Спосіб прогнозування граничної пошкодженості деформованого пластичного матеріалу

УКРАЇНА (19) UA (11) 81492 (13) C2 (51) МПК (2006) G01N 3/00 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СПОСІБ ПРОГНОЗУВАННЯ ГРАНИЧНОЇ ПОШКОДЖЕНОСТІ ДЕФОРМОВАНОГО ПЛАСТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ 1 Винахід відноситься до галузі випробування матеріалів, а саме, до способів прогнозування граничної пошкодженості пластичних матеріалів при складному режимі навантаження (статичний розтяг - динамічне перевантаження - статичний розтяг) за результатами випробувань малогабаритних зразків. Процеси накопичення розсіяних пошкоджень в матеріалах конструкцій, що працюють за різних температурно силових умов навантаження, передують зародженню макротріщини і викликають прогресуюче погіршення значень інтенсивності динамічних імпульсів на поточні граничні значення ступеня пошкодженості матеріалу e пот р при наступному розтягу судять за формулою: ( статичному ) * ln e пот - ln e ркрих = m e руйн - e * (1 - a ) , р де m - параметр, що характеризує властивості матеріалу, 0 £ m £ 1 , de р , тут індекс i відповідає de дині силовому імпульсу заданої інтенсивності, кут b 0 відповідає куту нахилу ділянки кривої накопичення пошкодженості в матеріалі e p (e ) , одержаної при одновісному розтягу, в тій точці, де здійснюється динамічне перевантаження заданої інтенсивності. (13) дині = arctg b пот 81492 e * - деформація матеріалу, при якій здійснюється динамічне перевантаження заданої інтенсивності, b пот параметр a = 1, кут b max - b 0 C2 e руйн - деформація при руйнуванні матеріалу, (11) який відрізняється тим, що при заданому ступені деформації при статичному розтягу додатково випробовують серію малогабаритних зразків з конкретного матеріалу при різних наростаючих значеннях інтенсивності динамічного імпульсу, визначають максимальне значення динамічного * перевантаженні e ркрих , а про вплив проміжних характеристик міцності і крихкості матеріалу. Зміна режимів навантаження конструкцій в сторону збільшення їх жорсткості та експлуатаційний наробіток призводять до зміни кінетики процесу накопичення пошкоджень і зниженню рівня граничної пошкодженості пластичного матеріалу. До теперішнього часу не встановлені основні принципи еквівалентності деградаційних процесів для різних умов деформування матеріалів. З цієї причини не встановлені принципи підсумування пошкоджень при зміні параметрів режимів навантаження і тому виникають великі проблеми UA одн деформування та його граничне значення e р , імпульсу, при якому зразок практично одразу розділяється на дві частини, і відповідне йому граничне мінімальне значення ступеня пошкодженості матеріалу при динамічному (19) (21) a200511729 (22) 09.12.2005 (24) 10.01.2008 (72) ЧАУСОВ МИКОЛА ГЕОРГІЙОВИЧ, UA, ПИЛИПЕНКО АНДРІЙ ПЕТРОВИЧ, UA (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ, UA (56) UA 68214 A, 15.07.2004 RU 2238535 C2, 20.10.2004 Лебедев А.А., Чаусов Н.Г., Недосека С.А., Богинич И.О. Модель накопления повреждений в металлических материалах при статическом напряжении // Пробл. Прочности. - 1995. - № 7. - C. 31-40. (57) Спосіб прогнозування граничної пошкодженості деформованого пластичного матеріалу, що включає випробування гладких малогабаритних зразків із матеріалу у вихідному стані і з будь-яким напрацюванням в умовах зрівноваженого статичного розтягу, визначення коефіцієнта поперечної деформації на всіх стадіях деформування, за яким судять про ступінь пошкодженості (розпушення) матеріалу в процесі 2 3 при оцінці допустимої пошкодженості матеріалу. Допустиму пошкодженість визначають як частку від дільника граничного значення міри пошкодженості матеріалу на розрахункове значення коефіцієнту запасу. В якості міри пошкодженості можна приймати граничну деформацію розпушення матеріалу, яка має стійку кореляцію з пошкодженістю матеріалу. Найбільш близьким за технічною сутністю до рішення, що заявляється є спосіб прогнозування граничної пошкодженості деформованого пластичного матеріалу, згідно якого в умовах зрівноваженого статичного розтягу проводять випробування гладких малогабаритних зразків з матеріалу у вихідному стані і з будь-яким напрацюванням, визначають коефіцієнт поперечної деформації на всіх стадіях деформування, за яким судять про ступінь пошкодженості (розпушення) матеріалу в процесі e одн деформування і його граничне значення р [Лебедев А.А., Чаусов Н.Г., Недосека С.А., Богинич И.О. Модель накопления повреждений в металлических материалах при статическом растяжении // Пробл. прочности. - 1995. - № 7. - с. 31-40]. Головним недоліком відомого способу є те, що за його використання можна визначити граничне значення ступеня пошкодженості матеріалу лише при статичному розтягу. Винаходом ставиться завдання розробки достовірного способу прогнозування граничних значень ступеня пошкодженості пластичних матеріалів при складному режимі навантаження (статичний розтяг - динамічне перевантаження статичний розтяг) при дії динамічних імпульсів заданої інтенсивності на будь-якій стадії деформування. Поставлене винаходом завдання досягається тим, що у способі прогнозування граничної пошкодженості деформованого пластичного матеріалу, що включає випробування гладких малогабаритних зразків із матеріалу у вихідному стані і з будь-яким напрацюванням в умовах зрівноваженого статичного розтягу, визначення коефіцієнту поперечної деформації на всіх стадіях деформування, за яким судять про ступінь пошкодженості (розпушення) матеріалу в процесі e одн деформування та його граничне значення р , згідно винаходу при заданому ступені деформації при статичному розтягу додатково випробовують серію малогабаритних зразків з конкретного матеріалу при різних наростаючих значеннях інтенсивності динамічного імпульсу, визначають максимальне значення динамічного імпульсу, при якому зразок практично одразу розділяється на дві частини і відповідне йому граничне мінімальне значення ступеня пошкодженості матеріалу при e *крих динамічному перевантаженні р , а про вплив проміжних значень інтенсивності динамічних імпульсів на поточні граничні значення ступеня 81492 4 e пот пошкодженості матеріалу р при наступному статичному розтягу судять за формулою: ( ) * ln e пот - ln e ркрих = m e руйн - e * (1 - a ) р , де m - параметр, що характеризує властивості матеріалу, 0≤m≤1; e руйн - деформація при руйнуванні матеріалу; ε* - деформація матеріалу, при якій здійснюється динамічне перевантаження заданої інтенсивності; b пот a = 1b max - b 0 , параметр кут дині = arctg b пот de р de дині , тут індекс i відповідає силовому імпульсу заданої інтенсивності, кут β0 відповідає куту нахилу ділянки кривої накопичення пошкодженості в матеріалі εp(ε) одержаної при одноосному розтягу, в тій точці, де здійснюється динамічне перевантаження заданої інтенсивності. У відповідності до способу прогнозування граничної пошкодженості у металічних матеріалах, вибраного у якості прототипу, граничний ступінь пошкодженості одн eр (розпушення) пов'язаний з руйн деформацією руйнування e співвідношенням: одн e р = [1 - 2m(e )]e руйн , де μ(ε) граничне значення коефіцієнта поперечної деформації. Деформація розпушення εр має стійкий кореляційний зв'язок з пошкодженістю пластичного матеріалу. Раніше встановлено, що крива εp(ε), яка описує закон накопичення пошкоджень при статичному розтягуванні, має S-подібний характер з трьома яскраво вираженими ділянками, які відображають істинні фізичні процеси, що протікають у деформованому матеріалі (утворення пор, їх ріст і злиття). Динамічні перевантаження на стадіях утворення і росту пор вносять істотні зміни в кінетику процесу накопичення пошкоджень, що, передусім, впливає на стадію злиття пор і на граничну пошкодженість матеріалу. Таким чином, вся область можливих поточних і граничних значень ступенів пошкодженості є матеріалу після динамічних перевантажень різної інтенсивності, при одному й тому ж ступені деформації, в координатах εр-ε обмежена деякою криволінійною фігурою, сторони якої являють залежність εp(ε) від інтенсивності динамічних перевантажень: одна сторона (крива 1) - для вихідного матеріалу без динамічних перевантажень; друга сторона (крива 2) - крива граничних ступенів пошкодженості з врахуванням динамічних перевантажень; третя сторона (пряма 3) - рівень крихкого стрибка ступеня пошкодженості при дії максимального динамічного імпульсу (Фіг.). Потрібно враховувати, що саме від величини динамічного імпульсу, який характеризується похідною dεр/dε залежить кінетика процесу накопичення пошкоджень і граничне значення ступеня пошкодженості. В межі, при dεр/dε=1 реалізується крихке руйнування 5 81492 матеріалу. Крива 2 (див. Фіг.), що пов'язує поточні граничні значення ступеня пошкодженості пластичного матеріалу при складному режимі навантаження (статичний розтяг - динамічне e пот р перевантаження - статичний розтяг) з граничним значенням ступеня пошкодженості матеріалу при одноосному розтягу описується експоненціальним законом: * e пот = e ркрих × ехр р m ( * e - eкрих ) одн eр (1) * e ркрих де - граничне значення ступеня пошкодженості матеріалу при складному режимі навантаження у випадку, коли зразок практично одразу розділяється на дві частини при динамічному перевантаженні; m - характеристика властивостей матеріалу, 0≤m≤1; ε - поточна деформація при складному режимі навантаження, при якій досягається граничне значення ступеня пошкодженості при дії імпульсу заданої інтенсивності; * e крих - загальна деформація матеріалу при складному режимі навантаження у випадку, коли зразок практично одразу розділяється на дві частини при динамічному перевантаженні, (e * = крих e * + e дин ); ε* - деформація матеріалу, при якій здійснюється динамічне превантаження заданої інтенсивності; e дин - деформація матеріалу в процесі дії динамічного імпульсу заданої інтенсивності. У відповідності з представленою схемою на Фіг. кут β0 відповідає куту нахилу ділянки кривої накопичення пошкодженості в матеріалі εp(ε) одержаної при одноосному розтягу в тій точці, в якій здійснюється динамічне превантаження заданої інтенсивності. Максимальний кут нахилу βmах=45° відповідає динамічному перевантаженню, в наслідок якого зразок практично одразу розділяється на дві дин de р дин частини. В даному випадку de =1 . дин de р і arctg дині b пот = de , тут індекс і Проміжний кут відповідає силовому імпульсу заданої інтенсивності (див. Фіг.). Відповідно, формулу (1) можна переписати у наступному вигляді: e пот р = * e ркрих ( тут 0≤βпот≤βmax-β0 Таким чином, e пот р = e одн р e пот= р * e ркрих , а . ) ö æ bпот ÷ m e руйн - e * ç 1ç b max -b ÷ 0 ø è × ехр при при (2) βпот=0, одержимо βпот=βmax-β0, одержимо 6 Після логарифмування виразу (2) і позначення b пот 1b max - b 0 в підсумку параметром α виразу отримаємо: ( ) * ln e пот - ln e ркрих = m e руйн - e * (1 - a ) р (4) Встановивши у відповідності з запропонованою схемою (див. Фіг.) залежність e пот р зміни параметру із врахуванням впливу динамічних перевантажень, не складає труднощів визначити фактичний коефіцієнт запасу за пошкодженістю матеріалу при складному режимі навантаження (статичний розтяг - динамічне перевантаження - статичний розтяг) n факт = nn e пот р одн р , де nn - нормований коефіцієнт запасу за пошкодженістю матеріалу. Методика випробувань реалізована на базі модернізованої випробувальної машини ZD100Pu. Машина обладнана пристосуванням, що дозволяє реалізувати складні режими навантаження (статичний розтяг -динамічне перевантаження - статичний розтяг) із записом повних діаграм деформування. Ще одною перевагою створеної установки є те, що вона обладнана комп'ютеризованою вимірювальною системою з програмним забезпеченням для проведення і обробки результатів випробувань. Створена система здатна відображати в реальному масштабі часу графік (напруження деформація) з накладанням на нього графіка εp-ε. Експерименти, проведені на зразках із сталі 20 з динамічними перевантаженнями на площадці текучості інтенсивністю 19,1 і 31,4 кН, підтвердили факт істотного зменшення ступеня граничної одн eр пошкодженості пластичного матеріалу із збільшенням інтенсивності динамічного імпульсу. Так, зокрема, відповідні одн eр , значення e пот р в порівнянні з зменшились, відповідно, на 7,3% і 36%. Таким чином, застосування способу дозволяє більш достовірно прогнозувати граничні значення ступеня пошкодженості пластичних матеріалів при складному режимі навантаження (статичний розтяг - динамічне перевантаження статичний розтяг) при дії динамічних імпульсів заданої інтенсивності на будь-якій стадії деформування. 7 81492 8