О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести
Показано, что вследствие качественного изменения механизма деформирования при глубоком охлаждении относительно небольшие изменения размеров образцов могут существенно влиять на механические свойства и прерывистую текучесть. Предложены критерии энергетического подобия условий механических испытани...
Збережено в:
| Дата: | 2002 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2002
|
| Назва видання: | Проблемы прочности |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46876 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 83-90. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-46876 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-468762013-07-07T20:16:39Z О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести Воробьев, Е.В. Научно-технический раздел Показано, что вследствие качественного изменения механизма деформирования при глубоком охлаждении относительно небольшие изменения размеров образцов могут существенно влиять на механические свойства и прерывистую текучесть. Предложены критерии энергетического подобия условий механических испытаний для исследования проявлений масштабного эффекта и получения сопоставимых характеристик различных материалов. Показано, що у зв’язку з якісною зміною механізму деформування за глибокого охолодження відносно невеликі зміни розмірів зразків можуть суттєво впливати на механічні властивості і переривчасту текучість. Запропоновано критерії енергетичної подібності умов механічних випробувань для дослідження масштабного ефекту й отримання зіставлюваних характеристик різних матеріалів. The criteria have been proposed for the energy similarity of mechanical test conditions for the analysis of the scale effect and comparison of deep cooling characteristics of different materials. It was demonstrated that due to qualitative changes in the deformation mechanism, relatively small dimensional variations of specimens can significantly affect characteristics of mechanical properties and an intermittent yield flow. 2002 Article О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 83-90. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46876 539.43 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Воробьев, Е.В. О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести Проблемы прочности |
| description |
Показано, что вследствие качественного изменения механизма деформирования при глубоком
охлаждении относительно небольшие изменения размеров образцов могут существенно
влиять на механические свойства и прерывистую текучесть. Предложены критерии
энергетического подобия условий механических испытаний для исследования проявлений
масштабного эффекта и получения сопоставимых характеристик различных материалов. |
| format |
Article |
| author |
Воробьев, Е.В. |
| author_facet |
Воробьев, Е.В. |
| author_sort |
Воробьев, Е.В. |
| title |
О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести |
| title_short |
О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести |
| title_full |
О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести |
| title_fullStr |
О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести |
| title_full_unstemmed |
О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести |
| title_sort |
о взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной прерывистой текучести |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| publishDate |
2002 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46876 |
| citation_txt |
О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной
прерывистой текучести / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 83-90. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| series |
Проблемы прочности |
| work_keys_str_mv |
AT vorobʹevev ovzaimovliâniiéffektovmasštabainizkotemperaturnojpreryvistojtekučesti |
| first_indexed |
2025-07-04T06:24:34Z |
| last_indexed |
2025-07-04T06:24:34Z |
| _version_ |
1836696496034021376 |
| fulltext |
УДК 539.43
О взаимовлиянии эффектов масштаба и низкотемпературной
прерывистой текучести
Е. В. Воробьев
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Показано, что вследствие качественного изменения механизма деформирования при глу
боком охлаждении относительно небольшие изменения размеров образцов могут сущест
венно влиять на механические свойства и прерывистую текучесть. Предложены критерии
энергетического подобия условий механических испытаний для исследования проявлений
масштабного эффекта и получения сопоставимых характеристик различных материалов.
К лю чевы е слова : масштабный фактор, прерывистая текучесть, скачок де
формации, жесткость, запас упругой энергии, механические характеристики,
критерий энергетического подобия.
О б о з н а ч е н и я
W - запас упругой энергии, Дж
с - жесткость системы образец-машина, МН/м
с 0 - жесткость образца, МН/м
Сі - жесткость машины, МН/м
О в - предел прочности материала, МПа
О 0,2 - условный предел текучести, МПа
Е - модуль упругости, МПа
д - относительное удлинение
N - число скачков деформации
£ с - усредненная деформация зоны течения
А/с - скачкообразный прирост удлинения, мм
/ - длина зоны течения, мм
Ь - длина рабочей части образца, мм
г - радиус поперечного сечения образца, мм
- площадь поперечного сечения образца, мм2
АТ - прирост температуры зоны течения, К
к т - коэффициент термического разупрочнения, МПа/К
К - эффективный модуль системы образец-машина, МПа
в - модуль деформационного упрочнения, МПа
О 0 - напряжение начала скачка, МПа
Введение. Известно, что механические характеристики материалов за
висят от условий нагружения и конструктивных особенностей, в частности
от размеров тела. Их влияние на прочность и деформативность, связанное со
статистическими, технологическими, механическими и энергетическими
© Е. В. ВОРОБЬЕВ, 2002
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 4 83
факторами, хорошо изучено. Увеличение на несколько порядков диаметров
или толщин образцов вызывает некоторое снижение характеристик пластич
ности и прочности.
При Г0 < 20 К происходит качественное изменение характера пласти
ческого деформирования металлов - реализуется низкотемпературная пре
рывистая текучесть (ПТ). Закономерности ее проявления, а значит, и меха
нические характеристики существенно зависят от масштабного фактора
[1-3], а главную роль среди условий нагружения (при жестком режиме
нагружения и стандартных скоростях деформирования [4]) играет жесткость
системы образец-машина [5, 6]. Ее влияние на кинетику деформирования и
разрушения структурно-однородных материалов обнаруживается лишь в
неравновесном состоянии системы - на ниспадающей ветви диаграммы
деформирования [7, 8], а при То < 20 К практически весь процесс пласти
ческого деформирования образца сопровождается многократными спадами
нагрузки. Деформирование происходит самопроизвольно, только за счет
запаса упругой энергии, определяемой величинами о , Г и С . Тем самым
влияние жесткости проявляется через энергетический фактор, эффект воз
действия которого суммируется и накапливается. Согласно действующему
стандарту [4], жесткость машин не регламентируется и может отличаться на
порядок и более. Диапазон предельных нагрузок разрывных машин состав
ляет 0,5...1000 кН [9]. При этом допускается использование образцов широ
кого спектра типоразмеров (Г = 5...79 м м 2) [4], а в практике низкотемпера
турного эксперимента, в силу его специфики, часто применяют так назы
ваемые микрообразцы (Г = 1,5...3мм ) [10, 11]. Очевидно, что значитель
ные отличия используемых образцов и машин в ряде случаев не позволяют
корректно сравнивать механические характеристики, что необходимо при
выборе материалов на стадии проектирования конструкции. Кроме того, при
исследовании влияния масштабного фактора также необходимо учитывать
указанные изменения энергетики процесса деформирования металлов при
Т) < 20 К. Однако до настоящего времени такой учет отсутствует.
Целью данной работы является формулировка условий энергетической
эквивалентности процесса ПТ как при испытаниях образцов различных
материалов с целью сопоставления их механических свойств, так и одного
применительно к проводимому исследованию масштабного эффекта.
Критерии энергетической эквивалентности процесса прерывистой
текучести. Запас упругой энергии системы образец-машина к моменту
начала скачка составляет
Е. В. Воробьев
Увеличение жесткости системы, как и уменьшение Е , вызывает сниже
ние запаса упругой энергии и, как следствие, уменьшение величин Д /с и є с ,
изменение характеристик пластичности и параметров ПТ [6]. Взаимосвязь
между жесткостью образца С 0 = Е Е /Ь , машины С і и системы С описыва
ется соотношением С = С оС і /(С о + С і) . Зависимости жесткости системы
от площади, длины и общей деформации, в том числе для геометрически
подобных образцов, приведены в [3]. Как следует из (1), постоянство жест
кости системы не обеспечивает идентичности энергетических условий де
(1)
84 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4
О взаимовлиянии эффектов масштаба и
формирования материала. Рассмотрим возможности приведения условий ПТ
в энергетическое подобие. В качестве критерия энергетического подобия
используют отношение энергии упругой деформации образца Ж0 к энергии
машины Ж [12]. Его можно представить в виде
теристики и объем V образца.
Величина скачкообразной деформации е с = АТкт / ( 0 + К ) [5], где К =
= С1/ Г , определяющая удельную работу деформирования, существенно за
висит не только от жесткости системы и размеров образца, но и от модуля
деформационного упрочнения, так как он, в свою очередь, в значительной
степени определяет удельную энергопоглощающую способность материала
на единицу деформации. Поэтому в качестве безразмерного критерия, комп
лексно характеризующего энергетический баланс процесса ПТ, целесообраз
но принять отношение удельной упругой энергии, запасенной в системе на
момент начала скачка деформации, к модулю упрочнения материала:
Здесь Жо = о, где Vо - объем участка образца, охваченного локализо
ванным течением.
[14]*, из (1) и (4) получаем для отдельно взятого скачка деформации с
точностью до постоянного множителя критерий энергетического подобия:
Поскольку по мере накопления деформации напряжение начала скачка
увеличивается, а модуль деформационного упрочнения снижается, для опре
деления критерия х могут быть использованы усредненные величины о с и
0 с. При аппроксимации диаграммы деформирования ломаной линией о с и
0 с можно представить в виде о с = о 0 2 + 0,5у (у = о в - о 0 2) и 0 с = у / е в
(е в - общая деформация образца, соответствующая пределу прочности).
Величину 0 с более точно можно получить из истинной диаграммы дефор
мирования образца при Т = То + АТ или методом интерполяции. С учетом
соотношения
* Такое допущение правомерно на стадии развитой ПТ, когда от одного скачка к другому а0
и в изменяются незначительно.
Я = С 1І С 0 (2)
Физически более обоснованным является критерий [13]
V = W |V , (3)
3
[V ]= Дж/м , учитывающий кроме жесткости системы прочностные харак-
Х = Wo/ в. (4)
3
Принимая Vо ~ г , когда длина участка пропорциональна радиусу
(5)
С = С і/(1 + С і / к о г ), (6)
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 85
Е. В. Воробьев
где коэффициент жесткости пропорционального цилиндрического образца
равен 0,1лЕ или 0 ,05лЕ соответственно для 5- или 10-кратных образцов,
критерии (3), (4), (5) принимают вид
Я = С 1 / к о г; (7)
V = а 2с (г + С 1 / к о ) / с 1; (8)
* = а ;т(г + С 1 / к о ) / С 16 с. (9)
Энергетическое подобие ПТ образцов различных материалов и разме
ров обеспечивается при условии % = const путем соответствующего подбора
жесткости машины с помощью зависимости
/
%в с
о с к о
-1
Величину %, как и Я или v для более высоких температур испытаний,
определяют, задаваясь некоторыми параметрическими значениями, которые
характеризуют базовую жесткость машины, исходный материал и его обра
зец.
Возможности регулирования жесткости машины С 1 ограничены ее
максимальной (исходной) величиной С 1и . Поскольку С 1 < С 1и, в качестве
исходного материала выбирается тот, у которого величина о 2 /в с наиболь
шая. Характер взаимосвязи между о с, отношением о 2/ в с ,радиусом образ
ца r и выбираемой жесткостью машины С 1 при % = const для 5-кратных
образцов стали 03Х20Н16АГ6 при параметрических значениях r = 1,5 мм,
С 1и = 14,5 МН/м, E = 2-105 МПа, о Си =1415 МПа, в Си = 2500 МПа, % =
-2= 9,64-10 иллюстрирует рис. 1.
Выбор конструкционного материала обычно производится из числа,
близких по механическим свойствам. Для материалов одного класса близки
также величины С 1. Например, для тех же образцов сталей 03Х20Н16АГ6
(исходный материал) и 12Х18Н10Т они составляют соответственно 14,5 и
13,4 МН/м. Однако для технического титана ВТ1-0 следует выбрать
С 1 = 8,1 МН/м, а для алюминиевого сплава АМг6 - 0,9 МН/м. Сопоставле
ние результатов испытаний материалов разного класса в условиях энерге
тической эквивалентности представляет интерес при изучении явления ПТ
Критерий (9) может быть использован и при сравнительном исследовании
проявления масштабного эффекта для различных материалов.
Для исследования масштабного эффекта на одном материале может
быть предложен также критерий, устанавливающий постоянство деформа
ций (2), в виде %' = 1/K . С учетом (6) и l ~ r его можно записать так:
86 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4
О взаимовлиянии эффектов масштаба и
Х ' = ( г + С , / к о ) /С !. (10)
Параметрическими величинами здесь являются максимальные значения С і
и г. Этому критерию тождественны критерии (8) и (9), если принять, что
для образцов данного материала сомножители о с и 9 с приблизительно
постоянны и могут быть исключены. Однако в силу влияния собственно
масштабного фактора эти сомножители в большей или меньшей степени
изменяются. Поэтому критерий (10) может использоваться для оценки мас
штабного эффекта лишь в первом приближении. Более точную оценку
можно получить с помощью безразмерного критерия (9) при проведении
повторных экспериментов с корректировкой запаса упругой энергии систе
мы путем дополнительного регулирования жесткости машины с учетом
указанных изменений.
о с . 02 о і . г
0 с, ’ 9с / 9с, ’ ги
Рис. 1. Зависимость среднего напряжения оc (7), отношения о\ / вc (2) и радиуса сечения
образца r (3) от выбираемой жесткости машины С при выполнении условия % = const.
Экспериментальны е исследования масштабного эффекта в усло
виях энергетического подобия процесса прерывистой текучести. Объек
том исследования служила аустенитная сталь 03Х20Н16АГ6. Испытания на
одноосное растяжение проводились при температуре 4,2 К в среде жидкого
гелия на установке УМН-10 [15]. Использовались микрообразцы стали диа
метром 1; 1,5 и 2 мм и стандартные 5-кратные образцы диаметром 3 мм. У
всех образцов сохранялось геометрическое подобие и идентичность техно
логии изготовления. Скорость деформирования составляла 1,6-10_3 c _1, а
базовая жесткость машины - 14,5 МН/м. Энергетическое подобие обеспечи
валось благодаря использованию критерия %. Для соответствующего регули
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4 87
Е. В. Воробьев
рования жесткости машины применяли устройство [16] в виде контейнера с
набором тарельчатых пружин, определенное число которых включается в
силовую цепь. Эксперименты показали, что с уменьшением площади попе
речного сечения образцов значительно снижаются характеристики пластич
ности и относительное число скачков (рис. 2). На рис. 2 для сравнения при
ведены зависимости, полученные при постоянной жесткости машины [3].
Рис. 2. Зависимости относительного удлинения (1, 2) и относительного числа скачков (3, 4)
от площади поперечного сечения образцов стали 03Х20Н16АГ6 при отсутствии (сплошные
линии) и наличии (пунктирные линии) энергетического подобия ПТ.
Как видно, при сохранении качественного подобия данных зависимос
тей имеют место значительные количественные отличия. Следует отметить
и снижение более чем на 100 МПа предела прочности образцов наимень
шего диаметра. Это можно объяснить тем, что при уменьшении жесткости,
необходимом для постоянства %, условие разрушения [17] по механизму
адиабатического сдвига начинает выполняться на более ранней стадии де
формирования.
Заключение. Исследование показало, что относительно небольшие из
менения размеров образцов приводят к значительным изменениям механи
ческих характеристик и параметров ПТ. Наличие сильного масштабного
эффекта указывает на неприемлемость использования микрообразцов при
низкотемпературных испытаниях.
С целью получения сопоставимых результатов механических испыта
ний различных материалов при глубоком охлаждении необходимо приме
нять образцы одного типоразмера при выполнении условия энергетического
подобия ПТ. Предложен безразмерный критерий подобия, учитывающий как
запасенную удельную энергию, так и энергопоглощающую способность
материала. Условие энергетического подобия реализуется путем регулирова
ния жесткости испытательной машины.
1,0
0,4
0 0,2 0,4 0,6 0,8
88 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4
О взаимовлиянии эффектов масштаба и
Р е з ю м е
Показано, що у зв’язку з якісною зміною механізму деформування за
глибокого охолодження відносно невеликі зміни розмірів зразків можуть
суттєво впливати на механічні властивості і переривчасту текучість. Запро
поновано критерії енергетичної подібності умов механічних випробувань
для дослідження масштабного ефекту й отримання зіставлюваних характе
ристик різних матеріалів.
1. Старцев В. И., Ильичев В. Я ., Пустовалов В. В. Пластичность и проч
ность металлов при низких температурах. - М.: Металлургия, 1975. -
328 с.
2. Стриж ало В. А., Бугаев В. Ю , М едведь И. И. Влияние масштабного
фактора на особенности деформирования конструкционных сплавов
при статическом растяжении в условиях глубокого охлаждения (4,2 К)
// Пробл. прочности. - 1990. - № 5. - С. 61 - 66.
3. Воробьев Е. В. О прогнозировании проявлений масштабного фактора в
условиях глубокого охлаждения // Оцінка й обгрунтування продов
ження ресурсу елементів конструкцій: Праці Міжнар. конф. (6-9 червня
2000 р., Київ, Україна). - Київ: Логос, 2000. - Т. 1. - С. 449 - 453.
4. Г О С Т 22706-77. Металлы. Метод испытания на растяжение при темпе
ратурах от минус 100 до минус 269°С. - Введ. 01.09.88.
5. Воробьев Е. В., Стриж ало В. А. Развитие низкотемпературной скачко
образной деформации металлов и возможности ее устранения // Пробл.
прочности. - 1999. - № 1. - С. 41 - 52.
6. Воробьев Е. В. О влиянии жесткости системы нагружения на сопро
тивление деформированию и разрушению образцов сплавов при глубо
ком охлаждении // Там же. - 2001. - № 1. - С. 98 - 104.
7. Зилова Т. К., Новосильцева Н. И., Фридман Я. Б. Методы испытаниия с
переменным запасом упругой энергии и его влияние на механические
свойства // Завод. лаб. - 1969. - № 10. - С. 1229 - 1236.
8. Л ебедев А. А., Чаусов Н. Г. Установка для испытания материалов с
построением полностью равновесных диаграмм деформирования //
Пробл. прочности. - 1981. - № 12. - С. 104 - 106.
9. Г О С Т 28840-90. Машины для испытания материалов на растяжение,
сжатие и изгиб. Общие технические требования. - Введ. 01.01.93.
10. Л ебедев Д. В. Конструктивная прочность криогенных сталей. - М.:
Металлургия, 1976. - 264 с.
11. Потапов Б. В., Ярошенко А. Г. Установки для испытания микрообраз
цов на растяжение и ползучесть в сильных магнитных полях // Завод.
лаб. - 1977. - № 8. - С. 1020 - 1021.
12. Зилова Т. К., Петрунина Н. И., Фридман Я. Б. Кинетика процесса
деформации и разрушения в связи с запасом упругой энергии // Некото
рые проблемы прочности твердого тела. - М., 1959. - С. 297 - 311.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 89
Е. В. Воробьев
13. Л ебедев А. А ., М аковецкий И. В., Ламашевский В. П. и др. Эксперимен
тальное исследование влияния эффекта масштаба на прочность чугуна с
шаровидным графитом // Пробл. прочности. - 1982. - № 12. - С. 15 -
18.
14. Еремин В. И. Геометрия области локализованной деформации при
низкотемпературном скачкообразном течении металлов // Там же. -
1987. - № 2. - С. 37 - 39.
15. Стриж ало В. А., Новогрудский Л. С., Воробьев Е. В. Прочность сплавов
криогенной техники при электромагнитных воздействиях. - Киев: Наук.
думка, 1990. - 180 с.
16. Стриж ало В. А., Воробьев Е. В. Моделирование низкотемпературной
прерывистой текучести методом импульсного подгружения // Пробл.
прочности. - 1997. - № 3. - С. 83 - 89.
17. Стриж ало В. А., Воробьев Е. В. Низкотемпературная прерывистая
текучесть упрочняющихся материалов // Там же. - 1994. - № 10. -
С. 3 - 8.
Поступила 04. 09. 2001
90 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4
|