Способ оценки влияния параметров нагружения на процесс деформирования
Владельцы патента RU 2346257:
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (RU)
Изобретение относится к области исследований прочностных свойств металлов путем приложения к ним повторяющихся усилий. Способ оценки влияния параметров нагружения на процесс деформирования заключается в периодическом асимметричном нагружении образцов, регистрации деформаций и сравнении деформаций при разных параметрах нагружения. При этом в каждом цикле нагружения определяют одновременно поперечные деформации образца и приращения этих деформаций, синхронизируют зависимости поперечных деформаций от времени. О кинетике процесса деформирования судят по соотношению зависимостей приращений указанных деформаций от числа циклов нагружения, а о влиянии параметра нагрузки на процесс деформирования судят по изменению соотношения компонент приращений деформаций. Технический результат направлен на повышение точности определения влияния параметров нагрузки на процесс деформирования при периодическом асимметричном нагружении образцов. 4 ил.
Изобретение относится к области исследований прочностных свойств металлов путем приложения к ним повторяющихся усилий.
Известен способ определения прочностных характеристик элементов конструкций (см. О.Т.Сидоров, В.И.Капустин и В.П.Лапаев / Способ определения прочностных характеристик элементов конструкций/ Авторское свидетельство СССР №1587389, кл. G01N 3/18, 1990 г.). Недостатком способа является низкая точность определения прочностной характеристики - предельной нагрузки в условиях, когда образец находится под воздействием теплового нагружения. Внешнее тепловое поле так искажает изменение собственного теплового поля образца, связанное с диссипацией энергии внутри образца, что регистрация предельной нагрузки в момент малого изменения температуры образца, которая используется в способе, становится невозможной. На точность измерения температуры, связанной с упругопластическим деформированием, оказывает также влияние разогрев, связанный с трением образца в захватах установки.
Известен также способ, принятый за аналог, - последовательность операций в эксперименте, описанном в работе Б.Д.Аннина, В.М.Жигалкина (см. Поведение материала в условиях сложного нагружения. Новосибирск. Изд-во СОРАН, 1999 г.). Согласно способу, принятому за аналог, образец материала нагружается растягивающей (сжимающей) силой, внутренним давлением и крутящим моментом; сила, момент, удлинение и угол закручивания непрерывно записываются на электронный потенциометр, две компоненты тензора деформаций определяются экспериментально, а третья компонента - расчетным путем по формуле, содержащей параметры, которые неизвестны до проведения эксперимента (модуль упругости и коэффициент поперечных деформаций). Результаты влияния параметра нагрузки на процесс деформирования представляются в виде диаграмм деформирования в координатах: нагрузка, деформация.
Аналог имеет низкую точность оценки влияния параметра нагружения на процесс деформирования по следующим причинам.
1. Две компоненты тензора деформаций (продольная и поперечная) в данном способе измеряются и регистрируются одновременно (при помощи электронного потенциометра), но при измерении компонент деформаций во времени не делается синхронизирующих отметок, что делает невозможным исключение параметра «время» из измерений. Для исключения влияния фактора времени авторы использовали низкие скорости нагружения (менее 1 МПа/с). Снижение скорости нагружения делает невозможным применение этого способа при периодических нагружениях, происходящих с высокой частотой, когда временные эффекты оказывают влияние на точность определения деформаций.
2. Третья компонента деформаций в аналоге не измеряется, а определяется расчетом. В величину деформации, полученной расчетом, закладывается ошибка, связанная с использованием упругих констант, взятых из экспериментов, проведенных с материалом при других напряженно-деформированных состояниях.
3. На третью компоненту деформаций в аналоге до опыта накладывается ограничение в виде уравнения:
здесь 
где ε11, ε22, ε33 - главные деформации; σ11, σ22 - главные напряжения; Е - модуль Юнга; ν - коэффициент Пуассона.
В результате в методику определения деформаций закладываются источники ошибок, что и снижает точность и достоверность определения влияния параметра нагружения на процесс деформирования.
Наиболее близким принятым за прототип является способ, излагающий последовательность операций в эксперименте, описанном в работе В.В.Новожилова (См. // О пластическом разрыхлении // Прикладная математика и механика. Том 29, 1965 г.).
Согласно способу, принятому за прототип, образец материала нагружался периодически, во время нагружения измерялись компоненты продольной и поперечной деформаций образца. По сравнению зависимостей деформаций от числа циклов нагружения при разных значениях гидростатического напряжения оценивалось влияние этого напряжения на процесс деформирования материала.
Этот способ также имеет низкую точность оценки влияния параметра нагружения на процесс деформирования по следующим причинам.
1. Компоненты деформаций в данном способе измеряются не одновременно. Несинхронные измерения деформаций не позволяют выявить заранее неизвестные соответствия между компонентами тензора деформаций. В результате в измерение деформаций закладывается ошибка, связанная с разной зависимостью каждой отдельной компоненты тензора деформаций от времени.
2. В способе измеряется одна компонента поперечных деформаций. В результате невозможно определить площадки, по которым процесс упругопластических сдвигов развивается наиболее интенсивно.
В итоге, - это видно из описания эксперимента, - процесс деформирования воспринимается как «сложный и незакономерный».
Предложен способ оценки влияния параметров нагружения на процесс деформирования, заключающийся в периодическом асимметричном нагружении образцов, регистрации деформаций и сравнении деформаций при разных параметрах нагружения.
Предлагаемый способ повышает точность определения влияния параметров нагрузки на процесс деформирования при периодическом асимметричном нагружении образцов.
Это достигается:
1) одновременным измерением компонент деформаций;
2) исключением времени и измерением покомпонентных приращений параметров цикла периодических деформаций, полученных за несколько циклов нагружения;
3) выбором числа циклов таким, при котором приращение деформаций можно достоверно регистрировать.
Причем:
1) одновременное измерение компонент деформаций позволяет исключить ошибки, связанные с необходимостью определения компоненты деформаций вне точек измерения, и позволяет исключить ошибки, связанные с разной зависимостью каждой отдельной компоненты тензора деформаций от времени;
2) измерение покомпонентных приращений параметров цикла периодических деформаций, полученных за несколько циклов нагружения, и исключение времени позволяют исключить ошибки, связанные с измерением времени и малостью приращений деформаций за один цикл нагружения;
3) выбор числа циклов таким, при котором приращение деформаций можно достоверно регистрировать, позволяет обеспечить требуемую точность измерений;
4) выбор приращений параметров цикла компонент периодических деформаций, по которым судят о влиянии параметра нагрузки на процесс деформирования, обусловлен их высокой информативностью. Они позволяют полностью описать деформированное состояние материала при периодическом нагружении, их изменение покажет кинетику процесса, сравнение кинетики покажет влияние параметра нагружения.
В результате более точно определяются связи между компонентами тензоров напряжений и деформаций, что имеет значение в изучении процесса усталости материала.
В предлагаемом способе образец материала нагружают периодически нагрузкой при заданных соотношениях величин, составляющих цикл нагружения; в каждом нагружении определяют одновременно поперечные деформации образца и приращения этих деформаций; синхронизируют зависимости поперечных деформаций от времени, исключая время; о кинетике процесса деформирования судят по соотношению зависимостей приращений деформаций от числа циклов нагружения; а о влиянии параметра нагрузки на процесс деформирования судят по изменению соотношений компонент приращений деформаций.
В эксперименте образец закрепляли в испытательной установке (испытательная машина фирмы «MTS»), задавали коэффициент асимметрии нагрузки и периодически нагружали образец одноосным растяжением. Непрерывно и одновременно регистрировали полные поперечные деформации образца с его рабочей части при помощи контактных экстензометров («MTS») и самописца («MTS»).
В ходе испытаний измеряли непрерывно и одновременно поперечные деформации образца при первом нагружении.
Деформации измеряли одновременно, исключая время путем подачи сигналов с датчиков деформаций на входы «X» и «У» двухкоординатного самописца «MTS».
Определяли приращения компонент средних поперечных деформаций в зависимости от числа циклов нагружения.
Строили зависимость отношения приращений компонент средних деформаций цикла от числа циклов нагружения.
Изменение указанного отношения говорит о нарушении баланса пластических сдвигов на двух системах площадок максимальных касательных напряжений и о возникновении анизотропии процесса деформирования. Если на эту зависимость (процесс) влияет, например, история нагружении, указанная зависимость изменится.
Следует отметить, что полученная зависимость позволяет оценить кинетику процесса деформирования и определить тип упрочнения материала (циклически идеальный материал, циклически упрочняющийся или разупрочняющийся). Способ может использоваться для изучения влияния на процесс деформирования параметров нагружения: число циклов нагружения, амплитуда напряжений периодического цикла, среднее напряжение цикла, гидростатическое напряжение, траектория нагружения, частота нагружения.
Пояснения к примеру практического осуществления способа.
На фиг.1 показан образец, используемый в примере. На фиг.2 представлены диаграммы полных поперечных деформаций образца 1902, у диаграмм цифрами указан номер цикла нагружения. На фиг.3 представлены зависимости средних за цикл значений поперечных деформаций образцов с разной историей нагружения (1902 и 1919) от числа циклов нагружения. На фиг.4 представлены зависимости отношений средних поперечных деформаций образцов 1902 и 1919.
Испытываемые образцы имели следующие исходные характеристики: образец 1902 в состоянии поставки, 1919 - после предварительного нагружения растяжением до напряжения 320 МПа.
Параметры циклов нагружения при испытании образцов были следующими: форма циклов - треугольная, среднее напряжение циклов - 188 МПа, амплитуда напряжений цикла - 115 МПа (для образца 1902), среднее напряжение циклов - 178 МПа, амплитуда напряжений циклов - 122 МПа (для образца 1919).
Направление ортогональных осей при нагружении и измерении деформаций образца: Х - вдоль продольной оси симметрии образца, Y - по толщине (перпендикулярно плоскости листа), Z - по ширине (в плоскости листа) рабочей части образца.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить зависимость отношения поперечных деформаций от параметра нагрузки (число циклов периодического нагружения). Эта зависимость характеризует кинетику процесса деформирования материала и может быть использована, например, для определения остаточной долговечности образца по измеренному отношению приращений поперечных деформаций. Влияние истории нагружения материала скажется на упомянутых выше зависимостях.
Способ оценки влияния параметров нагружения на процесс деформирования, заключающийся в периодическом асимметричном нагружении образцов, регистрации деформаций и сравнении деформаций при разных параметрах нагружения, отличающийся тем, что в каждом цикле нагружения определяют одновременно поперечные деформации образца и приращения этих деформаций, синхронизируют зависимости поперечных деформаций от времени, о кинетике процесса деформирования судят по соотношению зависимостей приращений указанных деформаций от числа циклов нагружения, а о влиянии параметра нагрузки на процесс деформирования судят по изменению соотношения компонент приращений деформаций.
