Оцінка тріщинотривкості квазікрихких і в’язких матеріалів за деформаційними критеріями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 01.02.04 - Механіка деформованого твердого тіла

Оцінка тріщинотривкості квазікрихких і в'язких матеріалів за деформаційними критеріями

Лебідь Наталія Миколаївна

Тернопіль 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в державному університеті “Львівська політехніка“ Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор Русинко Костянтин Миколайович, Державний університет “Львівська політехніка“, професор кафедри теоретичної механіки

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор Никифорчин Григорій Миколайович, Фізико-механічний інститут імені Г.В.Карпенка НАН України (м. Львів), завідувач відділом корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів

доктор технічних наук Чаусов Микола Георгійович, Інститут проблем міцності НАН України (м. Київ), провідний науковий співробітник відділу статичної міцності та пластичності конструкційних матеріалів

Захист відбудеться “25“ лютого 2000 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.01 в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя, 46001, м. Тернопіль, вул. Руська,56.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, 46001, м. Тернопіль, вул. Руська,56.

Автореферат розісланий “22“ січня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук Шелестовський Б.Г.

1. Загальна характеристика роботи

квазікрихкий механіка деформаційний конструкція

Актуальність теми. Дослідження квазікрихкого руйнування конструкційних матеріалів і їх зварних з'єднань є важливим, як в науковому, так і в практичному плані, оскільки в різних галузях промисловості (авіаційній техніці, машинобудуванні, автомобілебудуванні та інших) широко використовуються матеріали високої та середньої міцності, які схильні до крихкого чи квазікрихкого руйнування шляхом поширення тріщини за значного рівня пластичних деформацій. За останні 20-30 років цей аспект проблеми міцності та руйнування матеріалів інтенсивно розробляється науковцями та дослідниками в Україні і за її межами, зокрема, доповнений і узагальнений в чотирьохтомному виданні “Механика разрушения и прочность материалов” під ред. В.В.Панасюка та його монографії “Механика квазихрупкого разрушения”, К: Наукова думка, 1988-1990 р.р. та 1991 р. відповідно. Проте, існуючі методи оцінки тріщинотривкості конструкційних матеріалів за в'язкістю руйнування К1с (Кс), а також критерієм к - критичним розкриттям тріщини чи іншими критеріями механіки руйнування не завжди задовольняють потреби практики через складність в технічному виконанні, оскільки вимагають потужних випробовувальних машин та складної контрольно-вимірювальної техніки. Недостатньо ще теоретичних розробок стосовно вирішення пружно-пластичних задач з розв'язками для квазікрихких і в'язких матеріалів, де теоретичні основи лінійної механіки руйнування (ЛМР) не в стані описати процеси руйнування таких матеріалів з причини того, що біля вершини тріщини максимальний розмір пластично деформованої області часто співмірний з величиною дефекта - тріщиною. Мало також відомостей щодо моделювання процесу руйнування квазікрихких і в'язких матеріалів з врахуванням формування та розвитку зон пластичності у деформівному матеріалі попереду вершини тріщини залежно від типу дослідного зразка, масштабного чинника тощо. Практично відсутні чіткі методології оцінки тріщинотривкості квазікрихких і в'язких матеріалів за деформаційними критеріями; методи вимірювання критерію к та підходи щодо визначення К1с матеріалу на малогабаритних зразках. Недостатньо вивчені явища та механізми квазікрихкого руйнування металу шва та пришовної ділянки залежно від ефекту масштабу, режимів і способів зварювання для оцінки міцності зварних з'єднань. На основі запропонованих в роботі методів і підходів деякі питання з цієї проблеми отримали своє вирішення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з науково-дослідними темами, які виконувалися в державному університеті “Львівська політехніка”, зокрема кафедрою теоретичної механіки, а саме, - держбюджетною темою ДБ (Теорія), що виконувалася згідно тематичних планів НДР Міністерства освіти України на 1999-2000 р.р.; і відповідає науковому напрямку кафедри теоретичної механіки “Статика та динаміка пружних і пружно-пластичних систем”.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розробка теоретико-експериментальної методики оцінки тріщинотривкості квазікрихких і в'язких матеріалів на основі розв'язку пружно-пластичних задач механіки руйнування в рамках деформаційних моделей руйнування твердих тіл з тріщинами та врахування напружено-деформованого стану в зоні передруйнування.

Поставлена мета досягається шляхом розв'язання таких завдань:

- розроблення теоретико-експериментальної методики визначення деформаційних критеріїв руйнування (к-критерію та деформаційного критерію на основі тристадійної моделі) для високопластичних матеріалів;

- розроблення методики вимірювання критичного розкриття тріщини к та визначення параметра тріщинотривкості К1с на циліндричних і призматичних зразках з наплавками для оцінки міцності квазікрихких і в'язких матеріалів і їх зварних з'єднань;

- встановлення взаємозв'язку між характеристиками в'язкості руйнування та критичним розміром дефекту для квазікрихких і в'язких матеріалів;

- дослідження впливу технології виготовлення, режимів термічного зміцнення та масштабного чинника на опір руйнуванню зварних з'єднань алюмінієвого сплаву 1420 в умовах циклічного та статичного навантажень.

Наукова новизна одержаних результатів:

- створено нову методику оцінки статичної тріщинотривкості квазікрихких і в'язких матеріалів в рамках розв'язку пружно-пластичних задач механіки руйнування з використанням деформаційних моделей, які враховують напружено-деформований стан в зоні передруйнування на заключній спадній ділянці діаграми розтягу;

- розроблено методики випробувань на тріщинотривкість циліндричних і призматичних зразків з двома наплавками, які полягають в тому, що тріщини вирощують відповідно за схемами кругового згину з жорстко фіксованим прогином і циклічного розтягу з заданою амплітудою деформації, а тріщинотривкість матеріалу наплавок визначається за деформаційними критеріями за аналогією з випробуваннями суцільних зразків;

- встановлено взаємозв'язок між в'язкістю руйнування (К1с) та критичним розміром дефекту lкр при випробуваннях малогабаритних зразків з квазікрихких і в'язких матеріалів;

- розроблено методику вимірювання критичного розкриття вершини тріщини з записом діаграми руйнування на циліндричному та призматичному зразках з двома паралельними (ідентичними) тріщинами однакової глибини, ініційованими в матеріалі двох наплавок. Встановлено залежність пластичної складової зміщень берегів тріщини від висоти наплавок і їх фізико-механічних властивостей;

- виявлено основні закономірності процесу руйнування в різних зонах пришовної ділянки зварних з'єднань із алюмінієвого сплаву 1420 з врахуванням ефекту масштабу та встановлено, що найбільш небезпечною з точки зору опору матеріалу поширенню тріщини є зона сплавлення.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені методи та одержані результати роботи знайшли застосування при вирішенні важливих практичних задач з вдосконалення технології термічного зміцнення пружинної сталі 60С2А для підвищення надійності пружин, та сталі 40Х для підвищення експлуатаційної довговічності зубчастих коліс, оцінці міцності зварних з'єднань із алюмінієвого сплаву 1420, визначенні критичного розміру дефекту lкр для встановлення порогу працездатності квазікрихких і в'язких матеріалів. Запропоновані методи успішно можуть бути використані в заводських лабораторіях.

Результати дисертаційної роботи впроваджені у технологічні процеси виробництва Львівського ВАТ “Завод гідромеханічних передач” з річним економічним ефектом 52 тис. 315 гривень згідно з актом впровадження від 30.07.1999р., а спосіб визначення характеристики тріщинотривкості К1с матеріалу шляхом осьового розтягу циліндричного зразка з кільцевою тріщиною - захищено патентом 22912 А України МКИ G 01 N 3/32 - 1996.

Особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів.

У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: в роботі [3] - розробка підходу для визначення фактичного значення характеристики тріщинотривкості (К1с) за даними механічних властивостей матеріалу та значення Кс шляхом випробування малогабаритного циліндричного зразка; в роботі [4] - проведення досліджень міцності пришовної області зварних з'єднань з врахуванням режимів термічного зміцнення, ролі масштабного чинника та визначення опору матеріалу поширенню тріщини у різних зонах пришовної області алюмінієвого сплаву 1420; в роботі [6] - розроблення деформаційної моделі тіла з тріщиною, виведення деформаційних критеріальних рівнянь в рамках цієї моделі та визначення розкриття тріщини для циліндра, послабленого зовнішньою кільцевою тріщиною; в роботі [7] - розроблення методики вимірювання критичного розкриття тріщини к на циліндричному зразку з двома кільцевими тріщинами регламентованої глибини у матеріалі наплавок; в роботі [8] - одержання формули для підрахунку К1с як інваріантної характеристики тріщинотривкості матеріалу; в роботі [9] - проведення експериментів та оброблення даних втомних випробувань щодо оцінки довговічності циліндричних пружин; в роботі [10] - проведено дослідження щодо визначення К1с наплавленого матеріалу на циліндричних зразках з кільцевими канавками для наплавлення; в роботі [11] - формулювання формули винаходу (патенту) щодо визначення параметра К1с на малогабаритному циліндричному зразку з кільцевою тріщиною для оцінки тріщинотривкості квазікрихких і в'язких матеріалів, а також обробки даних експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на II-му Міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій”, (Львів-Дубляни, 1996р.); на наукових семінарах кафедри теоретичної механіки державного університету “Львівська політехніка”, (Львів, 1995-1999р.р.); на наукових семінарах Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, (Тернопіль, 1999р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 11-ти друкованих працях. З них - 9 статтей в фахових наукових журналах, 1 стаття в збірнику наукових праць і 1 публікація - патент на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел і додатку. Загальний обсяг роботи становить 138 сторінок, містить 13 таблиць, 37 ілюстрацій, додатків на 1 сторінці, 180 найменувань у списку використаних літературних джерел.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначена мета роботи та основні напрямки її досягнення, показана наукова новизна та апробація матеріалів роботи.

У першому розділі зроблено огляд праць за темою дисертації та аналіз сучасного стану проблеми з вивчення явищ крихкого та квазікрихкого руйнування конструкційних матеріалів і їх зварних з'єднань залежно від впливу технологічних і структурних чинників, наведено розрахункові схеми розв'язку пружно-пластичних задач за деформаційними та силовими критеріями, а також сформульована мета роботи та завдання для її реалізації.

У другому розділі запропоновано деформаційну модель пружно-пластичного тіла з тріщиною та методику оцінки тріщинотривкості квазікрихких і в'язких матеріалів на основі використання деформаційних критеріїв механіки квазікрихкого руйнування, зокрема к-моделі Леонова - Панасюка - Андрейківа, а також експериментальних даних А.О. Лебедєва та М.Г. Чаусова щодо визначення цього критерію та напружень зчеплення 0 в зоні передруйнування, де реалізується друга і третя ділянка повної діаграми розтягу матеріалу. Виходячи з повної діаграми розтягу, яка має три характерні ділянки: I - пружну, II - ділянку пластичного деформування, III - ділянку розпушення, де відбувається процес утворення та росту мікротріщин, а також на підставі даних фізичної теорії міцності і руйнування матеріалів, нижче пропонується нова модель тіла з тріщиною, в якій на відміну від відомої узагальненої к-моделі вважається, що упродовж навантаження напруження у вершині тріщини рівні нулю, а змінюються лише розміри зон розпушення та пластичного деформування і величина напружень 0

Дана модель реалізована для розтягу на нескінченності розподіленими зусиллями інтенсивності p площини, послабленої центральною тріщиною довжиною 2l0 (задача Гріффітса), для якої запропоновано деформаційний критерій із трьох рівнянь (1). При цьому використовувалась аналогія напружено-деформованого стану в зоні передруйнування (V-) з повною діаграмою розтягу матеріалу (-). Тобто характеристиці cl - максимальному значенню відносної деформації в момент повного руйнування на діаграмі - відповідає характеристика cl - критичне розкриття вершини тріщини при граничній рівновазі, а характеристиці c - критичному значенню відносної деформації в момент вичерпання матеріалом пластичності відповідає характеристика c - критичне розкриття модельної тріщини при

x = ls

тобто на стику зон розпушення та пластичного деформування. Математично ці характеристики визначаються відповідно до схем із рівнянь:

; ; , (1)

Тут перше рівняння характеризує розкриття вершини тріщини при досягненні прикладеними напруженнями критичного значення (p = p*); друге рівняння є розкриттям модельної тріщини на межі ділянки розпушення і пластичного деформування, а третє - дає умову обмеженості напружень на межі зони передруйнування.

Розв'язавши систему цих рівнянь у пружно-пластичній постановці, одержуємо критеріальні рівняння для задачі Гріффітса:

(2)

(3)

, (4)

C - стала, яка для узагальненого плоского напруженого стану дорівнює 1/(E), а для плоскої деформації - (1 -2)/(Е), де - коефіцієнт Пуасона; Е - модуль Юнга. Система рівнянь (2)-(4) містить силові (p*, 0, С), деформаційні (cl, c) та геометричні (l0, ls, l ) параметри. Три з них, а саме, ls, l, c визначають з цих рівнянь, а решта - з експериментальних досліджень.

В рамках запропонованої моделі для скінчених тіл використано метод еквівалентних напружених станів, сформульований раніше для розв'язку задач в рамках к-моделі; при цьому для визначення розкриття тріщини в околі її вершини достатньо мати розв'язок для розкриття тріщини та коефіцієнта інтенсивності напружень базової задачі і коефіцієнта інтенсивності напружень для скінченого тіла.

За базову приймаємо нескінчену площину з тріщиною, критерій руйнування якої характеризується співвідношеннями (2) - (4), а коефіцієнт інтенсивності напружень

(5)

Для полегшення подальших обчислень запишемо формули (2), (4) в безрозмірній формі:

, (6)

(7)

= l0 / l, = ls / l,

Розглянемо смугу шириною 2L, яка послаблена центральною тріщиною довжиною 2l0 і розтягується на нескінченості зусиллями інтенсивності q. Визначимо розкриття вершини тріщини, скориставшись методом еквівалентних напружених станів. Згідно з цим підходом потрібно визначити величину еквівалентних напружень pe. Коефіцієнт інтенсивності напружень для смуги з центральною тріщиною:

, (8)

= l0 / L

Підставляючи значення pe у формулу (6) замість p*, одержимо залежності для смуги з центральною тріщиною. При цьому для визначення критичного розкриття вершини тріщини

* = cl / (2C0 l0)

беремо ті значення і , які отримуємо зі співвідношення (6). У випадку, коли розглядається циліндр радіуса R, який послаблений зовнішньою кільцевою тріщиною глибиною l0 і розтягується зусиллями інтенсивності q, коефіцієнт інтенсивності напружень

, (9)

, =d/D

Після підстановки pe замість p* у співвідношення (6) одержимо залежність для визначення і . Розв'язуючи разом одержане рівняння і співвідношення (4), за результатами експериментальних даних, маючи з експерименту (q*, cl, 0, С, l0), визначаємо деформаційні характеристики і .

Отже, запропонована модель тіла з тріщиною та деформаційні критерії руйнування і приклади вивчення напружено-деформованого стану в обмежених тілах з тріщинами дають можливість визначати характеристики тріщинотривкості для конструкційного матеріалу з заданими фізико-механічними властивостями при наявності ефективної методики вимірювання критичного розкриття тріщини к.

Вона містить динамометр сили 1, давачі 2, 3, підсилювачі сигналів 4, 5, 6 і два двокоординатні самописці 7, 8. Для закріплення давачів розроблено оправку цангового типу, яку легко закріпити на зовнішній поверхні циліндра. Процедуру вимірювання розкриття берегів тріщини здійснювали у двох точках (по зовнішньому діаметрі зразка і у вершині тріщини, де у вершині концентратора висвердлювали отвір з плоским дном, перпендикулярним до площини тріщини). Давачі розкриття і розтягуючих зусиль під'єднували до систем живлення та підсилювачів сигналів і на двокоординатних самописцях ЛКД-01 в координатах “розкриття тріщини ” - “прикладене зусилля р” записували діаграми руйнування. Вимірювання для алюмінієвого сплаву Д16Т (з механічними характеристиками: В = 577 МПа, 0,2 = 402 МПа, с = 679 МПа, 0 = 540 МПа, = 15,3 %, Е = 0,74100000 МПа, = 0,34), виконані на циліндричних зразках D = 20 мм, dтр = 16 мм і загальної довжини L = 200 мм, показали, що критичне розкриття у вершині тріщини (0,092 мм) є меншим від розкриття (0,12 мм), яке виміряне на твірній циліндра, а підраховані за рівняннями (2)-(4) деформаційні критерії складають: cl = к = 0,092 мм; c = 0,03 мм; l0 = 5 мм; ls = 5,9 мм; l = 8,1 мм; p = p* = 143 МПа. Отже, к = 0,092 мм слід вважати деформаційною константою для цього алюмінієвого сплаву.

У третьому розділі наведено способи та необхідне спорядження і пристосування для ініціювання втомних тріщин в циліндричних і призматичних зразках. Подано методики для визначення характеристики тріщинотривкості квазікрихких матеріалів на цих типах зразків. Проведено серію випробувань щодо уточнення умови автомодельності зони передруйнування для визначення К1с, квазікрихких і в'язких матеріалів на циліндричних зразках з кільцевою тріщиною в наплавці.

Встановлено також кореляційний взаємозв'язок між тріщинотривкістю К1с, одержаною на малогабаритних зразках з кільцевою тріщиною в матеріалі наплавки та критичним розміром дефекту, в рамках розв'язку задачі граничної рівноваги пластини з напівеліптичною поверхневою тріщиною стосовно до дослідження квазікрихких і в'язких матеріалів:

, (10)

де 0,2 - границя текучості матеріалу.

Розвинуто дослідження щодо розроблення методик вимірювання критичного розкриття тріщини к у її вістрі. Зокрема, описано метод вимірювання к на циліндричному зразку з двома кільцевими тріщинами в матеріалі двох кільцевих наплавок.

Суть методу полягає в тому, що в циліндричному зразку діаметра D = 20 мм, з довжиною L = 200 мм виготовленого із матеріалу, який задовільняє умову автомодельності зони передруйнування виточували дві канавки (рівчаки) глибиною а = 0,4D і висотою 2с = 0,15D. Потім їх заплавляли досліджуваним матеріалом, зразок обточували і шліфували в місці наплавок до діаметра D, а по середині висоти цих наплавок наносили кільцеві надрізи, глибиною dk/D = 0,8, на дні яких ініціювали дві втомні кільцеві тріщини регламентованої глибини в межах d/D = 0,7...0,6. Відстань між наплавками H = 1...2D. При розтягу зразка його руйнування проходить по одному із перешийків. В той же час (спостерігаючи в окуляр мікроскопа, чи іншого оптичного приладу) кільцева тріщина в другому перешийку сягає практично також свого критичного розкриття к, значення якого можна визначити як різницю між кінцевою і початковою відстанню зміщення берегів тріщини у вершині дна надрізу або між фіксованими точками берегів концентратора на діаметрі. Правомірність методу перевірено на циліндричних зразках двох партій із сталі У8 із наплавками двох канавок матеріалом сталей Ст.3 та 20Х.

Результати потрійних вимірювань розкриття тріщини к в циліндричних зразках D = 20 мм з двома кільцевими тріщинами у наплавках d = 16 мм для двох партій досліджуваних сталей наведено у табл. 1. Там же для співставлення (див. крайній стовпчик) подані к після запису діаграми руйнування (P-V) виміряні двобалковим давачем, вмонтованим в кільцевий надріз циліндричного зразка з однією кільцевою тріщиною. Задовільна збіжність значень к за трьома методиками засвідчує на правомірність їх застосування.

За залишковим розкриттям берегів тріщини на дні надрізу незруйнованого перешийка можна проводити порівняльну оцінку міцності квазікрихких матеріалів, коли йдеться про дослідження в закритих посудинах, при низьких температурах, середовищах, де неможливо проконтролювати зміщення берегів у момент руйнування зразка.

Аналогічний комплекс вимірювань к виконано на призматичних зразках (100х100х20 мм) основа зі сталі У8 з двома боковими тріщинами в матеріалі наплавок (2с = 3 мм), при позацентровому розтягу: одна партія - сталь Ст.3 і друга - 20Х, які практично підтвердили значення к, одержані після розтягу циліндричних зразків з кільцевими тріщинами у двох наплавках (табл. 1).

Таблиця 1 Середні значення k сталей.

Марка наплавки	Розкриття тріщини k, мм
	За замірами дна надрізу	За замірами залишкового на дні надрізу	За замірами кута на діаметрі D	За замірами кута давачем розкриття
Сталь Ст3	0,140	0,105	0,150	0,166
20Х	0,102	0,100	0,130	0,137

Вивчено також вплив висоти наплавок 2с на зміну зміщення берегів тріщин 2 та значення характеристики тріщинотривкості Кс при сталій товщині призматичного зразка t = 20 мм із розмірами 100х100 мм по ширині та висоті відповідно. Результати багаторазових випробувань восьми партій зразків, виготовлених із сталі У8 (основа) з висотою наплавок 2с = 3; 6; 12; 24мм із сталі Ст.3 і 20Х, тобто значень 2 =f(2c) і Кс=f(2c), показано відповідно. Видно, що одержані значення 2 і Кс корелюють між собою; вони максимальні для наплавки з висотою 2с = 24 мм і мінімальні для 2с = 3мм. В результаті можна стверджувати: якщо 3 2с 6 мм, то Кс = К 1с і 2 = к - є константами матеріалу наплавки

Для встановлення зміни процесу розкривання берегів тріщин в двох наплавках з максимальною висотою 2с = 24 мм, коли її висота не стримує росту пластичних смуг у вершині тріщини, проведено контрольні вимірювання з записом діаграми руйнування призматичного зразка з розмірами 100х100х20 мм на позацентровий розтяг в координатах (p*-2), де p*- руйнівне зусилля; 2 - розкриття берегів тріщин у двох наплавках. Досліди виконано на розривній машині РМ-50 при швидкості деформування v = 0,5 мм/хв, спорядженій тензометричним давачем для вимірювання руйнівного зусилля p* і двома давачами розкриття берегів у двох тріщинах. Давачі 2 закріплювали на бокову поверхню призматичного зразка між кріпильними пластинами 1 в місцях кінчика фронту двох тріщин Запис діаграм здійснювали на двокоординатних самописцях ЛКД-4-003.

Із аналізу отриманих діаграм, які мали ідентичний вигляд бачимо, що зміщення берегів тріщин має пружну 2пр і пластичну 2пл складові:

2=2пр+2пл (11)

Середні значення складових 2пр, 2пл і 2 зміщень берегів тріщин у двох наплавках із сталі Ст3 (одна партія) і 20Х (друга партія) з висотою 2с = 24 мм при заданих розмірах зразка і тріщини L, L0 зведено в табл. 2.

Таблиця 2 Середні значення пружних 2пр і пластичних 2пл складових зміщень берегів тріщини у двох наплавках

Марка наплавки	L0, мм	L, мм	2пр, мм	2пл, мм	2, мм
Сталь Ст.3	55	40	0,125	0,134	0,259
20Х	55	40	0,106	0,119	0,225

За даними вимірювань встановлено, що пружна складова практично не залежить від розмірів зразка та тріщини. Виходячи із геометричних уявлень щодо зміщення берегів двох тріщин в наплавках, пластична складова 2пл є більшою від 2пр, а величина відношення їх значень буде залежати від висоти наплавки 2с та фізико-механічних властивостей наплавленого матеріалу (В, 0,2 ).

Четвертий розділ присвячений дослідженню втомної та статичної міцності зварних з'єднань із алюмінієвого сплаву 1420 з врахуванням текстури, способів зварювання, режимів термічного зміцнення та масштабного чинника на характер крихкого та квазікрихкого руйнування. За допомогою розробленої методики випробувань циліндричних зразків (D = 8 мм і L = 80 мм) із зовнішніми кільцевими тріщинами, ініційованими у шві, зоні сплавлення (ЗС), зоні термічного впливу (ЗТВ) та основному металі сплаву встановлено, що час на зародження та поширення тріщини до заданої глибини при сталому режимі деформування круговим згином (стріла прогину f = 1,0 мм) є найменший для ЗС і найбільший для основного металу. Метал шва та ЗТВ мають проміжні значення щодо опору поширення тріщини при руйнуванні (табл. 3). Аналогічну закономірність з міцності мають зони пришовної ділянки за параметром тріщинотривкості Кс (див. табл. 3).

Таблиця 3 Ріст втомних тріщин і тріщинотривкість у різних зонах зварного з'єднання алюмінієвого сплаву 1420

Зона з ініційованою тріщиною	Час (хв.) на зародження і поширення тріщини глибиною l = 10,15 мм	Кс, МПа
Зона сплавлення	2,2	10,9
Шов	3,3	11,2
Зона термічного впливу	3,0	13,6
Основний матеріал вздовж прокатування поперек прокатування	5,1 5,7	16,3 17,7

Вивчаючи вплив способів зварювання та режимів термічного зміцнення сплаву 1420, виявлено, що максимальний опір руйнування мали зразки із ЗТВ після електронно-променевого зварювання (ЕПЗ) із заданим режимом термічного зміцнення (зварювання плюс почергове дворазове гартування з дворазовим старінням при 123С упродовж 8 годин). Решта зон зварних з'єднань мали зниження Кс до 30% у порівнянні з основним металом. Для з'єднань, виготовлених аргонодуговим зварюванням (АДЗ) встановлено суттєве зниження (до 2-х разів) опору руйнування шва по відношенню до основного металу, як для втомних, так і статичних випробувань циліндричних зразків. Причина цих знижень - підвищена пористість і наявність неметалевих включень нитковидної форми, а також тріщин в мікроструктурі металу після АДЗ у порівнянні з ЕПЗ.

Досліджено вплив масштабного чинника на характер руйнування металу різних зон зварних з'єднань сплаву 1420 після ЕПЗ за силовими та деформаційними критеріями. Експерименти, виконані на п'яти партіях циліндричних зразків (D = 8; 20; 30; 35; 40мм) з кільцевими тріщинами, ініційованими в різних зонах пришовної ділянки, засвідчили зростання

Кс=f(D)

до К1с матеріалу. При цьому, зміни Кс для зон зварних з'єднань є аналогічними, як і після випробувань малогабаритних зразків, але ще з більш вираженим перепадом значень К1с для всіх зон у порівнянні з основним матеріалом.

Аналогічні результати отримано для цих зон за критерієм к (див. табл. 4). Розкриття вершини тріщини вимірювали давачем під час осьового розтягу циліндричних зразків (D = 40 мм), вмонтованим у канавку кільцевого надрізу - тріщини. Одержані результати засвідчують про існування кореляції між к і К1с, на що вказують стабільні значення коефіцієнту кореляції n.

Таблиця 4 Залежність тріщинотривкості Кс від зміни діаметра D для різних зон зварного з'єднання сплаву 1420.

Зона з ініційованою тріщиною	Кс (МПа) для зразків різного діаметра	к, мм	n=к / КIc
	D=8мм	D=20мм	D=30мм	D=35мм	D=40мм
Зона сплавлення	12,3	20,5	21,4	22,6	22,7	0,092	0,0038
Шов	14,3	21,7	22,5	24,0	23,4	0,084	0,0035
Зона термічного впливу	14,7	23,0	24,8	25,3	25,6	0,103	0,0039
Основний матеріал вздовж прокатування поперек прокатування	19,4 19,8	29,1 30,6	30,7 34,2	31,8 35,8	32,0 36,2	0,121 0,133	0,0038 0,0036

Висновки

Розроблено теоретико-експериментальну методику оцінки тріщинотривкості квазікрихких і в'язких матеріалів із використанням модифікованої тристадійної моделі тіла з тріщиною, яка враховує реологію зони передруйнування, зокрема якій крім зони пластичного деформування розглядається зона розпушення, яка уточнює к-модель і дає можливість застосування її для високопластичних матеріалів.

В рамках цієї моделі запропоновано деформаційний критерій руйнування - критичне розкриття тріщини на межі ділянки розпушення і пластичного деформування, - який дозволяє визначати деформаційні та геометричні параметри складових зони передруйнування.

На прикладах розв'язків пружно-пластичних задач механіки квазікрихкого руйнування для скінчених тіл, зокрема розтягу смуги з центральною тріщиною та розтягу циліндра з кільцевою тріщиною і експериментальних досліджень характеристик тріщинотривкості сплаву Д16Т показана ефективність застосування запропонованих моделі та деформаційного критерію.

На основі розв'язку задачі граничної рівноваги пластини з напівеліптичною тріщиною і експериментальних досліджень виявлено взаємозв'язок між в'язкістю руйнування К1с та критичним розміром дефекту lкр для квазікрихких і в'язких матеріалів, який уточнює класичні підходи з визначення цих характеристик.

Модифіковано конструкції малогабаритних циліндричних і призматичних зразків шляхом введення двох кільцевих канавок для заплавлення досліджуваного матеріалу, що дозволило забезпечити умови автомодельності зони передруйнування і коректного визначення в'язкості руйнування К1с та критичного розкриття вершини тріщини к квазікрихких і в'язких матеріалів.

Розроблено методику вимірювання зміщень берегів тріщини з записом діаграми руйнування призматичного зразка з двома боковими тріщинами в матеріалі двох наплавок регламентованих розмірів. Виявлено залежність складової зміщень берегів тріщини 2пл від висоти і фізико-механічних властивостей наплавленого матеріалу.

Досліджено вплив технології зварювання на тріщинотривкість різних ділянок зварного з'єднання алюмінієвого сплаву 1420. Встановлено, що зниження К1с і к в зоні сплавлення та в шві зумовлене підвищеною пористістю структури та наявністю нитковидних неметалевих включень, а також тріщиноутворень в розплавленій ванні під час аргоно-дугового зварювання. Для підвищення значень К1с і к запропоновано використовувати замість аргоно-дугового зварювання - електронно-променеве у поєднанні з оптимальним режимом термічного зміцнення сплаву.

Досліджено вплив масштабного чинника на критичний коефіцієнт інтенсивності напружень Кс. Встановлено кореляційну залежність між характеристикою К1с і критерієм к для різних зон зварних з'єднань алюмінієвого сплаву 1420, а також виявлено найменші розміри зразків для яких виконується умова максимальної стисливості пластичної деформації у вершині тріщини.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

Лебідь Н.М. Визначення критичного розміру дефекту в деформівному матеріалі // Машинознавство. - 1998. - №1. - С. 11-13.

Лебідь Н.М. Визначення тріщинотривкості (К1с) квазікрихких матеріалів і їх зварних з'єднань на циліндричних зразках // Машинознавство. - 1999. - № 6. - С. 19-22.

Лебідь Н.М., Щадило Я.С. До питання щодо визначення характеристики тріщинотривкості /К1с/ матеріалів // Вісник ДУ “Львівська політехніка” Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні. -1996. - № 303. - С. 70-77.

Лебідь Н.М., Когут М.С. Тріщинотривкість () пришовної області зварних з'єднань із титанових і алюмінієвих сплавів // Проблеми міцності.. - 1998. -№ 5. - С. 89-99.

Лебідь Н.М. Методика визначення характеристик тріщинотривкості матеріалу в рамках деформаційних моделей // Вісник ДУ ”Львівська політехніка” Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні. - 1999. - Вип. 371. - С. 106-112.

Панько І.М., Лебідь Н.М. Деформаційна модель пружно-пластичного тіла з тріщиною // Машинознавство. - 1997. - № 2. - С. 17-21.

Лебідь Н.М., Русинко К.М. Оцінка тріщинотривкості зварних з'єднань із квазікрихких і в'язких матеріалів за критерієм критичного розкриття тріщини // Вісник ДУ ”Львівська політехніка” Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні. - 1999. - Вип. 371.- С. 65-71.

Когут М.С., Лебідь Н.М. Деякі уточнення методики визначення статичної тріщинотривкості матеріалів // Фіз.-хім.механіка матеріалів.- 1997. - № 2. - С. 123-125.

Когут Н.С., Боженко Л.И., Кукляк Н.Л., Щадыло Я.С., Лебидь Н.Н. Установка для натурных испытаний цилиндрических пружиy // Физико-химическая механика материалов. - 1992. - №6. - С.74-75.

Когут М.С., Лебідь Н.М. Тріщинотривкість конструкційних матеріалів і їх зварних з'єднань // Праці 2-го Міжнародного симпозіуму “Механіка та фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій”. Львів-Дубляни, 7-10 жовтня 1996р. - С. 321-324.

Патент 22912 А, України МКИ G 01 N 3/32. Спосіб визначення характеристики тріщинотривкості матеріалу. / Когут М.С., Лебідь Н.М. - № 96031068; Заявл. 20.03.96; Опубл. 05.05.98.

Анотація

Лебідь Н.М. “Оцінка тріщинотривкості квазікрихких і в'язких матеріалів за деформаційними критеріями”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04. - Механіка деформівного твердого тіла. - Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2000 р.

Дисертація присвячена розробленню теоретико-експериментальної методики оцінки тріщинотривкості квазікрихких і в'язких матеріалів, яка полягає в розв'язку пружно-пластичних задач механіки квазікрихкого руйнування на основі використання деформаційних моделей, з врахуванням напружено-деформованого стану матеріалу в зоні передруйнування, згідно повної діаграми його розтягу. При цьому зона розпушення, яка відповідає спадній ділянці діаграми і зона пластичного деформування матеріалу промодельовані критеріальними рівняннями. Розроблено ефективні методики визначення тріщинотривкості К1с і вимірювання к на циліндричних і призматичних зразках з регламентованими наплавками із квазікрихкого матеріалу. На підставі використання деформаційного к і силового К1с критеріїв досліджено опір руйнуванню конструкційних матеріалів і їх зварних з'єднань залежно від технологічних факторів, розмірів наплавок, способів зварювання, режимів термічного зміцнення та масштабного чинника. Розроблена методика може використовуватися в інженерних розрахунках для оцінки працездатності елементів конструкцій, деталей машин і їх зварних з'єднань.

Ключові слова: тріщинотривкість, квазікрихке руйнування, наплавка, деформаційні критерії, розкриття тріщини, дефект, зварне з'єднання, пришовна зона.

Аннотация

Лебидь Н.Н. Оценка трещиностойкости квазихрупких и вязких материалов за деформационными критериями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04. - механика деформируемого твердого тела. - Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2000.

Диссертация посвящена разработке теоретико-экспериментальной методики оценки трещиностойкости квазихрупких и вязких материалов, которая состоит в решении упругопластических задач механики квазихрупкого разрушения с использованием деформационных моделей, учитывающих напряженно-деформируемое состояние материала в зоне предразрушения, соответственно полной диаграмме его растяжения, а также измерения критического раскрытия трещины к на цилиндрических и призматических образцах. При этом зона разрыхления, отвечающая нисходящему участку диаграммы и зона пластического деформирования материала промоделированы критериальными уравнениями, как для задачи Гриффитса, так и для конечных тел, используя метод эквивалентных напряженных состояний. Определено раскрытие трещины в конечных телах, в частности, после растяжения полосы с центральной трещиной и растяжения цилиндра с кольцевой трещиной.

Разработаны эффективные методики и оснастка инициирования усталостных трещин в цилиндрических и призматических образцах с регламентированными наплавками из квазихрупкого и вязкого материала, позволяющими определить трещиностойкость К1с материала, а также деформационный критерий к - критическое раскрытие трещины в ее вершине. Предложены различные варианты измерения смещений берегов трещины (у дна надреза, по углу раскрытия надреза и у вершины трещины). Даны рекомендации относительно корректности результатов таких измерений.

Исследовано также влияние высоты наплавок на значения трещиностойкости Кс (К1с) и раскрытия трещины к. Изменением высоты наплавок в образце для вязкого материала, можно управлять процессами разрушения от квазихрупкого к хрупкому. Записью диаграммы разрушения образцов с трещинами в двух наплавках установлено, что смещение берегов трещины имеет упругую 2упр и пластическую 2пл слагаемые, при этом 2пл больше от 2упр. При автомодельных наплавках получаем постоянство значений пластической составляющей 2пл раскрытия к в двух трещинах.

На основании использования деформационного к и силового Кс (К1с) критериев исследовано сопротивление разрушению конструкционных материалов и их сварных соединений с учетом технологических размеров наплавок, способов сварки, режимов термообработки, масштабного фактора. С помощью разработанной методики испытаний цилиндрических образцов с трещинами, инициированными в различных зонах сварных соединений алюминиевого сплава 1420 установлено, что минимальное сопротивление разрушению имеет зона сплавления, а максимальное - основной материал. Металл шва и зоны термического влияния имеют промежуточные значения в сопротивлении разрушению. В такой же последовательности сохраняется эта закономерность и при изучения эффекта масштаба для этих сварных соединений. Установлено также корреляционную взаимосвязь между силовым параметром К1с и деформационным критерием к для оценки сопротивления разрушению пришовной области сварных соединений из алюминиевого сплава 1420, а также выявлено минимальные размеры цилиндрических образцов для которых выполняются условия максимального стеснения пластической деформации в вершине трещины при разрушении. Разработанная теоретико-экспериментальная методика может успешно применяться в инженерных расчетах для оценки работоспособности элементов конструкций, деталей машин и их сварных соединений, изготовленных из квазихрупких и вязких материалов, используя при этом деформационные к, 0, и силовые Кс (К1с) критерии механики квазихрупкого и хрупкого разрушения.

Ключевые слова: трещиностойкость, квазихрупкое разрушение, деформационные критерии, наплавка, раскрытие трещины, дефект, сварное соединение, пришовная зона.

Annotation

Lebid` N.M. Evaluation of quasibrittle and ductile materials crack resistance using deformation criteria. - Manuscript.

The thesis presented for Candidate of Sciences Degree in Engineering.

Speciality 01.02.04. - Mechanics of Fractured Bodies. - Ternopil Ivan Puluy State Technical University. Ternopil, 2000.

The subject of thesis is development of theoretical and experimental method of quasibrittle and ductile materials crack resistance evaluation. The evaluation is done through solution of plastoelastic problems of quasibrittle fracture mechanics using deformation models which take account of strain deformated state of the material in the pre-fracture zone using the whole diagram of its tension as well as measuring the critical disclosing of the crack к on cylindrical and prismatic samples. The loosening zone which corresponds to the falling section of the diagram and the zone of plastic deformation of the material has been modelled by criterial equations. There have been developed effective methods for determining the crack resistance K1c of the material and к of initiated fatigue cracks in cylindrical and prismatic samples with specified depositions with a quasibrittle material. Using the к and the force criterion K1c there has been investigated fracture resistance of construction materials and their welded joints depending on technological dimensions of depositions, methods of welding, modes of thermal strengthening and scale factor. The developed methodology may be used in engineering calculations for determining the servicability threshold of the construction elements, machine parts and their welded joints made of quasibrittle and ductile materials.

Key words: crack resistance, quasibrittle fracture, deposition, deformation criteria, crack disclosing, welded joint, near-weld zone.

Размещено на Allbest.ru

...