Деформационное разупрочнение материалов в условиях плоского напряженного состояния

Работа ответственных конструкций в условиях сложных термомеханических воздействий обуславливает актуальность проведения экспериментальных исследований закономерностей механического поведения материалов в условиях сложного напряженного состояния [1–3]. При этом важной особенностью неупругого поведения материалов, требующей специальных исследований, является закритическая стадия деформирования, или стадия деформационного разупрочнения [4–8]. Изучение этой стадии имеет значение для решения задач конструкци- онной безопасности [5, 9]. Требуют внимания вопросы экспериментального исследования данной стадии деформирования [10, 11, 13], в частности, связанные с обеспечением условий реализации стадии разупрочнения, регистрацией и обработкой результатов испытаний в условиях локализации пластических деформаций [14–17].

В работе рассматриваются вопросы экспериментального изучения закономерностей механического поведения конструкционных сталей 20, 40Х и 15Х2ГМФ на стадии деформационного разупрочнения при различных видах напряженного состояния, а также некоторые методические вопросы проведения квазистатических испытаний на одноосное растяжение, кручение и совместное растяжение с кручением.

Испытания выполнены на универсальной двухосевой сервогидрав-лической испытательной системе Instron 88501, позволяющей проводить испытания на растяжение-сжатие с максимальной нагрузкой 100 кН, кручение с максимальным крутящим моментом 1000 Нм. В экспериментах использовались осевой динамический экстензометр Instron 2620-601 и двухосевой экстензометр Epsilon 3550-010М [12, 17–19].

В испытаниях на одноосное растяжение использовались сплошные цилиндрические образцы стандартных размеров и образцы с малой длиной рабочей части (отношение длины рабочей части к диаметру для сталей 20 и 40Х – 1,6, для стали 15Х2ГМФ – 5). В испытаниях на кручение и совместное растяжение с кручением использовались тонкостенные трубчатые образцы с малой длиной рабочей части, эскиз которых представлен на рис. 1.

Малая длина рабочей части образцов необходима для обеспечения достаточной жесткости нагружающей системы по отношению к области локализации деформаций и возможности реализации в эксперименте ниспадающего участка диаграммы деформирования материала [6, 13]. Геометрические параметры образцов (см. рис. 1, а) позволяют проводить испытания с использованием двухосевого экстензометра для измерения осевой деформации и угла сдвига в рабочей части образца. При испытаниях стали 15Х2ГМФ сбор данных осуществлялся по встроенным датчикам испытательной системы. При этом выполнена корректировка экспериментальных данных, учитывающая упругие деформации частей испытательной машины. Для этого использованы данные испытания образца стали 15Х2ГМФ в упругой области с использованием двухосевого экстензометра [18, 19].

/ ////

эи±и,ь

Рис. 1. Эскизы тонкостенных трубчатых образцов с малой длиной рабочей части для испытаний на кручение и растяжение с кручением сталей 20 и 40Х ( а ), стали 15Х2ГМФ ( б )

"77//////,./.. ../7///

б

Исследование поведения материалов на закритической стадии деформирования при плоском напряженном состоянии выполнено для двух траекторий нагружения, представляющих в пространстве деформаций прямые линии. Траектории деформирования стали 20 и 40Х в пространстве деформаций соответствуют пропорциональному растяжению с кручением с соотношением осевой деформации и угла сдвига 1,6 и 0,8, для стали 15Х2ГМФ – 0,30 и 0,57.

На рис. 2 приведены экспериментальные зависимости деформирования стали 20.

При сопоставлении полученных данных зависимости касательных напряжений от угла сдвига в случае испытаний на чистый сдвиг используется лишь начальный участок диаграммы неупругого деформирования. Это связано с тем, что при дальнейшем деформировании тонкостенного трубчатого образца происходит потеря устойчивости рабочей части, что приводит к смятию образца. В связи с этим получение экспериментальных зависимостей деформирования материала при чистом сдвиге на стадии деформационного разупрочнения является технически сложной задачей.

б

Рис. 2. Диаграммы деформирования стали 20: а - зависимости осевого напряжения от осевой деформации, 1 - одноосное растяжение, 2 и 3 - пропорциональное растяжение с кручением e/y=1,6 и е/у=0,8; б - зависимости касательного напряжения от угла сдвига, 1 - испытание на кручение, 2 и 3 - пропорциональное растяжение с кручением £/у=1,6 и s/y=0,8

В то же время при наличии осевых напряжений, соответствующих растяжению материала (пропорциональное растяжение с кручением), потери устойчивости рабочей части тонкостенного трубчатого об- разца не происходит при пластическом деформировании и деформационном разупрочнении материала. В литературе рассматриваются методики интерпретации результатов по испытаниям толстостенных трубчатых образцов. В частности, в работе [20] авторы отмечают, что при определении сдвиговых характеристик высокотемпературной ползучести в экспериментах на кручение трубчатых образцов можно использовать толстостенные трубчатые образцы.

На рис. 3 представлены экспериментальные зависимости стали 40Х. При пропорциональном растяжении с кручением здесь и далее испытания представлены по двум образцам для каждой траектории деформирования.

б

Рис. 3. Диаграммы деформирования стали 40Х: а – зависимости осевого напряжения от осевой деформации, 1 – одноосное растяжение, 2 и 3 – пропорциональное растяжение с кручением ε/γ=1,6 и ε/γ=0,8; б – зависимости касательного напряжения от угла сдвига, 1 – испытание на кручение, 2 и 3 – пропорциональное растяжение с кручением ε/γ=1,6 и ε/γ=0,8

На рис. 4 приведены экспериментальные зависимости деформирования стали 15Х2ГМФ.

б

Рис. 4. Диаграммы деформирования стали 15Х2ГМФ: а – зависимости осевого напряжения от осевой деформации, 1 – одноосное растяжение, 2 и 3 – пропорциональное растяжение с кручением ε/γ=0,30 и ε/γ=0,57; б – зависимости касательного напряжения от угла сдвига, 1 – чистое кручение, 2 и 3 – пропорциональное растяжение с кручением ε/γ=0,30 и ε/γ=0,57

Для сопоставления экспериментальных данных неупругого деформирования материалов, полученных при различных видах напряженного состояния, построим экспериментальные зависимости в координатах интенсивности напряжений σi и интенсивности деформаций εi. В случае одноосного растяжения имеем сi = G11 и £i = £11 (в предполо- жении величины коэффициента Пуассона 0,5), при чистом сдвиге и пропорциональном растяжении с кручением соответственно формулы принимают вид

О i = V3T12,

£i = Vs Y12

и

О =7°П + 3^2,

^ i

= W^e' i ^{( 1} +^v ) ² + 3 Y 22 •

На рис. 5–7 приведены диаграммы деформирования сталей 20, 40Х и 15Х2ГМФ соответственно в координатах интенсивность напряжений – интенсивность деформаций, полученные в испытаниях при различных видах напряженного деформированного состояния.

Рис. 5. Графики зависимости интенсивности напряжений от интенсивности деформаций стали 20: 1 – одноосное растяжение, 2 и 3 – пропорциональное растяжение с кручением ε/γ=1,6 и ε/γ=0,8 соответственно, 4 –кручение

На рис. 5–6: 1 – диаграммы деформирования при одноосном растяжении, 2 – диаграммы деформирования при пропорциональном растяжении с кручением с отношением ε/γ=1,6, 3 – диаграммы деформирования при пропорциональном растяжении с кручением с отношением ε/γ=0,8, 4 – диаграммы деформирования при чистом сдвиге.

Рис. 6. Графики зависимости интенсивности напряжений от интенсивности деформаций стали 40Х: 1 –одноосное растяжение, 2 и 3 –пропорциональное растяжение с кручением ε/γ=1,6 и ε/γ=0,8 соответственно, 4 –кручение

На рис. 7 приведены диаграммы деформирования стали 15Х2ГМФ в координатах интенсивность напряжение – интенсивность деформаций при одноосном растяжении ( 1 ), пропорциональном растяжении с кручением с отношением ε/γ=0,30 ( 2 ), ε/γ=0,57 ( 3 ), кручение ( 4 ).

Рис. 7. Графики зависимости интенсивности напряжений от интенсивности деформации для стали 15Х2ГМФ: 1 – одноосное растяжение, 2 – пропорциональное растяжение с кручением с отношением ε/γ=0,30 и 3 – ε/γ=0,57, 4 – кручение

В результате выполненных испытаний получены экспериментальные диаграммы деформирования сталей 20, 40Х и 15Х2ГМФ с развитыми участками разупрочнения при различных видах напряженного деформированного состояния: одноосное растяжение, чистый сдвиг и плоское напряженное состояние при растяжении с кручением тонкостенных трубчатых образцов. Это демонстрирует возможность деформационного разупрочнения материалов и наличия ниспадающих участков диаграмм деформирования при сложных видах напряженного деформированного состояния.

Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках государственного контракта № 13.G25.31.0093 от 25 октября 2010 г.