Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация

В связи с задачей определения достоверных значений механических характеристик металлических материалов при температурах ниже 30 К исследованы особенности многократного шейкообразования на цилиндрических образцах конструкционных сплавов криогенной техники при проявлении эффекта низкотемпературной...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2008
Автор:	Воробьев, Е.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2008
Назва видання:	Проблемы прочности
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48257
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:	Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2008. — № 3. — С. 92-99. — Бібліогр.:13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-48257
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-482572013-08-17T16:03:23Z Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация Воробьев, Е.В. Научно-технический раздел В связи с задачей определения достоверных значений механических характеристик металлических материалов при температурах ниже 30 К исследованы особенности многократного шейкообразования на цилиндрических образцах конструкционных сплавов криогенной техники при проявлении эффекта низкотемпературной прерывистой текучести. Выполненная оценка жесткости и неоднородности объемного напряженного состояния типичных шеек показала, что оно незначительно отличается от линейного, и использование таких образцов для стандартных механических испытаний в условиях глубокого охлаждения правомерно. У зв’язку із задачею визначення достовірних величин механічних характеристик металевих матеріалів за температур нижче 30 К досліджено особливості багаторазового шийкоутворення на циліндричних зразках конструкційних сплавів кріогенної техніки при реалізації ефекту низькотемпературної переривчастої текучості. Виконана оцінка жорсткості та неоднорідності об’ємного напруженого стану типових шийок показала, що він несуттєво відрізняється від лінійного, і використання таких зразків для стандартних механічних випробувань в умовах глибокого охолодження є правомірним. In order to determine true values of mechanical characteristics of metals at temperatures below 30 K, we study the particular features of multiple neck formation in cylindrical specimens of structural alloys used in cryogenic equipment, by which the effect of low-temperature discontinuous yielding is manifested. Our estimation of the rigidity and heterogeneity of the multiaxial stress state of typical necks has shown that it is insignificantly different from the linear one, whereas usage of such specimens for standard mechanical tests in cryogenic conditions is justified. 2008 Article Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2008. — № 3. — С. 92-99. — Бібліогр.:13 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48257 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. Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация Проблемы прочности
description	В связи с задачей определения достоверных значений механических характеристик металлических материалов при температурах ниже 30 К исследованы особенности многократного шейкообразования на цилиндрических образцах конструкционных сплавов криогенной техники при проявлении эффекта низкотемпературной прерывистой текучести. Выполненная оценка жесткости и неоднородности объемного напряженного состояния типичных шеек показала, что оно незначительно отличается от линейного, и использование таких образцов для стандартных механических испытаний в условиях глубокого охлаждения правомерно.
format	Article
author	Воробьев, Е.В.
author_facet	Воробьев, Е.В.
author_sort	Воробьев, Е.В.
title	Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация
title_short	Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация
title_full	Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация
title_fullStr	Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация
title_full_unstemmed	Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация
title_sort	особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. сообщение 1. осесимметричная деформация
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48257
citation_txt	Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2008. — № 3. — С. 92-99. — Бібліогр.:13 назв. — рос.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT vorobʹevev osobennostišejkoobrazovaniâprinizkotemperaturnojpreryvistojtekučestimetallovsoobŝenie1osesimmetričnaâdeformaciâ
first_indexed	2025-07-04T08:34:24Z
last_indexed	2025-07-04T08:34:24Z
_version_	1836704664300552192
fulltext	УДК 539.43 Особенности шейкообразования при низкотемпературной преры вистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация Е. В. Воробьев Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина В связи с задачей определения достоверных значений механических характеристик метал лических материалов при температурах ниже 30 К исследованы особенности многократного шейкообразования на цилиндрических образцах конструкционных сплавов криогенной тех ники при проявлении эффекта низкотемпературной прерывистой текучести. Выполненная оценка жесткости и неоднородности объемного напряженного состояния типичных шеек показала, что оно незначительно отличается от линейного, и использование таких образцов для стандартных механических испытаний в условиях глубокого охлаждения правомерно. К л ю ч е в ы е с л о в а : низкотемпературная прерывистая текучесть, образец, шей ка, система напряжений, жесткость напряженного состояния, механические характеристики, стандартный метод испытаний металлов на растяжение. Полагают, что образование шейки при растяжении образца происходит в результате только механической неустойчивости процесса, а не физичес ких изменений в природе деформации, которые могут только зарождаться и являться не причиной, а следствием [1], причем потеря устойчивости плас тической деформации наступает при превышении интенсивностью геомет рического разупрочнения образца интенсивности деформационного упроч нения материала. Соответственно перераспределяется вклад равномерной и локальной деформации в общее формоизменение образца. Однако в усло виях охлаждения до температур ниже 30 К причиной шейкообразования является качественное изменение характера деформирования металлов - переход от непрерывной однородной деформации к адиабатической скачко образной и локализованной в связи с проявлением эффекта низкотемператур ной прерывистой текучести (ПТ). В этих условиях образование шеек, которые будем называть адиабатическими, - следствие именно физических изменений в природе пластической деформации, связанных с переходом от ее обычных механизмов (скольжение) к механизмам, реализация которых обусловлена дискретными пробоями барьеров мощными дислокационными скоплениями, дополняющимися термоактивированным движением дислокаций с локали зацией тепловой энергии и деформации в ходе катастрофического течения [2, 3]. В данном случае также можно говорить о потере устойчивости процесса пластического деформирования, но иного рода, учитывая реализа цию эффекта ПТ и, в частности, завершение стадии однородной деформа ции и появление первых скачков [4]. Изменение механизма деформирования обусловливает ряд существен ных особенностей шейкообразования при низкотемпературной ПТ, основ ные из которых следующие: © Е. В. В О РО Б ЬЕ В , 2008 92 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 3 Особенности шейкообразования при низкотемпературной образуется не одна, а множество шеек, число которых соответствует числу скачков деформации; шейкообразование начинается не в верхней точке диаграммы растяже ния, а на более ранних стадиях, в том числе непосредственно за пределом текучести; процесс локализации деформации происходит скачкообразно, его дли _4 _2 тельность имеет порядок 10 ...10 с, а не 1...10 с; шейкообразование происходит не в изотермических или близких к ним условиях, а в адиабатических и сопровождается скачком температуры, дости гающим 200 К; процесс локализации деформации не усиливается, смещаясь к наимень шему сечению, а прекращается с завершением скачка, и напряженно-дефор мированное состояние данной шейки “замораживается”; материал в шейке не получает значительной поврежденности и анизо тропии, а вплоть до разрушения остается относительно малоповрежденным, за исключением последней шейки. Шейка является очевидным признаком неоднородности (локализации) деформации. При этом, независимо от механизма ее образования, реализу ется объемное неоднородное напряженное состояние, причем радиальные растягивающие напряжения могут достигать значительных величин. В то же время сохранение однородности деформации и напряжения - одно из важ ных условий получения надежных экспериментальных данных. Поэтому при испытании материалов возникает вопрос о достоверности некоторых механических характеристик (предел прочности, относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва), получаемых в условиях реализации эффекта ПТ. Цель данной работы заключается в оценке степени жесткости и неоднородности напряженного состояния стандартных образ цов, его отличия от линейного и выработке соответствующих рекомендаций по усовершенствованию и использованию метода испытаний металлов на растяжение [5]. Напряжения рассчитываем по методу Бриджмена [6], согласно которому осевые напряжения в наименьшем сечении шейки с геометрическими пара метрами Г0 , г^ г 2 (рисунок) представлены в виде суммы двух систем - постоянной компоненты осевого напряжения: О с = к сО г (1) (о г - истинное напряжение, о г = р /даг2; к с = 1/[(1 + 2г2/г1)1п(1+ г1/ 2 г 2 ) ] ) и переменной - гидростатического растягивающего напряжения: О к (г) = О с 1п[(г12 + 2г1г2 _ г 2 )/ (2г1г2 ^ (2) достигающего максимального значения о ^ на оси образца (г = 0). Вторая система определяет также величины радиальных о г и тангенциальных о в напряжений. Схема распределения напряжений в наименьшем сечении шей ки показана на рисунке. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 3 93 Е. В. Воробьев Ь/2 і Геометрические параметры шейки цилиндрического образца и схема распределения напря жений в ее наименьшем сечении. В центральной точке шейки действуют следующие главные напряжения: а 1 = а с + а йо, а 2 = а 3 = а ^ или в соответствии с (2 ): а 1 = а с [1+ 1п(1+ г ^ ] ; (3) а 2 = а 3 = а с 1п(1+ г^ 2 г2) . (4) Принимая в качестве условия эквивалентности соотношение Мизеса Ое = у 1 “ О2)2 + ( о 2 “ О3)2 + ( о 3 “ Оі ) 2 ], (5) получаем О е = О с . Из (1) следует, что О е < О г, т.е. шейка как своеобразный концентратор напряжений оказывает упрочняющее воздействие. “Упрочнение формы” в относительном выражении составляет П * = (О г “ О е V0 г = 1“ к с ■ (6) Жесткость напряженного состояния характеризуется параметром к г = = о т / о і , где о т = ( о і + о 2 + о з )/3 - среднее напряжение; о { - интенсив ность напряжений, О і = О е = О с. Для центральной точки, где напряженное состояние наиболее жесткое, с использованием (1), (3), (4) имеем к г = 3 + 1п(1+ Г112 г2 ), (7) где второе слагаемое показывает величину отклонения напряженного состоя- 1 ния в этой точке от линейного (а 1 > 0; а 2 = а 3 = 0), для которого к г = 3 . 94 Й'ОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, N 3 Особенности шейкообразования при низкотемпературной Отметим, что с помощью такой характеристики, как параметр Лоде- Надаи Х а = (2о2 — о 1 — о 3 ) /(о 1 — о 3 ), в данном случае нельзя определить, как напряженное состояние отличается от одноосного растяжения, х о = — 1 поскольку она характеризует только вид девиатора напряжений и не учиты вает влияние компонентов напряжений, связанных с изменением обьема. Решение Бриджмена [6 ] для шейки хорошо описывает напряженное состояние и цилиндрических образцов с “мягкими” надрезами [7]. Рассмат ривая шейку как концентратор напряжений, распределение осевых напряже ний о г вдоль оси г (рисунок) можно охарактеризовать градиентом напря жений и коэффициентом концентрации. Последний определяется как К { = = о 1/ о { или с учетом (3) - К г = к с [1+ 1п(1+ ^ /2 ^ ) ] . Поскольку о г ( г) = = о с + о ь ( г ), градиент напряжений выражается в виде йо % йг 2о сг + 2Г1Г2 — г 2 Величиной, характеризующей степень неоднородности напряженного 1 йо состояния, является относительный градиент напряжений п о = -------, кото- о а г рый для осевых напряжений можно представить следующим образом: По = —2г I (г12 + 2г1г2 — г 2) 1 + 1п 2 2 г1 + 2г1г2 — г \ 2г1г2 — 1 Он изменяется от нуля на продольной оси образца до величины, равной кривизне образующей шейки на его поверхности, у о = — 1/г2 . Соответст венно й о г / й г изменяется от 0 до —о с/ ^ . Для экспериментального исследования шейкообразования при низко температурной ПТ использовали стандартные пятикратные цилиндрические (диаметр 3 мм) образцы аустенитных сталей 03Х20Н16АГ6, 12Х18Н10Т и титановых сплавов 3М и ВТ5-1. Указанные материалы используются в криогенной технике, эксплуатируемой при температурах, близких к абсо лютному нулю. Образцы испытывали на статическое растяжение согласно требованиям [5] на установке УМН-10 [8 ] в среде жидкого гелия при температуре 4,2 К. Жесткость системы нагружения, не регламентируемая стандартом [5], составляла 14,5 МН/м. Как показывают измерения, наиболее выраженные шейки с наименьшей площадью сечения наблюдаются у образцов стали 03Х20Н16АГ6, а самая рельефная шейка, в которой происходит разрушение, соответствует послед нему скачку, что согласуется с результатами [9]. Интенсификации локали зации деформации на последнем скачке способствует накопившееся именно в этой шейке деформационное повреждение материала, так как его влияние качественно аналогично температурному разупрочнению [10]. Геометрические параметры г0 и г определяли путем непосредствен ного измерения, г2 - по зависимости г ^ г 2 = / ( £ ) [6 ], где £ - осевая логарифмическая деформация, 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 3 95 Е. В. Воробьев £ = 1п( г02/ Г!2 ). (8) При £ < 1 соотношение радиусов МОЖНО представить В виде Гх/Г 2 = = 0,75 £. Параметры напряженного состояния рассчитывали для трех типов шеек образцов стали 03Х20Н16АГ6: 1) обычная шейка, соответствующая стадии развитой ПТ; 2) шейка, в которой произошло квазихрупкое разрушение; 3) шейка, в которой произошло разрушение по механизму адиабатичес кого сдвига, т.е. в процессе скачка [11]. Результаты расчетов представлены в таблице. Геометрические параметры и характеристики напряженного состояния в шейке цилиндрических образцов стали 03Х20Н16АГ6 Тип шейки г0, мм г1, мм К к , V * , мм 1 1 1,34 1,21 1- + 0,062 3 1,032 0,033 0,116 2 1,29 1,10 1- + 0,113 3 1,047 0,057 0,217 3 1,23 0,95 1 - + 0,177 3 1,08 0,082 0,406 При расчетах с использованием классического решения [12] для данных соотношений Г1/Г2 < 0,38 получены практически те же результаты с пре небрежимо малыми отклонениями параметров напряженного состояния от приведенных в таблице. Отметим, что в целом методы [6, 12] дают достаточно точную оценку распределения напряжений при г^Г 2 < 0,77 и тольки при г^Г 2 > 1 получа ются существенно заниженные значения [13]. С использованием уравнения (8) для шейки типа 1 получим £ = 0,204, что близко к полной логарифмической деформации £ а = 1п(1+ д), где д - относительное удлинение образца после разрыва. Для цилиндрического образца стали 03Х20Н16АГ6, испытанного на растяжение в указанных выше условиях, имеем д = 0,350, £ а = 0,300. Таким образом, £ а > £, что невоз можно в случае полной локализации деформации при ее скачкообразном развитии, т.е. данное неравенство свидетельствует о наличии некоторого вклада равномерной деформации. Оценка этого вклада путем учета дефор мационного упрочнения показывает, что для стали 03Х20Н16АГ6 он дости гает 30% общего удлинения образца при скачке [2]. Такая величина соответ ствует и оценке деформационным методом: полагая, что вклад равномерной деформации составляет £ к ~ 1 — £ а / £, получаем £ к ~ 0,320. В общем случае для аналитического описания профиля шейки исполь зуют гиперболические, параболические, экспоненциальные и другие зависи мости. Для обычной шейки характерно интенсивное развитие деформации в центральной области - контур шейки сопрягается с линиями, касательными к образующей в точках перегиба (рисунок). В то же время, как отмечалось 96 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 3 Особенности шейкообразования при низкотемпературной ... выше, при ПТ для шеек типа 1 такое усиление локализации неприсуще. 1 Точки перегиба образующей такой шейки имеют координаты /1 = 4 Ь и 3 /2 ~ 4 Ь (рисунок), поэтому ее профиль может быть описан функцией вида т0 + т т0 - т 2л7 у (/) = + - ^ у ^ с о 8 — , (9) отвечающей данному условию. Кривизна образующей определяется по формуле 1 У" Р [1 + (/ ) 2 ]3 /2 ’ согласно которой для функции (9) при / = Ь/2 получим -1 = 2я 2 ^ . Г2 Ь2 Для шейки типа 1 расчетное значение кривизны составляет 1/Г2р = = 0,13 мм - 1 , что близко к значению, полученному из приведенной эмпири ческой зависимости Г2 = / (в) [6 ]. Анализ результатов показывает, что шейкообразование по типу 1, сопро вождающее весь процесс низкотемпературной ПТ, за исключением послед него скачка, не приводит к существенному отклонению напряженного состояния образца от линейного. И только на заключительном этапе дефор мирования, который предшествует или сопутствует разрушению, появляется шейка, особенно типа 3, в которой действуют значительные растягивающие радиальные напряжения. При этом реализуется объемное напряженное состояние с коэффициентом жесткости до к т ~ 0,5 (таблица). Однако появление и развитие адиабатической шейки типа 3, как и "обычной”, при более высоких температурах уже не оказывает значитель ного влияния на механические характеристики материала. Так, на последнем скачке (в случае квазихрупкого разрушения при последующем упругом нагружении [11]), т.е. в процессе образования шейки типа 2 , удлинение образца Д/ составляет 0,42 мм, и величины д и £ а без учета этого прироста соответственно равны 0,325 и 0,281. Нагрузка, соответствующая началу последнего скачка, как правило, практически не превышает или меньше таковой для предпоследнего скачка, поэтому предел прочности не изменяется. И лишь величина относительного сужения образца после раз рыва ^ полностью определяется по последней шейке. Однако эта характе ристика не является в данном случае достаточно информативной, поскольку существенно зависит от характера разрушения образца: квазихрупкого или путем адиабатического сдвига. Так, для шеек типа 2 и 3 величина ^ соответственно составляет 0,257 и 0,329. Вероятность разрушения по ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 3 97 Е. В. Воробьев механизму адиабатического сдвига увеличивается с уменьшением жесткости системы нагружения [11]. Поэтому использование цилиндрических образцов для определения ме ханических характеристик при стандартных механических испытаниях, не смотря на появление многочисленных шеек, следует признать правомерным и в условиях глубокого охлаждения. Р е з ю м е У зв’язку із задачею визначення достовірних величин механічних характе ристик металевих матеріалів за температур нижче 30 К досліджено особли вості багаторазового шийкоутворення на циліндричних зразках конструк ційних сплавів кріогенної техніки при реалізації ефекту низькотемператур ної переривчастої текучості. Виконана оцінка жорсткості та неоднорідності об’ємного напруженого стану типових шийок показала, що він несуттєво відрізняється від лінійного, і використання таких зразків для стандартних механічних випробувань в умовах глибокого охолодження є правомірним. 1. Д а ви д ен к о в Н. Н . О природе шейки при растяжении образцов // Журн. техн. физики. - 1955. - 25, № 5. - С. 125 - 128. 2. Д и ден к о Д . А . О механизме низкотемпературной скачкообразной дефор мации алюминия // Физические процессы пластической деформации при низких температурах. - Киев: Наук. думка, 1974. - С. 129 -138. 3. В о р о б ь ев Е. В ., А н п и логова Т. В . Особенности проявления эффекта низкотемпературной скачкообразной деформации металлов // Надійність і довговічність машин і споруд. - 2006. - 26. - С. 166 - 172. 4. Vorob 'ev Ye. New types of limit states of structural alloys related to the realization of the low-temperature discontinuous yielding effect // Mechanika. - 2006. - No. 1 (57). - P. 17 - 21. 5. Г О С Т 2 2 7 0 6 -7 7 . Металлы. Метод испытания на растяжение при темпе ратурах от минус 100 до минус 269°С. - Введ. 01.09.88. 6. B ridgm an P. W. Studies in Large Plastic Flow and Fracture. - New York; Toronto; London: McGraw-Hill, 1952. - 424 p. 7. П олухин П. И ., Г ун Г. Я ., Галкин А. М . Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. - М.: Металлургия, 1983. - 351 с. 8. С т риж ало В. А ., Н о во гр уд ск и й Л . С., В о р о б ь ев Е. В. Прочность сплавов криогенной техники при электромагнитных воздействиях. - Киев: Наук. думка, 1990. - 180 с. 9. Г о р о ды ск и й Н. И ., Н ови ков Н. В ., С т асю к С. 3 . Некоторые законо мерности прерывистого течения металла при растяжении образцов из конструкционных материалов в жидком гелии // Пробл. прочности. - 1976. - № 6. - С. 69 - 71. 10. С т еп анов Г. В . Локализация деформации сдвига в металле при динами ческом нагружении // Пробл. прочности. - 1995. - № 8. - С. 52 - 59. 98 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 3 Особенности шейкообразования при низкотемпературной 11. В о р о б ь ев Е. В . О влиянии жесткости системы нагружения на сопротив ление деформированию и разрушение образцов сплавов при глубоком охлаждении // Там же. - 2001. - № 1. - С. 98 - 104. 12. Д а ви д ен к о в Н. Н ., С п ири дон ова Н. И . Анализ напряженного состояния в шейке растянутого образца // Завод. лаб. - 1945. - 11, № 6. - С. 583 - 593. 13. Р езн и ков В. И ., С егал В. М . Экспериментальное исследование напря женно-деформированного состояния в шейке цилиндрического образца при растяжении // Пробл. прочности. - 1980. - № 1. - С. 78 - 81. Поступила 15. 03. 2007 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 3 99

Особенности шейкообразования при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 1. Осесимметричная деформация

Репозитарії

Схожі ресурси