Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация

Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация

Исследованы закономерности многократного шейкообразования на плоских образцах спла­вов криогенной техники при проявлении эффекта низкотемпературной прерывистой теку­чести. Показано, что в отличие от цилиндрических образцов в данном случае имеет место значительное отклонение напряженного состояния от...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2008
1. Verfasser: Воробьев, Е.В.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2008
Schriftenreihe:Проблемы прочности
Schlagworte:
Научно-технический раздел
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48274
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2008. — № 4. — С. 61-68. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-48274
record_format dspace
spelling irk-123456789-482742013-08-17T20:21:46Z Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация Воробьев, Е.В. Научно-технический раздел Исследованы закономерности многократного шейкообразования на плоских образцах спла­вов криогенной техники при проявлении эффекта низкотемпературной прерывистой теку­чести. Показано, что в отличие от цилиндрических образцов в данном случае имеет место значительное отклонение напряженного состояния от линейного, что существенно влияет на получаемые механические характеристики и не позволяет рекомендовать плоские образцы для стандартных механических испытаний металлов на растяжение при температурах ниже 30 К. Досліджено особливості багаторазового шийкоутворення на плоских зраз­ках сплавів кріогенної техніки при проявленні ефекту низькотемпературної переривчастої текучості. Показано, що на відміну від циліндричних зразків у даному випадку має місце значне відхилення напруженого стану від лінійного, що суттєво впливає на отримані механічні характеристики і не дозволяє рекомендувати плоскі зразки для стандартних механічних випро­бувань металів на розтяг за температур нижче 30 К. We study regularities of multiple neck forma­tion in flat specimens of alloys used in cryo­genic engineering, when the effect of soft discontinuous yielding is manifested. It is shown that, in contrast to cylindrical specimens, the stressed state, in this case, is considerably dif­ferent from linear one, which fact essentially af­fects the mechanical characteristics obtained and does not allow one to recommend usage of flat samples for standard mechanical tests of metals in tension at temperatures below 30 K. 2008 Article Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2008. — № 4. — С. 61-68. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48274 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 шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация
Проблемы прочности
description Исследованы закономерности многократного шейкообразования на плоских образцах спла­вов криогенной техники при проявлении эффекта низкотемпературной прерывистой теку­чести. Показано, что в отличие от цилиндрических образцов в данном случае имеет место значительное отклонение напряженного состояния от линейного, что существенно влияет на получаемые механические характеристики и не позволяет рекомендовать плоские образцы для стандартных механических испытаний металлов на растяжение при температурах ниже 30 К.
format Article
author Воробьев, Е.В.
author_facet Воробьев, Е.В.
author_sort Воробьев, Е.В.
title Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация
title_short Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация
title_full Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация
title_fullStr Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация
title_full_unstemmed Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация
title_sort особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. сообщение 2. плоская 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/123456789/48274
citation_txt Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация / Е.В. Воробьев // Проблемы прочности. — 2008. — № 4. — С. 61-68. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series Проблемы прочности
work_keys_str_mv AT vorobʹevev osobennostišejkoobrazovannâprinizkotemperaturnojpreryvistojtekučestimetallovsoobŝenie2ploskaâdeformaciâ
first_indexed 2025-07-04T08:39:19Z
last_indexed 2025-07-04T08:39:19Z
_version_ 1836704977406394368
fulltext УДК 539.43 Особенности шейкообразовання при низкотемпературной прерывистой текучести металлов. Сообщение 2. Плоская деформация Е. В. Воробьев Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина Исследованы закономерности многократного шейкообразования на плоских образцах спла­ вов криогенной техники при проявлении эффекта низкотемпературной прерывистой теку­ чести. Показано, что в отличие от цилиндрических образцов в данном случае имеет место значительное отклонение напряженного состояния от линейного, что существенно влияет на получаемые механические характеристики и не позволяет рекомендовать плоские образ­ цы для стандартных механических испытаний металлов на растяжение при температурах ниже 30 К. 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. Как и в случае осесимметричной деформации [1], напряженное состоя­ ние в шейке плоского образца также можно представить в виде суммы двух систем напряжений: постоянного а 2 и переменного а л (гидростатического растягивающего) [2]. В центральной точке шейки плоского образца (рис. 1) ак достигает максимального значения а а л0 = а 2с 1п(1+ а/ 2г2 )> где а гс = к са ; а = Р / аЬ, к с = {(1 + 2?2 / а ) 1/2 1п[1 + а /Г 2 + (2а / Г2 ) 1/2(1 + а / 2 г 2 ) 1/2 ] - 1}- 1. При этом имеем а х = а у = а ̂ , а 2 = а 2 + а ̂ . Эти напряжения являются главными, т.е. а 1 = а 2, а2 = а у, а3 = ах. Тогда из условия эквивалентнос­ ти Мизеса а е = ^ 1 [( а 1 - а 2 )2 + (а 2 - а 3 )2 + (а 3 - а 1)2] (1) получим а е = а 1 =а 2 , где а е и а 1 - соответственно эквивалентное напряжение и интенсивность напряжений. По аналогии с цилиндрическими образцами [1] параметр, характери­ зующий жесткость напряженного состояния в центральной точке шейки, представляется в виде © Е. В. В О РО Б ЬЕ В , 200 8 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 4 61 Е. В. Воробьев 1 к р = - + ln(1+ а /2 ^ ) , (2) коэффициент упрочнения - П sp = (° zt ~ ° e ) / ° zt = 1 — к с ■ (3) Для экспериментального исследования шейкообразования при низко­ температурной прерывистой текучести (ПТ) кроме цилиндрических [1] исполь­ зовали стандартные плоские образцы аустенитных сталей 03Х20Н16ЛГ6, 12Х18Н10Т и титановых сплавов 3М и ВТ5-1 шириной 8 мм и толщиной 1,5 мм. Образцы изготовляли и испытывали на статическое растяжение согласно требованиям стандарта [3] в среде жидкого гелия при температуре 4,2 К. Обмеры шеек образцов показали, что для типичных шеек средние величины геометрических параметров L, а о и а (рис. 1) соответственно составляют 2,0; 0,68; 0,60 (для титановых сплавов) и 1,9; 0,69; 0,57 (для аустенитных сталей). Аппроксимируя профиль шейки функцией, получен­ а 0 + а а 0 — а 2л1 1 ной в [1] в виде у ( l ) = --------- + ----------cos----- , из которой следует ----= 2 2 L Г2 Х(Х,) Рис. 1. Схема плоского образца с шейкой. Поскольку данные шейки не совпадают с зонами разрушения (обмер с приемлемой точностью шеек, в которых произошло разрушение, из-за спе­ цифики поверхности раздела не представляется возможным), их рассматри­ вали как аналогичные типу 1 для цилиндрических образцов [1]. * Для шейки типа 1 аналогичное соотношение существенно меньше: г / г2 — 0,14 [1]. 62 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 4 Особенности шейкообразования при низкотемпературной Сравнение значений коэффициентов k r и k r для цилиндрических и = —;= а е (при о = о о, где о о - критическое напряжение [4], а именно: плоских образцов показывает, что накопление пластических деформаций последними происходит в условиях намного более жесткого напряженного состояния. Коэффициент упрочнения, определяемый выражением (3), в дан­ ном случае составляет 0,08...0,11, что также выше соответствующего пока­ зателя для цилиндрического образца более чем в два раза. Рассмотрим еще одну особенность деформирования плоских образцов. Как известно, в шейке такого образца реализуются условия плоской дефор­ мации, и при этом компоненты деформации соотносятся как е = —е , 1 е у = 0, причем о у = ^ о Zi (соответствующие оси показаны на рис. 1). Если шейка будет расположена перпендикулярно к оси Z, из условия экви- P валентности (1) при данном соотношении напряжений следует о = -— = ba о V3' напряжение перехода от упругого деформирования к скачкообразной лока­ лизованной деформации), т.е. для локализации деформации требуется напря­ жение которое, на 15% выше действующего. Поэтому для материала, состоя­ ние текучести которого описывается уравнением (1), такая ориентация шей­ ки невозможна, и с учетом указанного соотношения между о и о ̂ она должна возникать вдоль линии, образующей с продольной осью угол fl = = a r c tg ^ = 54°44' (поскольку о = о cos2 fl, о Z1 = о sin2 fl). Однако в ре­ зультате проведенных экспериментов установлено, что для образцов иссле­ дуемых материалов величина данного угла составляет ~ 57° (для титановых сплавов) и ~ 61° (для сталей). Также в работе [5] для образцов алюминиевого сплава 1201Т1 при температурах 173...293 К получены относительно высо­ кие значения fl = 60...65°. Рассмотрим причины таких отклонений. При расчете fl пренебрегаем напряжением о ^ , которое инвариантно по отношению к fl (о = о х ) и непосредственно не влияет на направление шейки. Угол 54°44' может быть реализован только при о 2 = 0 (рис. 2,а), т.е. для линейного напряженного состояния. Однако такое состояние может только предшествовать появлению шейки. Очевидно, что шейка зарождается в точке, находящейся на оси Z, где впервые возникают растягивающие напряжения, которые на узких гранях образца уменьшаются до нуля. Цент­ ральное расположение очага образования шейки облегчает предполагаемую возможность корректировки или “доворота” линии ее распространения в обе стороны по мере роста напряжения о 2 ~ ln(1+ a /2 ^ ) , которое может быст­ ро стабилизироваться по достижении определенной величины отношения а /2 ^ . Такая корректировка может происходить путем поворота по часовой стрелке оси Y 1 (рис. 1) от исходного направления с углом fl = 54°44'. Если ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, N2 4 63 Е. В. Воробьев направление шейки формируется при некотором значении о 2 > 0 (рис. 2,б), то из соответствующего условия о Zi = 2о представленного в виде о 2 + R M + R M cos2a = 2 ( о 2 + R M - R M cos2a), где R M = (о 1 - о 2)/2 - радиус круга Мора; а = 9 0 °-ß , получим cos2а = (о ! + о 2V[3(о i - о 2 )], ß = arccos д / ( ^ . (4) В предельных случаях при о 2 = 0 имеем ß = 54°44', при о 2 = 0,5 о i - ß = 90°, т.е. угол наклона может только увеличиваться. Теоретически пово­ рот в обратную сторону возможен при приложении в направлении Y сжи­ мающего напряжения, при этом ß ^ = 45° (рис. 3). Рис. 2. Круги Мора, иллюстрирующие формирование направления шейки плоского образца при а 2 = 2 а а - а2 = 0; б - а2 > 0. 3 , град Рис. 3. Зависимость угла 3 от отношения напряжений а 2 / а!. Из рис. 3 видно, что с увеличением отношения а 2 / а ! прирост 3 становится все более интенсивным. Формальное объяснение отклонения 3 = 90о— а от теоретического значения 54°44', приведенное в [6], состоит в том, что минимум напряжения а как функции угла а 64 Й'ОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, N 4 Особенности шейкообразования при низкотемпературной cos ал1\ + 3sinz а 1 выражен сравнительно не резко. Однако, учитывая это, нельзя объяснить тот факт, что угол а изменяется, как правило, только в сторону уменьше­ ния. Приобретенная в процессе деформации анизотропия материала также не дает удовлетворительного объяснения этого явления, так как в случае ПТ шейки появляются непосредственно после участка упругого деформирова­ ния. С помощью выражения (4) можно получить формулу, описывающую связь направленности шейки с параметрами ее профиля: ß = arccos л/[1- ln(1+ a /2r2 )]/3. (5) Для шеек образцов исследуемых материалов, геометрические парамет­ ры которых приведены выше, получим ß = 57...59°, что совпадает с экспе­ риментальными данными. Из (5) следует, что ß = 90°, если ln(1 + a/2r2 ) = 1, или a j r 2 = 3,43. Одна­ ко такая большая величина данного соотношения практически недостижима, так как соответствует деформации более 300% [2], что значительно превы­ шает ресурс пластичности материалов. Можно предположить, что для некоторых конструкционных сплавов появление шеек под аномально большими углами (вплоть до ß = 90°) явля­ ется следствием иного состояния материала, которое соответствует также другому условию пластичности, а именно: Треска-Сен Венана [5]. Но для материалов криогенного назначения, в частности для ряда алюминиевых и титановых сплавов, а также аустенитных сталей, установлено, что формы предельных кривых текучести и разрушения (соответственно условия Мизе- са и Кулона) при охлаждении образцов до криогенных температур не изменяются [7, 8]. Хорошее соответствие между экспериментальными и рас­ четными (5) значениями ß, полученными с использованием соотношения (1), показывает, что критерий Мизеса достаточно точно описывает наступление текучести исследуемых сплавов при локализации деформации в условиях ее скачкообразного развития вплоть до температур, близких к абсолютному нулю. Таким образом, периодическое шейкообразование на цилиндрических [1] и плоских образцах, сопровождающее их ПТ, существенно различается по своим характеристикам. Тем не менее согласно действующему стандарту [3] регламентируется равноправное использование обоих типов образцов при температурах до 4,2 К. Для установления влияния, которое оказывает изменение формы образцов на ПТ, проводили испытания стандартных плос­ ких и цилиндрических образцов указанных материалов. Оказалось, что для этих образцов такие характеристики, как предел прочности а в, относи­ тельное удлинение Ь, относительное число скачков N /ö ( N - абсолютное число скачков), максимальная амплитуда скачков напряжения Да, сущест­ венно различаются (рис. 4, 5). ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 4 65 д ц \ д 'п / \ д 'ч А° п 2- ° і а Е. В. Воробьев 1 2 3 1 2 3 1 2 3 а б в Рис. 4. Сопоставление характеристик деформирования плоских и цилиндрических образцов сталей 03Х20Н16АГ6 (1), 12Х18Н10Т (2) и титанового сплава 3М (3): а - дп/дц; б - (Н/д)п/(Н/ й)ц; в - Аап/ А ац. Так, при переходе от цилиндрических образцов к плоским относитель­ ное удлинение значительно (в два раза и более) снижается для всех мате­ риалов, за исключением стали 12Х18Н10Т. Это, вероятно, связано с ее структурной нестабильностью, а именно: мартенситными превращениями, интенсивность которых зависит от жесткости напряженного состояния и существенно понижается с увеличением последней [9]. Это компенсирует “конструкционное” снижение пластичности. Общей закономерностью для материалов является значительное снижение амплитуды скачков напряжения (и соответственно приращений удлинения). В то же время число скачков Н /д , приходящееся на единицу деформации, увеличивается для сталей 03Х20Н16АГ6 и 12Х18Н10Т*, что является следствием более высокой лока­ лизации деформации в шейках плоских образцов. В результате протяжен­ ность шейки меньше, число шеек, которые могут разместиться на единице длины образца, больше. Важно также то, что в силу симметрии образца относительно плоскости 2 Х (рис. 1) часть шеек образуется под отрица­ тельным углом 0 2 = —Д Причиной снижения относительного удлинения плоских образцов стали 03Х20Н16АГ6 и титановых сплавов, по-видимому, является ужесточение напряженного состояния зоны течения, что приводит к более раннему разру­ шению образца. Такое разрушение может происходить при очередном пере­ крещивании шеек положительного и отрицательного направления. Очагом разрушения становится именно область пересечения, характеризующаяся повышенной концентрацией деформационных повреждений и жесткостью напряженного состояния. Существенно изменяются также характеристики прочности сплавов. Характерное сравнение пластических и прочностных * Для титановых сплавов эта характеристика незначительно снижается, что может быть связано с осложнением прерывистой текучести процессами двойникования. 66 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 4 Особенности шейкообразования при низкотемпературной свойств, полученных для цилиндрических и плоских образцов материалов, представлено на рис. 5. Как видно, расхождение в значениях предела проч­ ности этих образцов достигает 10%, относительного удлинения - 60%. В то же время при более высоких температурах (77 и 293 К), когда ПТ не возникает, расхождение между этими значениями небольшое, при этом (5п /бц > 1 0 100 200 т , К а Рис. 5. Температурные зависимости относительных удлинений плоских и цилиндрических образцов стали 03Х20Н16АГ6 (1) и титанового сплава ВТ5-1 (2) - а и сопоставление их механических характеристик при температуре 4,2 К - б: I - 1—а£/^Ц; II - 1 —N п/N ц; III - 1—̂ п/ <5ц. Таким образом, становится очевидной необходимость учета специфики низкотемпературной ПТ при стандартных испытаниях материалов на ста­ тическое растяжение. Представляется целесообразным исключить плоские образцы из стандартной номенклатуры типоразмеров или, по крайней мере, не рекомендовать их использование при температурах ниже 30 К, кроме случая, когда необходимо получить механические характеристики тонко­ листовых материалов. Р е з ю м е Досліджено особливості багаторазового шийкоутворення на плоских зраз­ ках сплавів кріогенної техніки при проявленні ефекту низькотемпературної переривчастої текучості. Показано, що на відміну від циліндричних зразків у даному випадку має місце значне відхилення напруженого стану від лінійного, що суттєво впливає на отримані механічні характеристики і не дозволяє рекомендувати плоскі зразки для стандартних механічних випро­ бувань металів на розтяг за температур нижче 30 К. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 4 67 Е. В. Воробьев 1. В о р о б ь ев Е. В . Особенности шейкообразования при низкотемператур­ ной прерывистой текучести металлов. Сообщ. 1. Осесимметричная де­ формация // Пробл. прочности. - 2008. - № 3. - С. 92 - 99. 2. B ridgem an P. W. Studies in Large Plastic Flow and Fracture. - New York; Toronto; London: McGraw-Hill, 1952. - 424 p. 3. Г О С Т 2 2 7 0 6 -7 7 . Металлы. Метод испытания на растяжение при темпе­ ратурах от -1 0 0 до -2 6 9 °С. - Введ. 01.09.88. 4. V orob 'ev Ye. New types of limit states of structural alloys related to the realization of the low-temperature discontinuous yielding effect // Mechanika. - 2006. - 57, No. 1. - P. 17 - 21. 5. К овальч ук Б. И., Р уд ен к о В. П ., Х ват ан А. М., С адовн и ков А. Л . Влияние концентрации напряжений на механические свойства алюминиевого сплава 1201T1 при низких температурах // Пробл. прочности. - 1988. - № 5. - С. 22 - 25. 6. N a d a i A . Theory of Flow and Fracture of Solids. - New York; Toronto, London, 1950. - 647 p. 7. П и сарен ко Г. С ., Л е б е д е в А. А . Деформирование и прочность мате­ риалов при сложном напряженном состоянии. - Киев: Наук. думка, 1976. - 415 с. 8. Л е б е д е в А. А ., К овал ьч ук Б. И ., Г иги няк Ф. Ф ., Л ам аш евски й В. П. Механические свойства конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии / Под ред. А. А. Лебедева. - Киев: Издатель­ ский дом “Ин Юре”, 2003. - 540 с. 9. К о са р ч ук В. В ., Зай ц ева Л . В ., Л е б е д е в А. А ., К овал ьч ук Б. И . Влияние параметров напряженного состояния на кинетику фазовых превраще­ ний в аустенитных сталях при пластической деформации // Пробл. прочности. - 1989. - № 1. - С. 47 - 50. Поступила 15. 03. 2007 68 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 4

Ähnliche Einträge