Оцінка деформаційних параметрів статичної тріщиностійкості середньо- та низькоміцних сталей

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Національна академія наук України

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

«Оцінка деформаційних параметрів статичної тріщиностійкості середньо-та низько міцних сталей»

Штаюра Степан Теодорович

Львів -2000

Вступ

Актуальність теми. Підвищення вимог до надійності та зниження металоємності відповідальних деталей машин і елементів конструкцій в нафтопереробній промисловості, енергетиці, авіації й інших галузях народного господарства зумовлені їх роботою в екстремальних силових, температурних і деформаційних умовах. Оцінка міцності та ресурсу роботи корпусів енергетичних апаратів, посудин тиску, роторів і корпусів турбомашин проводиться на стадіях проектування, виготовлення та експлуатації з урахуванням різних факторів як конструктивного, так і технологічного характеру. Розрахунки на міцність базуються на класичних критеріях міцності чи методах лінійної механіки руйнування, в основу якої покладена концепція коефіцієнтів інтенсивності напружень (КІН), які визначають напружено-деформований стан (НДС) у вершині тріщини з малою протяжністю пластичних зон.

Для деталей згаданих конструкцій, які працюють у складних режимах роботи, застосовують середньо та низько міцні сталі (Т = 200-1300 МПа). Руйнування таких матеріалів супроводжується значними пластичними деформаціями у вершині тріщини, аж до поширення їх на весь переріз зразка чи конструкції, а руйнуючі напруження можуть дорівнювати границі текучості або перевищувати її. Застосування рівнянь і критеріїв лінійної механіки руйнування для визначення НДС в таких випадках є недостатньо коректним.

Більш ефективними для вивчення процесів руйнування елементів конструкцій із сталей низької та середньої міцності є підходи нелінійної механіки руйнування, зокрема концепція критичного розкриття тріщини (КРТ), в основу якої покладено деформаційний критерій руйнування тіл з тріщинами. Критерію КРТ притаманне врахування пластичної зони, а розкриття тріщини є характеристикою пластичної деформації в її вершині і особливостей процесу руйнування. Найбільш відомою моделлю при розрахунках на міцність пружно-пластичних матеріалів є c - модель Лєонова-Панасюка, яка передбачає експериментальне визначення критичного розкриття вершини тріщини 1с та напружень зчеплення 0.

Відомі в літературі методики експериментального визначення деформаційної характеристики 1с досить часто є наближеними, складними в реалізації і не гарантують точності й достовірності результатів за створеними на їх основі інженерними методами розрахунку. Дослідження потребує також питання стосовно напружень зчеплення 0 і їх інваріантності для різних силових схем.

У цьому зв'язку вивчення деформаційних критеріїв для розрахунку міцності і довговічності елементів конструкцій і розробка відповідних методологічних підходів проведення експериментальних досліджень для коректного визначення параметрів цих критеріїв для вказаного класу сталей є досить актуальним.

Зв'язок з науковими темами. Наукові результати, які склали основу дисертації, отримані здобувачем як виконавцем бюджетних тем Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України “Дослідження властивостей неоднорідних матеріалів і їх зварних з'єднань чинити опір руйнуванню при нестаціонарних навантаженнях” (№ 0194U012288) та “Розробка методів оцінки тріщиностійкості і довговічності конструкційних матеріалів при динамічному і циклічному навантаженнях (№ 0197U018136)”.

Мета дослідження полягає в розробці експериментально-аналітичного підходу для визначення достовірних значень деформаційних характеристик статичної тріщиностійкості середньо та низько міцних сталей, оцінці впливу силових схем навантаження, масштабного фактору, термообробки і робочих температур цих матеріалів на критичне розкриття тріщини 1с і напруження зчеплення 0 в рамках відомих моделей для коректного прогнозування міцності деталей машин.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі завдання:

1. Теоретично обґрунтувати вибір комплексу методів експериментальних досліджень і застосування деформаційних критеріїв відомих моделей процесу руйнування для визначення достовірних параметрів статичної тріщиностійкості.

2. Розробити теоретично обґрунтовану методику для експериментального визначення критичного розкриття вершини тріщини, яка дозволила би встановити вплив на розкриття різних факторів (точок вимірювання зміщень берегів, пружної і пластичної складової зміщень, коефіцієнту повороту поверхонь тріщини).

3. Розробити методики і встановити аналітичні залежності для визначення модельних напружень в рамках традиційної механіки матеріалів і напружень зчеплення в рамках нелінійної механіки руйнування та для апробації критеріїв руйнування узагальненої c-моделі на випадок урахування розпушеної зони.

4. Провести дослідження в рамках запропонованої методології для визначення деформаційних характеристик статичної тріщиностійкості середньо і низько міцних сталей (40Х, Ст3сп, сталь20, 09Г2С, 10ХСНД) і впливу на них різних факторів.

5. Прогнозування міцності деталей машин на основі достовірно визначених параметрів деформаційних моделей.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження проводились на основі сучасних методів механіки руйнування: для визначення розкриття вершини тріщини в тілах скінчених розмірів застосовували методи граничної інтерполяції, еквівалентних станів та еквівалентних напружених станів. Експериментальні дослідження для визначення деформаційних параметрів і перевірки теоретичних положень моделей руйнування проводили на основі методу тензометрії, відомих, а також запропонованих в даній роботі методик по визначенню механічних характеристик, силових і деформаційних параметрів. Це дозволило, разом із використанням комплексу сучасних машин, отримати високу точність і достовірність результатів експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів. Запропоновано новий експериментально-аналітичний підхід для визначення коректних значень деформаційних характеристик статичної тріщиностійкості середньо та низько міцних сталей. На основі цього отримано аналітичні залежності для визначення напружень зчеплення в зоні перед руйнування і вперше експериментально обґрунтовано їх зв'язок із стандартними механічними характеристиками. Встановлено вплив силової схеми навантаження, товщини зразка та температури відпуску на напруження зчеплення. Уточнено формулу стандарту для розрахунку розкриття вершини тріщини. Розроблено деформаційний критерій локального руйнування крихких тіл із щілинами, який базується на основі повної діаграми деформування і дає достовірні результати як для щілин, так і для тріщин. Для сталі 40Х із різними ступенями термообробки отримано характеристики узагальненої деформаційної с-моделі, побудованої на основі повної діаграми деформування із врахуванням зони розпушення перед вершиною тріщини.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, отриманих результатів і висновків забезпечується строгістю постановки; застосованими математичними методами і фізичною обґрунтованістю моделей руйнування; задовільним співпадінням, отриманих різними методами теоретичних результатів інших авторів та даних цієї роботи; повторюваністю результатів для різних силових схем, отриманих за різними методами; метрологічним контролем і використанням стандартизованих методик.

Наукове значення роботи. Отримані достовірні і обґрунтовані наукові положення мають важливе значення для побудови загальної теорії міцності високо пластичних матеріалів з тріщинами, а також виготовлених із них елементів конструкцій.

Практичне значення отриманих результатів. Запропонований методологічний підхід дозволяє визначити достовірні значення характеристик статичної тріщиностійкості (1с, 0) для різних силових схем навантаження. Встановлено, що напруження зчеплення із задовільною точністю можна приймати як середнє значення напружень текучості та істинних напружень розриву, визначених із діаграми деформування, незалежно від силової схеми навантаження, температури відпуску і товщини зразка. Отримані результати досліджень мають важливе практичне значення при прогнозуванні міцності елементів конструкцій як на стадії тріщиноутворення, так і для гранично рівноважного стану. Запропонований підхід і розроблені методики досліджень впроваджено у навчальний процес у Державному університеті "Львівська політехніка".

деформаційний статичний тріщиностійкість сталь

1. Основні положення механіки руйнування при статичному навантаженні пружно-пластичних тіл

Особливу увагу приділено підходам нелінійної механіки руйнування, зокрема концепції критичного розкриття тріщини, в основу якої покладено деформаційний критерій руйнування тіл із тріщинами; показано переваги цих підходів. Проведено оцінку наближених методів визначення деформаційних параметрів с-моделі обмежених тіл з тріщинами при статичному навантаженні. Вказано на їх недостатню точність та складність в реалізації і проаналізовано недоліки і обмеження при застосуванні існуючих експериментальних методик для визначення критичного розкриття в вершині тріщини. Зроблено аналіз застосування параметру сил зчеплення 0 c- моделі для пружно-пластичних матеріалів. На основі цього аналізу у відповідності з метою сформульовано задачі досліджень і методи їх реалізації.

2. Особливості експериментально-аналітичного підходу для коректного визначення деформаційних параметрів 1с і 0

Описано методики, вказано обладнання, методи і засоби реалізації силових схем та вимірювання зміщень берегів тріщин. Приведено теоретичне обґрунтування запропонованого підходу та подано характеристики матеріалів і схеми навантажень зразків.

Експериментально-аналітичний підхід реалізується в рамках с-моделі і деформаційної моделі, що представляє собою узагальнення с-моделі на випадок урахування розпушеної зони dc біля вершини тріщини поряд з пластичною зоною dl. Він включає в себе комплекс методів експериментальних досліджень, починаючи з вибору матеріалу, технології підготовки зразків, визначення механічних характеристик, і закінчується розрахунками силових, деформаційних параметрів та аналізом одержаних результатів. Невід'ємною складовою частиною методології експериментальних досліджень є теоретичне обґрунтування деформаційних критеріїв, характерних для них параметрів і методів їх визначення.

З метою зменшення негативного впливу суб'єктивних факторів на кінцеві результати досліджень на першому етапі реалізації запропонованого підходу проведено повний цикл досліджень для визначення механічних характеристик матеріалів. Для цього зразки для всіх видів досліджень виготовлено з однієї заготовки і піддано сумісній термообробці.

На другому етапі реалізації розроблено теоретично обґрунтовану методику для експериментального визначення критичного розкриття вершини тріщини для силових схем розтягу смуги та згину балки з боковою тріщиною. Проведено аналіз експериментально визначених характеристик і порівняно їх із результатами, отриманими за емпіричними залежностями.

На основі аналізу і синтезу емпіричних формул для розрахунку напружень зчеплення 0 запропоновано теоретично обґрунтовану методику для їх визначення як в рамках традиційної механіки матеріалів із використанням модельної та істинної діаграм розтягу циліндричного зразка, так і в рамках нелінійної механіки руйнування для різних силових схем. Встановлено інваріантність параметру 0 для різних силових схем, різних товщин зразків; залежність 0 від зміни механічних характеристик, термообробки та інших факторів, що є наступним етапом реалізації запропонованого підходу. На останньому етапі реалізації методології експериментальних досліджень запропоновано методику розрахунку параметрів узагальненої деформаційної моделі. Вона включає експериментальне визначення розкриття вершини тріщини за методикою другого етапу і визначення довжини пластичної зони методом вимірювання мікротвердості матеріалу перед її вершиною, а також розрахунок параметрів моделі як для гранично рівноважного, так і для довільного стану.

У підсумку проведено апробацію відомих моделей процесу руйнування, зроблено аналіз отриманих результатів на предмет їх достовірності, встановлено залежність руйнування від різних факторів, що дозволило коректно прогнозувати міцність елементів конструкцій.

Досліджено конструкційну, гартовану в маслі і відпущену при різних температурах на повітрі, сталь 40X, а також вуглецеві та низьколеговані сталі СтЗсп, сталь 20, 09Г2С, 10ХСНД і SТ38В2 (німецька сталь - аналог Ст3сп) в стані поставки. Характеристики міцності і пластичності визначали розтягом десятикратних циліндричних зразків за удосконаленою методикою із застосуванням спеціальних пристосувань для вимірювання видовження і звуження шийки зразків.

Згідно запропонованого підходу за розробленими методиками визначали при кімнатній температурі силові (K1c, Kc) і деформаційні (- для початку утворення зони розпушення і максимального зусилля відповідно) характеристики матеріалів при дослідженні призматичних зразків товщиною t = 5, 10, 20 мм за силовими схемами триточкового згину балки та розтягу смуги з боковою втомною тріщиною відносної довжини = 0,5. Для реалізації силових схем при статичних випробуваннях застосовано універсальний випробувальний комплекс на базі розривної машини FР - 100.

3. Визначення критичного розкриття вершини тріщини та напруження зчеплення 0 для сталі 40Х

Приведено результати досліджень і аналіз температурних залежностей механічних характеристик (Т, В), характеристик пластичності () та статичної тріщиностійкості (Kc, c) досліджуваних сталей СтЗсп, сталі 20, 10ХСНД, 09Г2С, ST38В2 і їх зварних з'єднань в області низьких температур 293-203К.

Розрахунки розкриття тріщин проведені на підставі емпіричних формул (1-3) з використанням зміщень берегів тріщини, виміряних в трьох різних точках вздовж її довжини (V2, V3, V4), а також безпосередньо в її вершині:

,

,

,

де b - висота зразка; l0 - довжина тріщини; r - коефіцієнт повороту; a2, а3, а4, V2, V3,V4 - координати точок вимірювання зміщень берегів тріщини та самі зміщення; Kс- критичний коефіцієнт інтенсивності напружень при максимальному зусиллі; Т - напруження текучості; - пластична складова зміщення V2; - коефіцієнт Пуассона; Е - модуль Юнга.

На підставі розрахунків за цими формулами для силової схеми триточкового згину високо відпущених (Тв = 873 К) балкових зразків, товщиною t = 10 мм з відносною довжиною тріщини = 0,5 у всьому діапазоні прикладених навантажень, виявлено значне розсіювання результатів. Найбільші значення розкриття отримано за формулою при використанні зміщення V2, виміряного на віддалі від вершини, що дорівнює l0, а найменші - за зміщеннями V4, виміряними біля вершини, що наближено дорівнює безпосередньо виміряному розкриттю. Показано, що зростання коефіцієнту повороту від 0,3 до 0,5 при розрахунках за формулами призводить до збільшення величини розкриття. При розрахунку пластичного розкриття за вказаними формулами із застосуванням лише пластичної складової зміщень V2, V3, V4 отримано збіжні результати незалежно від коефіцієнту повороту та місця установки давачів. При цьому розкид результатів розрахунків складає лише 10% на ділянці пружно-пластичного деформування. Він зменшується до 4% при максимальному зусиллі і мало відрізняється від експериментально отриманої пластичної складової розкриття вершини тріщини.

Аналіз розрахунків за даними формулами показує, що значний розкид розкрить зумовлений пружними складовими зміщень і зміною точок їх вимірювань (порушується гіпотеза про нескривлюваність берегів тріщини). Доведено, що пластична складова розкриття вершини тріщини, розрахована за пластичними складовими відповідних зміщень за формулами, слабо залежить від місця їх вимірювання і коефіцієнту повороту.

На основі аналізу впливу розглянутих факторів на розраховані значення розкрить вершини тріщини, порівняння їх із експериментально отриманими розкриттями, а також із врахуванням результатів визначення 0, запропоновано уточнення формули стандарту для визначення розкриття вершини тріщини при згинанні балки. Формула при цьому набуває наступного вигляду:

.

У пластичній складовій формули рекомендовано використовувати пластичне зміщення , виміряне на відстані 1 мм від вершини, а коефіцієнт повороту приймати як функцію прикладених напружень і напружень текучості. В пружній складовій для 0 використано середнє значення суми (Т + SК), яке визначено за методикою, описаною в наступному розділі. Апроксимація експериментальних значень розкриття вершини тріщини за даною формулою дає задовільні результати.

Показано, що при зниженні температури відпуску зразків, поряд із зростанням міцності, зниженням пластичності і коефіцієнту інтенсивності напружень, спостерігається зменшення критичного розкриття вершини тріщини. Аналогічні результати отримано і при зміні товщини зразка.

Результати розрахунків розкриття вершини тріщини за формулою с- моделі при 0, що дорівнює (ТSК), відрізняються від експериментальних розкрить в 2-2,5 рази у всьому діапазоні прикладених напружень. Для визначення коректної величини напружень зчеплення 0 запропоновано відповідну методику, яку апробовано на призматичних зразках з боковою тріщиною, досліджених за силовою схемою розтягу смуги. Розкриття вершини тріщини визначено за методикою запропонованого підходу. Використавши узагальнену задачу Гріфітса і скориставшись методом еквівалентних напружених станів, одержали формулу для визначення розкриття вершини тріщини при розтягуванні смуги:

,

де () - функція, яка враховує геометрію зразка і відносну довжину тріщини .

Підставивши в формулу експериментальні дані розкриття і прикладеного напруження , визначили параметр і динаміку його зміни для кожного моменту навантаження. Встановлено, що величина зростає при збільшенні прикладених навантажень і досягає значення = соnst на момент першого перегину кривої - , що відповідає п'ятипроцентній січній кривої деформування Р-V. При подальшому зростанні прикладеного навантаження на кривій спостерігається другий перегин при напруженнях = 400 МПа.

Цікавим є те, що після другого перегину напруження спадають і при максимальному зусиллі є меншими границі текучості. Аналогічні якісні результати отримано і для триточкового згину балки із сталі 40Х з високим відпуском (TВ = 873К).

Дослідження на зразках з низькими температурами відпуску (TВ = 473К, 673К) призводить до дещо іншої якісної залежності - . Зокрема, завдяки значно меншій пластичній зоні у вершині тріщини, на діаграмі спостерігається лише одна точка перегину, яка відповідає точці Q (5% січна), після чого напруження спадають до досягнення прикладеними напруженнями максимальних значень. Величина напружень 0 для двох силових схем знаходиться на рівні (Т+SК)/2 для всіх ступенів термообробки до моменту другого перегину. Це наближено відповідає модельним напруженням, які розраховані за аналітичною залежністю, отриманою нами в рамках класичної механіки при порівнянні істинної і модельної діаграм деформування.

При досягненні максимального зусилля величина 0, розрахована за c- моделлю, є меншою від напружень текучості. Таке явище пояснюється неврахуванням перед вершиною тріщини в момент руйнування значно розпушеної зони.

Як показують дослідження характеристик сталей і їх зварних зон в області низьких температур спостерігається значне зниження пластичності та окрихчення матеріалу. Це свідчить про необхідність дослідження чутливості сталей до низькотемпературного окрихчення з метою визначення критичних температур крихкості при статичному навантаженні, які відповідають переходу від в'язких руйнувань до квазікрихких Тк1 і від квазікрихких до крихких Тк2.

Температурні залежності механічних характеристик і характеристик тріщиностійкості сталей СтЗсп, сталі 20, 10ХСНД, 09Г2С, ST38В2 і їх зварних з'єднань в діапазоні температур 293-203 К визначали в середовищі рідкого азоту та ацетону в спеціальній камері. Застосовували силову схему триточкового згину балкових зразків розміром 10 х 20 х 100 мм із втомними тріщинами (=0,5).

Для визначення в'язко-крихкого переходу досліджуваних матеріалів при наявності тріщин використовували температурну залежність критичного розкриття при максимальному навантаженні, яке розраховане за формулою з урахуванням залежності напружень зчеплення від механічних характеристик.

На температурну залежність , крім зміни механічних характеристик, впливає ще й співвідношення крихкої і пластичної складових злому зразків, що призводить до різкої зміни розкриття вершини тріщини при температурах досягнення 50% рівності крихкої і пластичної складових злому. Таким чином, різка зміна розкриття для сталей 10ХСНД, 09Г2С і СтЗсп відповідає температурам в'язко-крихкого переходу Тк1. Отримані результати підтверджують коректність застосування деформаційного критерію для оцінки схильності деталей з тріщинами до низькотемпературного окрихчення в зв'язку із урахуванням зміни властивостей матеріалу по всьому перерізу, а також локальної їх зміни у вершині тріщини.

Узагальнення отриманих результатів свідчить, що напруження зчеплення 0 слабо залежить від товщини зразків, силових схем навантаження і суттєво залежить від стану матеріалу (його механічних характеристик, температури відпуску і температури досліджень).

4. Особливості методики визначення параметрів узагальненої с-моделі

Коротко висвітлено основні положення цієї моделі.

Аналіз теоретичних і експериментальних досліджень, які пояснюють процес руйнування з точки зору сукупності тріщин і дислокацій в об'ємі зразка, підтверджує існування на момент поширення тріщини значно розпушеної зони завдяки наявності в ній тріщин різних розмірів - від зародкових до мікро тріщин, а також дислокаційних дефектів. Беручи до уваги особливості й закономірності протікання процесів руйнування в цій зоні, і, враховуючи недоліки моделей мікро- і макроруйнування, Панасюк В.В., Андрейків О.Є. і Панько І.М. узагальнили с-модель на випадок урахування зони розпушення, застосувавши повну діаграму деформування. Рівняння деформаційного критерію моделі зв'язують наступні характеристики досліджуваного матеріалу: сl - критичне розкриття вершини тріщини, c - критичне розкриття модельної тріщини на стику зон розпушення і пружно-пластичного деформування, 0 - напруження зчеплення, dc, dl - розміри зони розпушення та пластичної зони відповідно.

На основі запропонованого нами підходу розроблено методику визначення характеристик тріщиностійкості матеріалу в рамках моделі, яка полягає в наступному. Розкриття вершини тріщини сl визначали за методикою, поданою в розділі 2 для силової схеми триточкового згину балки з боковою тріщиною. Для зменшення кількості невідомих експериментально визначали за допомогою методу мікротвердості усереднені розміри локальної пластичної зони при максимальному зусиллі в умовах плоского напруженого стану в зоні перед вершиною тріщини.

Скориставшись експериментально визначеними сl і l (l = l0 + rp), знаходимо для граничного випадку характеристики моделі - с, 0, dc. А для довільного випадку навантаження встановимо динаміку зміни зони розпушення (l1dc), напруження зчеплення і розкриття с на стику зон для всього діапазону прикладених навантажень, використовуючи при цьому відомий вираз Ірвіна для розрахунку розміру пластичної зони.

На підставі результатів обробки експериментальних даних сталі 40Х (Тв=873К) побудовано графічні залежності та отримано наступні характеристики матеріалу: = 0,095 мм, = 0,050 мм, dс = 0,6 мм, = 1330 МПа, dl = 4,7 мм (в гранично рівноважному стані).

Криві показують залежність напружень зчеплення 0 від прикладених напружень при згинанні балки, розрахованих за с-моделлю і узагальненою с-моделлю. Показано, що напруження 0 збігаються для обох моделей до точки К, що відповідає прикладеним напруженням = 400 МПа. Для цього моменту параметри і відрізняються не більше, ніж на 5%, а l1 (l1 = l0 + dc) дорівнює початковій довжині тріщини l0. Тобто, зона розпушення в точці К при = 400 МПа відсутня. При подальшому зростанні прикладених напружень значення l, отримані за -моделлю, стрімко зростають, а спадає і при максимальних зусиллях досягає значень які менші за границю текучості. Напруження 0 за узагальненою моделлю в усьому діапазоні прикладених навантажень залишаються на рівні напружень точки К (див. рис. 3, крива 3), що приблизно відповідає модельним напруженням.

Розраховані значення добре корелюють із розмірами пластичної зони, отриманої за формулою Ірвіна. При цьому починає зростати параметр l1 при практично незмінних значеннях с і . Отже, після точки К при = 400 МПа починає утворюватися зона розпушення, яка досягає свого критичного значення при Рmax, забезпечуючи при цьому постійність напружень зчеплення в межах їх модельних значень (0mod = 1330 МПа). Отримані результати узгоджуються із постулатами узагальненої моделі; яка уточнює застосування с-моделі для пластичних матеріалів завдяки врахуванню зони розпушення.

В рамках узагальненої моделі проведено апробацію деформаційного критерію руйнування для крихких тіл. Експериментальні дослідження для визначення зміщення берегів тріщини проводили за розробленою в запропонованому підході методикою і силовою схемою позацентрового розтягу компактного зразка із силікатного скла з тріщиною.

При порівнянні результатів розрахунку, отриманих за допомогою с- моделі та узагальненої с-моделі, очевидно, що при однаковій експериментально встановленій довжині тріщини і зоні розпушення, отримано різні значення параметру 0 в гранично рівноважному стані (d/dc = 1): 50 МПа - для узагальненої моделі, що дорівнює с; 33,4 МПа - для с-моделі. Необхідно зауважити, що при досягненні гранично рівноважного стану у випадку узагальненої с-моделі прикладені зусилля поступово спадають, а при застосуванні с- моделі подібне явище не спостерігається.

У цьому розділі запропоновано також критерій локального руйнування крихких тіл із щілинами, побудований на основі повної діаграми деформування, який дозволяє визначати критичні значення руйнуючих напружень як для щілин, так і для тріщин, та розроблено методику експериментального визначення його параметрів. Аналогічно, як і в роботі Панасюка В.В., Андрейківа 0.Є, Різничука Р.В. (1987), вважаємо, що руйнування тіла з щілиною відбувається при рівності деформації розтягу в її вершині (p) критичній деформації повноїдіаграми деформування . Застосувавши метод граничної інтерполяції, який передбачає використання граничних випадків і умову деформаційної теорії міцності, одержано критеріальне рівняння критерію для щілин.

Спостерігається добра кореляція між теоретичною кривою та експериментальними результатами, отриманими за методикою підходу при застосуванні силової схеми позацентрового розтягу компактного зразка із силікатного скла з різними радіусами закруглення (= 0,2; 0,8; 1,2 мм) та літературними даними. Крива дозволяє зробити розмежування між щілинами ( > 0) і саме тріщинами ( 0).

На основі силового критерію міцності для крихких тіл, а також запропонованого тут деформаційного критерію для щілин, одержано, відповідно, наступні формули для визначення критичного значення зусилля Р* у випадку компактного зразка з щілиною при позацентровому розтязі:

,

.

Проведені незалежні експериментальні дослідження на зразках із середньо та низько міцних сталей однієї товщини із різними довжинами тріщин (l0 = 6-2 мм) підтвердили правильність запропонованих підходів для визначення деформаційних характеристик статичної тріщиностійкості. Експериментально отримані руйнуючі напруження добре корелюють із теоретично прогнозованими за узагальненою с-моделлю і є дещо нижчими від прогнозованих за с-моделлю. Це дозволяє коректно прогнозувати міцність і довговічність елементів конструкцій.

Висновки

Запропоновано експериментально-аналітичний підхід для достовірного визначення деформаційних характеристик статичної тріщиностійкості середньо та низько міцних сталей в рамках відомих модельних підходів з метою коректного прогнозування міцності деталей машин.

Розроблено теоретично обґрунтовані експериментальні методики визначення розкриття вершини тріщинита напружень зчеплення 0 в рамках с-моделі і узагальненої с-моделі для силових схем триточкового згину балки і розтягу смуги з боковою тріщиною. Отримано достовірні значення визначених параметрів досліджуваних сталей на основі аналізу і порівняння з результатами, розрахованими за аналітичними і емпіричними залежностями. Досліджено вплив силових схем навантаження, масштабного фактору, механічних характеристик сталі 40Х на параметри 0 і .

Досліджено вплив координат точок вимірювання зміщень берегів тріщини, їх пружної складової і коефіцієнту повороту на результати розрахунку розкриття вершини тріщини. Показано домінуючий вплив на розкриття тріщини в пружно-пластичних матеріалах пластичної складової зміщень її берегів.

На підставі аналізу результатів експериментальних досліджень розкриття вершини тріщини і оцінки емпіричних виразів для його розрахунку запропоновано уточнення положення ГОСТу для визначення цього параметру в пластичних матеріалах в усьому діапазоні прикладених навантажень. Це дозволяє зменшити розсіювання результатів і підвищити точність розрахунку деформаційної характеристики .

На основі порівнянь енергій деформування істинної та модельної діаграм отримано аналітичні залежності для визначення модельних напружень 0мод. Встановлено збіжність значень модельних напружень 0мод, отриманих в рамках традиційної механіки матеріалів, і напружень зчеплення 0 за допомогою запропонованого підходу в рамках механіки руйнування при до критичному рівні навантаження як за с-моделлю, так і за узагальненою моделлю. При максимальному зусиллі значення параметру 0 за узагальненою моделлю залишаються на рівні модельних напружень, а за с-моделлю - стають нижчими границі текучості.

Проведено апробацію деформаційного критерію руйнування крихких тіл узагальненої деформаційної моделі на компактному зразку із силікатного скла. Встановлено, що напруження зчеплення 0, визначені зa с-моделлю і за узагальненою моделлю, для силікатного скла відрізняються на 34%.

Розроблено деформаційний критерій руйнування крихких тіл із щілинами, побудований на основі повної діаграми деформування з урахуванням зони розпушення. В рамках критерію отримано співвідношення, котре дає результати, які узгоджуються для щілин і для тріщин із експериментом.

Встановлено, що температурна залежність деформаційної характеристики може служити оцінкою схильності досліджуваних матеріалів до окрихчення поряд із 50%-ю рівністю крихкої і пластичної складових зламу зразка.

Апробація результатів отриманих деформаційних параметрів підтверджує правильність запропонованих підходів для визначення характеристик тріщиностійкості, що дозволяє коректно прогнозувати міцність елементів конструкцій.

Література

Вплив низьких температур на статичну та динамічну тріщиностійкість матеріалів підіймально-транспортних механізмів / Пустовой В.Н., Зазуляк В.А., Ходань I.В., Штаюра С.Т. // Фіз.-хім. механіка матеріалів .- 1990.- №6. - С. 80-84.

Панько І.М., Зайдель Б.М., Штаюра С.Т. визначення тріщинотривкості плоских пластин за - моделлю // Фіз.- хім. механіка матеріалів. - 1996. - №4. - С. 95-96.

Розрахунок залишкової міцності крихких тіл, послаблених щілинними дефектами / Андрейків О.Є, Панько І.М., зазуляк В.А., Штаюра С.Т. // Машинознавство. - 1997.- №3. - С. 2-5.

Штаюра С.Т. Методика визначення деформаційних параметрів - моделі в середньо- та низькоміцних сталях // Фіз.- хім. механіка матеріалів.- 1998.- №2. - С. 123-124.

Андрейків О.Є., Зазуляк В.А., Штаюра С.Т. Оцінка методів визначення деформаційних параметрів - моделі пружно-пластичних тіл // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 1998. - №3. - С. 115-117.

Андрейків 0.Є., Панько І.М., Штаюра С.Т. Деформаційна модель квазікрихкого тіла з гострокінцевими дефектами // Доп. НАН України. - 1999. - №6. - С. 48-53.

К вопросу об определении величины критического раскрытия трещины / Зазуляк В.А., Хитров В.Н., Скальский В.Р., Рибицкий И.Б., Штаюра С.Т. // Тезисы докладов ІІІ всесоюзного симпозиума по механике разрушения "Трещиностойкость материалов и элементов конструкций". - Житомир. - 1990. - Ч. 1. - С. 79-80.

Андрейкив А.Е., Панько И.Н., Штаюра С.Т. Трёхстадийная модель старта трещины в упруго-пластических материалах // Strength. Durability and stability of Materials and Struktures: Proc. Int. Conf. - Kaunas, 18-20. 09.1996. - Р. 43-47.

Андрейкив А.Е., Панько И.Н., Штаюра С.Т. Стадийность изменения механических свойств материала в момент старта в нем трещины // Тезисы докладов симпозиума "Синергетика. Самоорганизующиеся технологии, структура и свойства металлов". - М., 12-14.11. 1996. - С. 12.

Штаюра С.Т. Методологія визначення деформаційних параметрів - моделі матеріалів будівельних конструкцій // Матеріали II Міжнародного симпозіуму "Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій".- Львів- Дубляни. - 7-10.10. 1996, - С. 101-103.

Штаюра С.Т., Зазуляк В.А. Определение деформационных характеристик - модели упруго-пластических тел с помощью методов нелинейной механики разрушения // Труды IХ конференции по прочности и плаcтичности. - Т. 2. -М.: Профсервис. - 1996. - С. 191-196.

Размещено на Allbest.ru