предельной пластичности статей """к ОН С" от деформационных характеристик, . полученных при испытании тестированных образцов на растяжение.

3.Результаты исследований изменения предельной пластичности и прочности конструкционных сталей от температуры при различных скоростях деформации в зависимости от ОНС.

4. Методика прогнозирования траектории разрушения конструкции по результатам упругого расчета.

5*. Результата применения параметра, характеризующего ОНС,' ,., при оценке прочноста конструкции.

Апробация работы. Основные' результата " работы' Докладьта-— лись на 3 Всесоюзных научно-технических конференциях и на научно-технических семинарах ОКБМ 1985-1991г (сделано 4 доклада).

Публикации. По "теме диссертации опубликовано 5 статей и 4 тезиса докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 161 названия. Основной текст занимает 108 листов, иллюстрируется 115 рисунками и 20 таблицами. .....Г"" '* .;

• СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлены экспериментальные данные по влиянию напряженного состояния на прочностные и пластические характеристики материалов, рассматриваются критерии прочности и пластичности для многомерного напряженного состояния, проведен анализ существующих параметров для оценки степени ОНС, рассмотрены виды и методы испытаний, применяемые при исследовании зависимости механических характеристик от напряженного состояния.

К экспериментальным данным, подтверждающим влияние напряженного состояния на механические свойства материалов, относятся классические опьггы П.Бриджмена по растяжению образцов в условиях гидростатического сжатия, которые, показали значительное повышение пластических и прочностных свойств малопластичных металлов при данном виде испытаний. Возникающее при этом напряженное состояние оказывает влияние на характер разрушения образцов. В дальнейшем эта результаты были подтверждены работами ' Б.Й.Береснева, Л.Ф.Верещагина, Ю.Н.Рябшшна, Л.Д.Лившица, Д. К. Булычева, Е.Д.Мартынова, К.П.Родионова, А.А.Богатова, О.Н.Мижирицкого, В.Ф.Шишминцева, Ю-А.Аксенова, О.Л.Толокон-никова, А.Г.Мартынснко, Л.М.Седокова, Ц.Д.Сампирова, АЛГ.Гайво-ровского, Ю.В.Фролова, Накаяма Такаёши, Фудзиро Икайя, Мото " Сусуму и других."

Подтверждением влияние ОНС при действии растягивающих напряжений на прочностные и пластические .свойства металлов являются результаты Г.В.Ужика и П.Ф.Кошелева, полученные при испытании. цилиндрических образцов с кольцевыми надрезами на растяжение, и данные И.В.Кудрявцева, Д.М.Шура и АД.Чудковского по испытанию до разрушения сферических • и цилиндрических резервуаров из малоуглеродистых сталей. Во всех случаях наблюдалось изменение предельных прочностных и явное снижение пластических свойств материалов по сравнению с исходными определенными при стандартных испытаниях. О влиянии ОНС в надрезе образцов на их прочность указывали также Б.П.Кишкш, И. А. Разов, Е.М.Шевандин, В.П.Деггярев, Т.Екобори, К.Хеккель, Л.СМороз, С.Н.Пичков, В.А.Скуднов и другие. ,

Классические теории прочности, а также теории прочности А.Надаи, Ф.Шлейхера. П.П.Баландина, И.Н.Мираиобова, Янга-Бу-жинского, Н.И.Волкова, В.П.Сдобырева,.Писаренко-Лебедева, О.Мо-ра, М.М.Филоненко-Бородича, Н.Н.Давиденкова, Я.Б.Фридмана vi

Г.В.Ужика считаются независимыми от истории нагружения. Фактически каждый из рассмотренных критериев, как правило, относится к конкретным видам нафужения. Кроме того, в этих теориях многоосное напряженное состояние условно сводится к одноосному за счет применения эквивалентных (приведенных) напряжений, которые сравниваются затем с допустимыми напряжениями, что не всегда приводит к правильным результатам, поскольку в данном случае не учитывается изменение механических свойств от ОНС (его много-осиости). Наглядным,примером тому являются опыты П.Бриджмена,. Г.В.Ужика, П.Ф'.Кошелева, И.В.Кудрявцева, Д.М.Шура и А.Д.Чуднов-ского.

Развитие современных теорий прочности происходит с уче-- том механики накопления повреждений.. В них присутствует положение о влиянии напряженного состояния на всличтгу повреждения. Прочностные критерии представляются в виде уравнений процесса, а не предельных условий. В основу их положен параметр характеризующий на макроуровне степень повреждаемости материала со, впервые введенный Л.М.Качановым и Ю.Н.Работновым. К этим критериям разрушения относятся критерий Боднера к Линдхолма, Лемстра, Дж.Л.Шабоша, Д.Р.Гейхерста, Ф.А.Лекки и Ю.Г.Коротких.

....... Для характеристик степени многоосности напряженного

состояния предлагается ряд коэффициентов. Среди них lie могут быть использованы в качестве показателей степени ОНС параметры Я.Б.Фридмана, С.И.Губкина, М.А.Зайкова и В.Н.Персгятько, Л.С.Мороза, Дотмана и Боденштайна, А.Кохснд;рфсра и А.Шурен-кемпера, Г.Пюсца из-за офаниченной области применения.

Широкое распространение как в отечественной, так и зарубежной практике получили параметры В.А.Бабичкова. Г. А. Смирнова-Алиева; В.Л.Колмогорова, Леметра, Ю.Г.Коротких, Г.С.Писарсн-ко, Н.С.Можаровскощ, Е.А.Анпшова, Р.Фробина. и., Х.Шиллера,. наиболее точно оценивающие ОНС, так как в них используются его инвариантные характеристики. Эти показатели степени ОНС отличаются друг , от друга только величиной постоянного миожиеля. Однако, предпочтение следует отдать параметру Г.А.Смирнова-Аляева

ai+C2+<T3 " • ,

П--Ъ- ' О)

так как в случае одноосного (линейного) напряженного состояния он принимает значение равноесдиницег что-позволяет сразу судить о степени ОНС по отношению к одноосному только по величине П. Кроме того, как было показано ВАСкудновым, квалрат этого пара-

метра пропорционален отношению удельной энергии изменения объема и^, ответственной за хрупкое разрушение, к удельной потенциальной энергии изменения формы 1/ф, определяющей пластическое поведение материала, т.е. „

. йаП2 2

Поэтому в данной работе степень ОНО оценивалась с помощью параметра (1).

Среди экспериментальных зависимостей механических свойств от напряженного состояния практическое применение в основном получили диаграммы предельная пластическая деформация - степень ОН С, которые в литературе называются также диаграммами пластичности. 4

В.А.Скуднов предложил строить диаграммы пластичности в полулогарифмических координатах, так как зависимость приобретает вид последовательности прямых линий {рис.1), что позволяет оценивать чувствительность материала к ОНС в данном диапазоне изменения П с помощью параметра равного тангенсу угла накло-

Область разрушения

0 1,0

Рис.1

+ П,

на а. Диаграммы пластичности имеют две точки излома, соответствующие критическим значениям параметров напряженного состояния, которые В.А.Скуднов определяет по формулам

/иг Ш.

"кр^ЗЕ.! 1

2(1+10 •2ц

(3)

где О-л/1 I \ - модуль сдвига.

Выражение (3) выводится из (2) при условии равенства иоб=иф. На диаграмме значению + Пкр соответствует момент хрупко-вязкого пере-

Хода. Значения пластичности для П=1,0 характеризует пластичность материала при гостированных испьпаниях на растяжение. Величина вклада в условия хрупко-вязко! о перехода, вносимого структурными изменениями, связанными с накоплением скрытой энергии наклепа при пластической деформации, сопоставима с естественным разбросом экспериментальных данных и поэтому не учитывается. Полученные критические -значения показателя ОНС являются функциями только от соотношения упругих модулей или оэффициента Пуассона. К анологичным выводам пришли В.С.Иванова, Е.И.Колоколов, В.Я.Лгоц, Н.А.Чслышев й ГАЧернов; * "

При построении диаграмм пластичности следует учитывать вид напряженного состояния,- характеризуемого, параметром , Надаи- . Лоде

." ''' 2С2-СГ1-СТЗ •

Ца= 01-оз • (4)

Исследования А.А.Богатовым, О.Н.Мижирицким, В.Ф.Шишминце-вым и Ю.А.Аксеновым показали, чго предельная пластичность при одинаковых значениях показателя ОНС з-гвисит также от величины что объяснимо, если в пространстве главных напряжений перейти К имеющей четкий механический смысл цилиндрической системе координат, предложенной Г.С.Писаренко и А.А.Лебедевым. " " " Воздействие температуры и различных скоростей деформации • в условиях ОНС исследовалось в работах А. Г. Кипарис о ва, В.А.Скуд-нова, С.Н.Пичкова, М.А.Золотова, А.Т.Быкадорова, Ю.А. Весело ва-и . Л.Д.Соколова. Однако для испытаний кспользовалось небольшое число конструкционных материалов.

Поскольку исследование изменения механических свойств материалов от ОНС является трудоемким процессом, так как связано с необходимостью проведения большого количества различных испытаний разнообразных образцов, то были сделаны попытки установлен^ связи" гомёнёнйй и механиче-

скими характеристиками при стандартных испытаниях.

В.А.Скуднов, С.Н.Пичкоа, Г.Ф.Городов и Л.Д.Соколов полонии зависимость' параметра чувствительности материала к-ОНС и величиной V истинного сужения, определенного при испытании гостированных образцоз на растяжение. Позднее В.А.Скуднлв полу чил зависимость этого параметра и от коэффициента деформационного упрочнения. Следует отметить, что приведенные зависимости бьиш"получены на 'оснований испытания небольшого ко/тчества марок сталей и сплавов и поэтому нуждаются в дальнейшем уточне-

нии. На это указывали и сами исследователи.

В конце первой главы формулируются цели исследования и дается краткое содержание работы.

Вторая глава посвящена разработке и описанию -методики проведения эксперимента. Марки конструкционных сталей, подвергаемые испытаниям, представлены в таблице 1.

Зависимости механических свойств конструкционных 'сталей от степени ОНС определялись при действии растягивающих напряжений стг, аг и сг3. Интервал напряженных состояний при исследовании ограничивался, начиная с односного (линейного) в сторону увеличения многоосности напряженного состояния, т.е. ГШ. Показатель степени ОНС определялся и в дальнейшем вычислялся согласно -формулы {1). '

Таблица 1

Класс сталей Наименование сталей

Углеродистые стали 20, 45, 22К

Перлитные легированные конструкционные стали ч 40Х, 25X1МФ V

Перлитные теплоустойчивые стали 25Х2МФА, 15Х2МФА, 15Х2НМФА

Аустенитная дисперсионнатвердеюшая сталь ХН35ВТ

Аустанитные стали 1Х15Н9СЗБ1, СХ20Н46Б, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9

Анализ некоторых видов образцов, в которых при приложении к ним нагрузки возникает растягивающее ОНС, показал, что неприемлемыми для исследований из-за ограниченного диапазона изменения параметра ОНС являются сферические оболочки (П=2) под внутренним давлением, трубчатые образцы (1гШ2), нагруженные внутренним давлением и осевой растягивающей силой. Из-за этого отвергается метод гидростатического выпучивания (П=2), предложенным С.А.Куркиным.

Широкий диапазон напряженных состояний можно получить при испытании на растяжение цилиндрических образцов с кольцевыми выточками различного профиля. Этот вид испытаний, несмотря на его недостаток (непостоянство значения показателя ОНС по минимальному сечению) нашел широкое применение как в отечественной, так о зарубежной практике. 8 ДЗДДОЯ работе был использован этот

хода. Значения пластичности для 11=1,0 характеризует пластичность материала при юстированных испытаниях на растяжение. Величина вклада в условия хрупко-вязкою перехода, вносимого структурными изменениями, связанными с накоплением скрытой энергии наклепа

при пластической деформации, сопоставима с естественным разбро-----------

сом экспериментальных данных и поэтому не учитывается. Полученные-критические значения показателя ОНС. являются функциями , только от соотношения упругих модулей или оэффициента Пуассона. ' К анолопгшым выводам пришли В.С.Иванова, Е.И.Колоколов,

В.Я.Лгоц,Н.А.Чслышев и Г.А.Чернов. : :.......

При построении диаграмм пластичности следует учитывать - вид напряженного состояния, характеризуемого параметром Надаи-Лоде •

. " • Цо - Ст1-а3 • (4)

Исследования А.А.Богатовым, О.Н.Мижирицким, В.Ф.ШишминЦе-вым и Ю.А.Аксеновым показали, что предельная пластичность при одинаковых значениях показателя ОНС з-гвисит также от величины • цо, что объяснимо, если в пространстве главных напряжений перейти к имеющей четкий механический смысл цилиндрической системе координат, предложенной Г.С.Писаренко и А.А.ЛебсдевыМ.

....... Воздействие'тсмпературы и различных скоростей деформашш - •

в условиях ОНС исследовалось в работах А.Г.Кипарисова, В.А.Скуд-нова, С.Н.Пичкова, М.А.Золотова, А.Т.Быкадорова, Ю.А.Веселова и . Л.Д.Сохолова. Однако для испытаний использовалось небольшое число конструкционных материалов.

Поскольку исследование изменения механических* свойств материалов от ОНС является трудоемким процессом, так как связано с необходимостью проведения большого количества раздачных испытаний разнообразных образцов, то были сделаны попытки установления связи между велийшой этих изменений "й "мёханиче-скими характеристиками при стандартных испытаниях. *

В.А.Скуднов, С.Н.Пичкоа, Г.Ф.Городов и Л.Д.Соколов

получили зависимость парамстра чувствительности материала к ОНС---------

и величиной истинного сужения, определенного при испытании гостированных образцоз на растяжение. Позднее В.А.Скуднпв получил зависимость этого параметра и от коэффициента деформационного упрочнения. Следует отметить, что приведенные зависимости были получены на основании испытания небольшого количеств марок сталей и сплавов и поэтому нуждаются в дальнейшем уточне-

-10-

I. ,

нии. На это указывали и сами исследователи.

_ В конце первой главы формулируются цели исследования и дается краткое содержание работы.

Вторая глава посвящена разработке и описанию методики проведения эксперимента. Марки конструкционных сталей, подвергаемые испытаниям, представлены в таблице 1.

Зависимости механических свойств конструкционных сталей от степени ОНС определялись при действии растягивающих напряжений 0ц ст2 и о у Интервал напряженных состояний при исследовании ограничивался, начиная с односного (линейного) в сторон)' увеличения многоосности напряженного состояния, т.е. П£1. Показатель степени ОНС определялся и в дальнейшем вычислялся согласно формулы (1).

Таблица 1

Класс сталей Наименование сталей

Углеродистые стали 20, 45, 22К

Перлитные легированные конструкционные стали 40Х, 25X1МФ

Перлитные теплоустойчивые стали 25Х2МФА, 15Х2МФА, 15Х2НМФА

Аусгенитная дисперсионнотвердеюшая сталь ХН35ВТ

Аустанитные стали 1Х15Н9СЗБ1, ОХ20Н46Б, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9

Анализ некоторых видов образцов, в которых при приложении к ним нагрузки возникает растягивающее ОНС, показал, что неприемлемыми для исследований из-за ограниченного диапазона изменения параметра ОНС являются сферические оболочки (П=2) под внутренним давлением, трубчатые образцы (1Ш£2), нагруженные внутренним давлением и осевой растягиваю щей силой. Из-за этого отвергается метод гидростатического выпучивания (П=2), предложенным С.А.Куркиным.

Широкий диапазон напряженных состояний можно получить при испытании на растяжение цилиндрических образцов с кольцевы- -ми выточками различного профиля. Этот вид испытаний, несмотря на его недостаток (непостоянство значения показателя ОНС по минимальному сечению) нашел широкое применение как в отечественной, так п зарубежной практике. В ДЗДно$ роботе был использован этот

-п-

вид. образцов. Образцы имели следующие размерь;:

максимальный диаметр вне выточки 1>0 - 10 мм;

минимальный диаметр о'0 - б мм; ' _ '

радиусы в вершине зьггочки К0 - б, 3, 2 и 1 мм.

Напр.чженно-дсформирсваннос состояние в зоне кольцевых

надрезов цилиндрических образцов определялось методом конечных

•• элементов (МКЭ). У'штыцал. что параметр ОНС ке постоянен по

минимальному сечению надрезанного образца, бралось при построе- "

экспериментальных зависимостей среднее значение показателя

П, вычисленное по формуле*"-....................................... .....

а

............ ..... - Пср=^.}п-г-с1г ,........................ (5)

о

-.....• — 1...;......

где а = —, <10 -диаметр минимального ссчеиття образца; - - --.....-

Для сравнения значения параметра ОНС определялись по минимальному сечению этих образцов с' использованием формул Неибера, полученных для выточек пшепболического профиля, а также уравнений

(6,

......."...................~.............■...............................ОТ -

где Н0 - радиус кривизны в вершине выточки,

г - текущая координата, отсчитываемая от оси образца по минимальному диаметру. Результаты вычислений приведены в таблице 2.

Таблица 2

Вид образца мм Оо мм Ко ММ МКЭ по НейОсру ЛО * Бриджмсну по Давкденкову

п шах пт„ , Пер "тя. Псо п-

? 10 10 СО 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1.00 1,00

2 " б" 10 • б- 1,62- 1,40 -1,52 1,35 1,67 1,35 -1,75... 1,38.

3 6 10 3 2.13 1,75 2,04 1,68 2,22 1,65 2,50 1,75

4 | 6 : 10' 2 2,4У 2,04 2.55 2,00 . 2,68,. 1,91 3,25 2,13

5 | 6 10 1 ! з,и 2,65 | 4,00 2,87 3,75 2,57 5.50 3,25

б 1" 6 10 1* | 2,76 2,40 ' 4,00 •2,87 - 3,75; 2,57 : 5.50' 3,25

* - гиперболическая выточка с радиусом = I мм в вершине

Анализ результатов, полученных различными методами, показал, что для оценки значений показателя ОНС 0 цилиндрических образцах с пологами кольцевыми выточками (<10 /К0 <6) можно применять формулу (6) и решения Нейбера, так как расчета по шш отличаются от результатов МКЭ менее чем на 8%. В данном случае характер распределения П по минимальному сечению, определенный различными методами, одинаков.

Однако, для цилиндрических образцов с острыми выточками (с10 /Л0 2:6), в которых на величину параметра П, кроме радиуса кривизны в вершине надреза, существенно сказывается геометрия вытачки {образцы 5 и 6, таблица 2), формулы Нейбера, (6) и (7) не применимы, так как они дают погрешность более 20%: Параметр Ищи» вычисленные МКЭ, имеет разные значения для этих образцов. Другие рассмотренные методы дали одинаковые значения показателя ОНС, ке взирая на геометрию надреза. Характер распределения П по минимальному сечснию, определенный МКЭ, для этих образцов отличается от результатов остальных рассмотренных методов.

Расчет МКЭ, проведенный в упругой области при различных значениях модуля упругости и коэффициента Пуассона, показал, что величина П совершенно не зависит от Е и незначительно меняет свое значение про изменении ц . Поскольку эти изменения не превышают 5%, то ими можно пренебречь.

Связи между коэффициентом концентрации напряжений К^ и параметром П не наблюдалось. Коэффициент концентрации вычислялся по формуле

где а^ и сй- ~ соответственно максимальное и номинальное напряжение.

Значения коэффициентов концентрации напряжений, полученные по Нейберу и МКЭ, практически одинаковые. Расхождение не превышает 1,5%.

Испытание образцов проводилось до разрушения растягивающим усилием на разрывной машине УМЭ-ЮТМ. Используемые для исследования измерительные комплексы и испытательная база аккредитованы Госстандартом России.

Испытания образцов из каждой марки стали проводились при температурах 20, 100, 200 и 300 °С и двух скоростях деформации 3-10"4 с'1 и 3-10"1 с"1,

* При растяжении надрезанных образцов скорость деформации будет непостоянной по любому сечению вьггочки из-за неоднородно-

сти деформированного состояния. Поэтому для этих образцов можно говорить только о осредненном значении б. В данном случае под скоростью деформации понималось осредненное значение, а размер базы лринимался равным длине выточке, что оказалось оправданным, так как эксперимент показал наличие остаточных деформаций после разрушения образцов только в районе радраза. .

Деформация до разрушения е^ оценивалась величиной истинного сужения площади поперечного сечения образца, которая определялась по формуле

- . '' ....... <9)

где г0(Рж ) - начальная (конечная при разрьтс) площадь поперечного

сечения образца. '....... "

"-Димраммы- предельной- пластичности строшшсь^в координатах ^е^-П , где среднее значание параметра ОНС вычислялось по формуле (9). В дальнейшем индекс "среднее" опускался, однако под П на всех ¡[рафиках к зависимостях, полученных при испытании образцов, следует понимать Пср.

Чувствительность предельной пластичности сталей к ОНС оценивалась с помощь параметра ж^ , который вычислялся по формуле

П2-П1

<Ю)

где еч,!, П, и ец,а, П2 - истинная предельная пластичность и показатель ОНС соответственно в любых двух несовпадающих точках на диаграммах пластичности.

На гладких образцах дополнительно определялось истинное удлинение

-------------------:.......еа.=1п£->—...........................01).

где Ц^) - начальная (конечная при разрыве) длина базы боразца.

Величина предельной равномерной деформации е^ вычислялась пб формуле (9), в которой вместо подставлялось значение площади поперечного сечения равномерно деформированной части гладкого образца.

Согласно работ М.Дж.Мэнджойна, Н. П. Дмитриева, А,М.Шнейберга, В.Н.Дубинского, В.А.Скудного, Т.П.Мадяновой и Л.Д.Соколова истинная равномерная деформация равна показателю деформационного упрочнения А. Поэтому принималось £4/р=А.

Измерение геометрических размеров образцов до и после испытаний производилось на универсальном измерительном микроскопе УЙМ-21 (цена деления 0,001 мм) .

При испытании на растяжение получены также пределы прочности гладких образцов, которые определялись согласно ГОСТ 1497-84. Для надрезанных образцов условный предел прочности (по подобию гладких образцов) вычислялся по формуле

= ^ , (12)

1 о

где Рти - максимальное растягивающее усилие,

-начальная площадь образца в минимальном сечении.

С целью получения критических значений параметра ОНС для исследуемых конструкционных сталей определялись величины Е, О и 5.1 при температурах 20, 100, 200 и 300 °С Динамическим методом.

В заключение оценивалась точность эксперимента. Максимальные относительные ошибки вычислялись по стандартным методикам как' дифференциал натурального логарифма исследуемых величин. . , ., ■

Третья глава посвящена расчетно-экспериментальному анализу результатов эксперимента.

Из полученных диаграмм предельной пластичности следует, что с ростом ОНО происходит снижение пластических свойств материалов. В то же время наблюдается увеличение значений предела прочности с". На диаграммах ^е^-П сталей 20, 40Х, 25ХШФ, 15Х2МФА и 15Х2НМФА наблюдаются участки'сильного и слабого., снижения пластических свойств с ростом ОНС. Точки перегиба, соответствующие моменту перехода от одного участка к другому, для этих сталей находятся в области изменения параметр?гП от 2,4 до 2,6.

Значения П=ПК0, соответствующие перегибу на диаграммах пластичности, можно обосновать, исходя из энергетических условий деформирования. Критические значения показателя ОНС, вычисленные согласно формулы (3) по полученным' динамическим методом значениям Е, в и (.1, подтверждают наличие точек перегиба, отражающих момент хрупко-вязкого перехода, на диаграммах пластичности сталей 20', 40Х, 25Х1МФ, 15Х2МФА и 15Х2НМФА в исследуемом интервале изменения П (1< ГШ,65), ^ак как величина Пкр меньше значения параметра ОНС, соответствующего верхней транше данного диапазона. Отсутствие точек перегиба на диаграммах предельной пластичности других статей объясняется тем, что для них Пкр^-65. .

Снижение пластических свойств сталей с ростом ОНС объясняется изменением соотношения между нормальными, вызывающими хрупкое разрушение, и касательными, способствующими возникновению пластических деформаций, напряжений в пользу первых и, как

следствие этого, перераспределением между энергиями, идущей на -----------

увеличения объема и вызывающей изменение формы.

Полученные результату, экспериментальных исследований объясняются данными упругопластического расчета напряженно-деформированного состояния используемых при испытаниях образцов. ' ■ " ' • /

Упругий расчет показал, что только у образцов с надрезом радиусом-1-мм в вершине наблюдаются области, где параметр ОНС превосходит Пкр. Рост нагрузки в упругой области не влияет на характер и величину показателя П. Характер распределения напряжений в упругой области также не зависит от величины, нагрузки.

Возникновение и развитие пластических деформаций приводит к перераспределению напряжений в образцах, но изменение характера распределения показателя ОНС наблюдается только у образца с надрезом радиусом 2 мм. У остальных он не претерпел существенных изменений.

' Характер развития зон пластических деформаций при увеличении приложенной нагрузки зависит от напряженного состояния. В -образцах с пологими вьггочками равно 6 и 3 мм), у которых при развитии пластических деформаций показатель ОНС остается меньше Пкр, зона распространяется по минимальному сеченшо. В образцах, где параметр П был (Ка=1 мм) или становится с развитием пластических деформаций (Яо=2 мм) больше Пкр происходит образование упругопластического ядра. Причем в упругом ядре значение показателя -ОНС превосходит хритическую величин Полученные расчетные результаты о распространении зон

плавтачсских деформаций а"' образцах" с'" пологами "и "острыми........

надрезами хорошо согласуются с экспериментальными данными. Скорость распространения зон пластических деформаций по ~ минимальному сечению образца уменьшается с ростом степени ОНС.

I Образовавшееся в образцах с острыми надрезами упругое ядро сдерживает развитие пластических деформаций по минимальному сечению, а также препятствует перемещению области действия максимальных напряжений, способствующих зарождению трещин, к центральной оси. Этим объясняются экспериментально полученные ' " данные о возникновении трещин в таких образцах из материалов ма-

лой и средней пластичности вблизи вершины надреза. Образцы с пологими выточками начинают разрушатся в центре минимального сечения. '

Снижение предельной пластичности с ростом ОНС объясняется с помощью экспериментально установленного факта, что истинное сопротивление отрыву, определяемое по формуле

Рк

' (13)

где Рк и FK - соответственно действующее усилие- и площадь минимального сечения образца в момент разрыва, имеет практически одинаковую величину независимо от начальной геометрии надреза. При сравнении степени развития пластических деформаций по минимальному сечению различных образцов при одинаковом значении среднего по минимальному сечению напряжения оср!1 обнаруживается тенденция ее снижения с ростом остроты надреза. Отсюда следует, что к моменту разрушения, присходящему при одних И тех же значениях истинных напряжений SK, величина накопленной предельной пластической деформации в надрезанных образцах уменьшается с ростом ОНС.

Из расчета ' цилиндрических образцов с кольцевыми надрезами видно, что величина стср и ее изменение с увеличением действующего усилия зависит от соотношения осевых напряжений сг, возникающих в зонах упругой (с$) и пластической (а?) деформаций, так как

(т ä. \

| a£rdr+ j cj"rdr , (14)

где rr - координаты границы между упругой и пластической областями,

d - диаметр минимального сечения образца. Рост az при увеличении нагрузки в зоне упругих деформаций происходит быстрее, чем пластических.

Увеличение ОНС в надрезанных образцах .оказывает сдерживающее на распространение пластических деформаций влияние, что приводит согласно (14) к увеличению сср за счет превалирования и интенсивного роста <з\. Этим объясняются полученные зависимости с" от параметра П.

Учитывая, что в надрезанных образцах, кроме ОНС, возникает в вершине надрезов концентрация напряжений, оценивалось влияние каждого из этих факторов на предельную пластичность

_ _2я

°ср ^

Скижение пластических свойств сталей с ростом ОНС объясняется изменением соотношения между нормальными, вызывающими хрупкое разрушение, и касательными, способствующими возникновению пластических деформаций, напряжений в пользу первых и, как

следствие этого, перераспределением между энергиями, идущей на ------------"

увеличения объема и вызывающей изменение формы.

...... . Полученные., результату . экспериментальных исследований -

объясняются данными унругопластического расчета напряженно-деформированного состояния используемых при испытаниях образ -• цов. .•"'.'" ■ - ■ •• --..-• г ........... _..........- - г.

Упругий расчет показал, что только у образцов с надрезом радиусом 1мм-в вершине наблюдаются области, где параметр ОНС , превосходит П^,. Рост нафузки в упругой области не влияет на '

характер й величину показателя П. Характер распределения напряжений в упругой области также не зависит от величины нафузки.

Возникновение и развитие пластических деформаций приводит к перераспределению напряжений в образцах, но изменение характера распределения показателя ОНС наблюдается только у образца с надрезом радиусом 2 мм. У остальных он не претерпел существенных изменений.

Характер развития зон пластических деформаций при увели- •'Чении"приложенной-нагрузки завиеэт от напряжмшого состояния. В - -образцах с пологими вьтгочками (Я0 равно 6 и 3 мм), у которых при развитии пластических деформаций показатель ОНС остается меньше Пкр, зона распространяется по минимальному сечению. В образцах, где параметр П был (К0=1 мм) или становится с развитием •пластических деформаций (1^=2 мм) больше Пкр происходит образование упругопластического ядра. Причем в упругом ядре значение показателя -ОНС превосходит критическую величину. Полученные расчетные результаты о распространении зон

~ обраэдюГ'"с~подогами й" острыми надрезами хорошо согласуются„ с экспериментальными данными. Скорость .распространения зон пластических деформаций по минимальному сечению образца уменьшается с ростом степени ОНС. --------------

Образовавшееся в образцах с острыми надрезами упругое ядро сдерживает развитие пластических деформаций по минимальному сечению, а также препятствует перемещению области действия максимальных напряжений, способствующих зарождению трещин, к центральной оси. Этим объясняются экспериментально полученные данные о возникновении трещин в таких образцах из материалов ма-

лой и средней пластичности вблизи вершины надреза. Образцы с пологими выточками начинают разрушатся в центре минимального сечения.

Снижение предельной пластичности, е^ с ростом ОНС объясняется с помощью экспериментально установленного факта, что

истинное сопротивление отрыву, определяемое по формуле -

' <»>

где Рк и Рк - соответственно действующее усилии. и площадь минимального сечения образца в момент разрыва, имеет практически одинаковую величину независимо от начальной геометрии надреза. При сравнении степени развития пластических деформаций по минимальному сечению различных образцов при одинаковом значении среднего по минимальному сечению напряжения оср, обнаруживается тенденция ее снижения с ростом остроты надреза Отсюда следует, что к моменту разрушения, присходящему при одних и тех же значениях истинных напряжений Бк, величина накопленной предельной пластической деформации в надрезанных образцах уменьшается с ростом' ОНС.

Из расчета цилиндрических образцов с кольцевыми надрезами ввдно, что величина сср и ее изменение с увеличением действующего усилия зависит от соотношения осевых напряжений с2, возникающих в зонах упругой (с$) и пластической (а") деформаций, так как

( ■ . £ ■ ^ о г,

°ср И,

(14)

где гг - координаты границы между упругой и пластической областями,

<1 - диаметр минимального сечения образца. Рост стг при увеличении нагрузки в зоне упругих деформаций происходит быстрее, чем пластических.

Увеличение ОНС в надрезанных образцах .оказывает сдерживающее на распространение v пластических деформаций влияние, что приводит согласно (14) к увеличению <тср за счет превалирования и интенсивного роста Этим объясняются полученные зависимости а" от параметра П.

Учитывая, что в надрезанных образцах, кроме ОНС, возникает в вершине надрезов концентрация напряжений, оценивалось влияние каждого из этих факторов на предельную пластичность

конструкцйонных материалов. С этой целью для сталей 45 и 25Х1МФ проводились дополнительные испытания образцов с одинаковым значением К^ но разной величиной параметра П. Из полученных результатов следует, что предельная пластичность и предел прочности а"завнсят только от степени ОНС, концентрация напряжений ^ определяет начало возникновения пластических деформаций. От ОНС •зависит ' яаратстер _ и степень ее развития. Проведенный упруго-, пластический расчет подтверждает достоверность данного объяснения.

Проведенные исследования позволили установить связь между чувствительностью сталей к ОНС, оцениваемой с помощью"' вычисляемого по формуле (11) параметра л (1, и пластическими

* характеристиками, полученными на стандартных образцах,-.......................

,.Эетпер1ше||т^.дюказал,^„^._на1Йольп!ая корреляция я наблюдается с величшгой показателя деформационного уп^чнёнйяА, '*'"' равного истинному равномерному сужению. В этом случае зависимость между и Е^р, полученная при обработке экспериментальных результатов методом наименьших квадратов, имеет вид

я¥ =0,0558$®" • • (15)

Аналогичная зависимость получена между л^ и истинным удлинением гладких образцов, однако разброс результатов в этом . .случае больше, что объясняется наличием доли сосредоточенной

деформации при определении н5: . ' "" " ~..............-......... -

^ =0,0428^013 . (16)

Корреляции между л^ и е^ не наблюдается. Из построенных зависимостей предельной пластичности е^ и предела прочности а" от температуры I при различных степенях ОНС следует, что общие закономерности температурной и скоростной зависимостей как для предельной деформации е^, так и для предела прочности о" сохраняются при различных напряженных состояниях.

"...........Усталей~20,- 22Кг45,-40Х--И- 25Х1МФ -имеются "провалы",........

"пластичности. С увеличением скорости деформации в . "провалы" ......

смещаются в сторону высоких температур.

— ---------------Провал пластичности в данном щггервале.температур.связан^с_________

деформационным старением сталей, для объяснения которого привлекаются- представления о взаимодействии атомов С и* N.. растзоренных по способу' внедрения, с дислокациями; Смещение, "провалов" пластичности в область более высоких температур' с:

увеличением-скорости- деформации- вызвано-, тем^-чаю; в; случае-..... „

повышенных значений е образование эффективны® атмосфер» ,. — Котгрелла может происходить только при достаточно' высокой! темпе-

ратуре, обуславливающей необходимую диффузионную подвижность примесных атомов.

С ростом ОНС "провалы" пластичности при температурах деформационного старения становятся шире и глубже.

Для значений о" сталей 20, 22К, 45, 40Х и 25Х1МФ наблюдаются "горбы" деформационного старения. Увеличение скорости деформации вызывает смещение "горбов" деформационного старения в сторону высоких температур. С ростом ОНС зависимость прочностных свойств этих сталей от I усиливается.

Характер изменения пластических и прочностных свойств, перечисленных выше сталей при различных значениях параметра П от I объясняется тем,' что на материал воздействуют два фактора -, температура и ОНС. Снижение предельной пластичности,при температурах деформационного старения усиливается за счет увеличения степени ОНС, приводящей к дополнительному уменьшению пластических свойств. Эти же факты способствуют увеличению с" в "горбах" деформационного старения с ростом параметра П.

У сталей 25Х2МФА, 15Х2НМФА, ХН35ВТ и 0Х20Н46Б пластические свойства в исследуемом диапазоне температур зависят только от степени ОНС. В то же время прочностные характеристики этих сталей чувствительны к воздействию обоих факторов. ,

Стали 12Х18Н10Т и 12Х18Н9, обладающие малой чувствительностью к ОНС, имеют практически одинаковую зависимость изменения значений е^, а также с" с увеличением температуры при различных значениях параметра П. Причиной такого обстоятельства является высокая пластичность этих сталей для исследуемых степеней ■ ОНС. ■ . .

На основании , проведенного исследования предложена методика прогнозирования траектории распространения трещины, основанная на анализе .характера распределения напряжений и параметра х ОНС, полученных при упругом расчете, заключающаяся в следующем. Сначала устанавливается район действия максимального по величине напряжения о,. Затем из этого места строится кривая в {_ - -сторону П,^. При этом кривая должна проходить по зонам с наибольшей ОНС. В области убывающей многоосности "напряженного состояния траектория также проводится по принципу, что из всевозможных направлений нужно выбирать такое, где значение параметра П в данном месте имеет наибольшее значение.

Сравнение вица таломов разрушенных статической нагрузкой образцов с определенными по предлагаемой методике траекториями

их разрушения показало совпадение фактической и предсказанной траектории трети'ш в области' разрушения отрывом. Расхождение наблюдалось только в зоне разрушения сдвигом, что связано с точность определения места зарождения трещины. При высокой ОНС трещина образуется ближе к вершине надреза и, следовательно, — --.-.-достоверность прогноза траектории трещины возрастает, так как доля хрупкой составляющей в изломе образцов увеличивается. -■'.-•

Данный метод применим как при статическом} так и

циклическом нагружениях .. . ................ ■

Четвертая глава посвящена применению полученных в работе _____результатов к решению практических зада ч по обеспечению прочности конструкций.-

Установлено, что причиной хрупкого разрушения плоскою образца для внецентренного растяжения является сближение зон с" высокой концентрацией напряжений и степенью ОНС при росте трещины. Характер распределения показателя ОНС в неразрушенной части образца практически не меняется, оставаясь примерно таким же, как и в бездефектном образце. При длине усталостной трещины равной 0,5Н (Н • - ширина образца) наблюдается минимальное расстояние между зоной концентрации напряжений и областью высокой ОНС (П»Пкр).

На рис.2 приведены результаты расчета сварного соединения - .....

крышки с корпусом сосуда высокого давления, особенностью которого является присутствие в корне сварного шва техколопяс-ского непровара, который служит концентратором напряжений. Сплошными линиями обозначены изолинии параметра П, а штрих. пунктирными - главные напряжения а,. Фактическое направление развития трещины показано штриховой линией.

Из приведенных на рис.2 результатов видно, что усталостная трещина развивалась по районам с наибольшей , ОНС, Это является доказательством-достоверности положенных в основу предлагаемой методики положений, а также указывает на ее работоспособность. - --------- ------Учитывая,-что технологический непровар увеличивает вероятность хрупкого разрушения, предлагалось несколько вариантов конструктивного изменения района сварного соедшгения с целью снижения уровня напряжений в корне сварного шва. Рекомендовалось использовать разгружающие выточки различного профиля. ' -7" Предлагается- для увеличения ресурса, трубопроводов, работающих под внутренним давлением, в случае образования дефсетов ______использовать одетые с натягом бандажи, созлающие поле сжимающих

непряжений (П>0) в трубах при отсутствии гидравлической нагрузки. . Экспериментально установлено, что при сжимающем напряженном состоянии не происходит образование и развитая трещин.

й заключении приводятся основные результаты работа, • шрорые состоят в следующем:

Шолучены зависимости пластических и прочностных свойств конструкционных сталей, применяемых в атомном машиностроении, при температурах 20, 100, 200 и 300 °С и скоростях деформации З-Ю'^с"1 и З-ДО^с"1 от ОНС (1 ¿Ш2,65) в области действия растягивающих напряжений.

2.Аиализ поведения механических характеристик конструкционных сталей от температуры и скорости деформации при разных степенях ОНС показал, что общие закономерности температурной и скоростной' зависимостей пластических и прочностных свойств / сохра"яются для различных напряженных состояний. Однако при

.¡сохой ОНС эта зависимости проявляются сильнее.

3.Исследования различных классов конструкционных сталей позволили установить общую функциональную зависимость между параметрами чувствительности предельной пластичности я^ к ОНС, полученными из диаграмм Ige -П, и. пластическими характеристиками (показателем деформационного упрочнения А и истинным удлинением е6), определенными при испытании гостированных образцов на растяжение.------ • г -............. . ............. . .........

4. На основании анализа распространения параметра П и главного напряжения Oj в местах разрушения надрезанных образцов предложена методика прогнозирования направления развития трещины по результатам упругого расчета. Ее основой служит положение, что характер распределения показателя ОНС не меняется _ . сг возникновением и развитием пластических деформаций, а также при образовании и распространении трёщшш.'^ Методика" была" апробирована экспериментально при статических и циклических испытаниях образцов и конструкций и показала хорошие результаты.

5.Проведен анализ причин хрупкого разрушения образца для внецентренного растяжения, выбрана оптимальная конструкция узла сварного соединения крышки с корпусом за счет совместного учета уровня напряжений и ОНС в нем, а также рассмотрена возможность увеличения ресурса трубопроводов в случае образования внутренних,

' "~дс*фёкговГ ........................ ".......... ...................... ■■ - -..........

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1.Гагарин Ю.А., Пичков С.Н., Скуднов В.А., Соколов Л.Д. О влиянии характера напряженного состояния на пластичность и разрушение конструкционных сталей// Проблемы прочности. 1978. N6. С.70-75.

............... 2.Гагарин Ю.А., Пичков С.Н., Соколов Л.Д. Влияние

температуры, скорости деформации, напряженного состояния на пластичность углеродистых сталей// Физико-химическая механика _ материалов. 1977. С. 107-108.

3.Гагарин Ю.А., Да11шшн В В., ПичковСН., Шеряков С.Д: Исследование деформирования образцов с выточками методом акустической эмиссии// Физико-химическая механика материалов. ■ 1980. N3. С.120-122.

4.Гагарин Ю.А., Пичков С.Н. О связи наклона диаграмм предельной пластичности с показателями деформационного упрочнения// Прикладные проблемы прочности и пластичности. Методы

решения: Всесоюз. межвуз. сб./Горьк.ун-т. Горький. 1990. Вьш.44. С.ИЗ-117.

5.Татарии Ю.А., Пичкав С.Н. Прогнозирование направления распространения трещины в конструкциях по результатам упругого расчета// Прикладные проблемы прочности и пластичности. Методы решения: Всесоюз. межвуз. сб./Н.Новг.ун-т. Н.Новгород. 1992. Вып.30. С.99-103.

Зак. № Зд7 Тир. 100 экз.