Міністерство освіти і науки України

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

Пилипенко Андрій Петрович

УДК 539. 3:4

Кінетика руйнування матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження

Спеціальність 01.02.04 – Механіка деформівного твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль 2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі опору матеріалів Національного аграрного університету

Науковий керівник: | доктор технічних наук , професор
Чаусов Микола Георгійович,
Національний аграрний університет
(м. Київ), завідувач кафедри опору матеріалів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Никифорчин Григорій Миколайович

Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України (м. Львів), завідувач відділом корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів;

доктор технічних наук, професор
Косарчук Валерій Володимирович

Київський університет економіки і технологій транспорту (м. Київ), професор кафедри теоретичної та прикладної механіки

Захист відбудеться “14” лютого 2008 р. о 14-00 годині,

на засіданні спеціалізованої вченої ради К .052.01 при Тернопільському державному технічному університеті ім. Івана Пулюя за адресою : 46001, м.Тернопіль, вул. Руська, 56.

Із дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою : 46001, м.Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розіслано “12” січня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Гладьо В.Б.

загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Існує проблема, повсюдно визнана фахівцями як дуже важлива. Це проблема втоми твердих тіл, втоми у широкому сенсі цього слова, що розуміється як накопичення пошкоджень у твердих тілах, не обов’язково під дією пульсуючого навантаження.

Дослідження кінетики накопичення пошкоджень в конструкційних матеріалах під дією різних температурно-силових умов навантаження є необхідною умовою для побудови фізично адекватних теоретичних моделей накопичення пошкоджень і руйнування матеріалів, а також для контролю і прогнозування “службових” властивостей матеріалів у процесі напрацювання.

Дослідженню пошкоджуваності і тріщиностійкості пластичних матеріалів при складних умовах навантаження присвячені праці Баренблатта Г.І., Бобиря М.І., Болотіна В.В., Гузя О.М., Ігнатовича С.Р., Качанова Л.М., Косарчука В.В., Коротких Ю.Г., Кукуджанова В.М., Лебедєва А.О., Никифорчина Г.М., Панасюка В.В., Писаренка Г.С., Работнова Ю.М., Смирнова С.В., Стрижала В.О., Степанова Г.В., Трощенка В.Т., Чаусова М.Г., Яснія П.В., Bai J.B., Baћant Z.P., Dahl W., Chaboche J.L., Broks W., Gurson A.L., Franзois D., Lemaitre J., Needleman A., Krajcinovic D., Tvergaard V. та інш.

Аналіз літературних джерел вказує на обмеженість експериментальних робіт, що пов’язані з дослідженням кінетики накопичення пошкоджень у конструкційних матеріалах і оцінки їх тріщиностійкості під впливом різних температурно-силових умов навантаження. Крім того, слід відмітити, що практично відсутні порівняльні експериментальні дані з кінетики накопичення пошкоджень в одних і тих же матеріалах при різних температурно-силових умовах навантаження. Певним чином це пов’язано з тим, що дослідники не можуть визначитися з параметрами, які б однозначно описували кінетику процесу накопичення пошкоджень і тріщиностійкість матеріалів.

Відомо, що будь-яка зміна в історії навантаження конструкції призводить до зміни кінетики накопичення пошкоджень у матеріалі конструкції та її граничних значень, а рівень граничної пошкодженості в матеріалі безпосередньо впливає на енергетичні властивості руйнування матеріалів.

Особливу небезпеку для конструкцій можуть становити раптові зміни в режимі навантаження, так як вони непрогнозовано впливають на механічну поведінку пластичних матеріалів при подальшому деформуванні.

Таким чином, актуальною в науковому і практичному напрямах залишається розробка методів дослідження процесу накопичення пошкоджень в матеріалі при складних термосилових режимах навантаження, а саме, з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження. А поряд з цим – і вибір параметрів, що адекватно характеризують ступінь пошкодженості і тріщиностійкість пластичного матеріалу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові результати, які склали основу дисертації, отримані автором при виконанні держбюджетної теми № 0104U004229 “Розробка методології, методів і спеціалізованого обладнання для оцінки якості конструкційних та сільськогосподарських матеріалів” згідно з тематичними планами НДР Міністерства Аграрної політики України на 2004-2008 р.р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є прогнозування поточної пошкодженості, її граничних значень і тріщиностійкості пластичних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались наступні наукові задачі:

- дослідження особливостей процесу руйнування широкого класу конструкційних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження на різних стадіях деформування;

- вивчення фізичних аспектів кінетики руйнування конструкційних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження;

- встановлення загальних закономірностей процесу деформування і руйнування конструкційних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження на різних стадіях;

- аналіз і аналітичне описання отриманих результатів.

Об’єкт дослідження – механічна поведінка конструкційних матеріалів різних класів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження.

Предмет дослідження – закономірності накопичення пошкодженості та оцінка тріщиностійкості конструкційних матеріалів в умовах складного навантаження.

Методи досліджень. Роботу виконано за допомогою нового методу дослідження кінетики руйнування матеріалів – методу повних діаграм деформування. За допомогою даного методу вдається реалізувати такі умови випробувань, які забезпечують стійкість процесів деформування і руйнування матеріалів на різних стадіях, втому числі на стадії макроруйнування. Проведені в роботі дослідження базуються на вдосконаленні існуючих феноменологічних моделей пошкоджуваності і тріщиностійкості матеріалів з використанням повних діаграм деформування. Точність запропонованих підходів для моделювання процесів деформування і руйнування матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження забезпечена шляхом порівняння із результатами експериментально отриманих повних діаграм деформування матеріалів.

Наукова новизна одержаних результатів

- В роботі теоретично і експериментально обґрунтовано застосування методу повних діаграм деформування для дослідження кінетики руйнування матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження.

- Вперше встановлені загальні закономірності кінетики руйнування матеріалів різних класів з урахуванням впливу раптових змін швидкостей деформації на різних стадіях деформування.

- Встановлені кореляційні зв’язки між даними різних методів оцінки структурного стану пластичного матеріалу за різних режимів навантаження: густиною дислокацій і акустичною емісією, акустичною емісією і деформацією розпушення, а також методом розвантаження встановлений ефект “розм’якшення” матеріалу в процесі раптових змін в режимі навантаження.

- Запропонований і апробований спосіб прогнозування кінетики процесу накопичення пошкодженості в матеріалі і її граничних значень з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження.

- Запропоновані і апробовані два підходи до моделювання процесів деформування і руйнування пластичних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження. Перший підхід пов’язаний з удосконаленням відомого рівняння Джонсона – Кука, а в другому підході – повна діаграма деформування моделюється нелінійними функціями, включаючи параметри виду напруженого стану, властивості матеріалу і режим навантаження.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені оригінальні методи і засоби випробувань в умовах зрівноваженого деформування для дослідження кінетики руйнування широкого класу конструкційних матеріалів при раптових змінах в режимі навантаження можуть бути успішно використані в заводських і дослідницьких лабораторіях.

Результати роботи в частині методики дослідження впливу раптових змін в режимі навантаження на кінетику руйнування матеріалів і математичного моделювання процесу деформування і руйнування пластичних матеріалів при складних умовах навантаження, використовуються в ТОВ “Наноматеріали і нанотехнології” (м.Київ) (Акт впровадження №2/11-07 від 30.10.2007 р.) і рекомендовані до впровадження НТР НАК “Нафтогаз України” (Протокол № 9 від 12.11.07 р.) на одному з підприємств НАК “Нафтогаз України” при розробці нових методів розрахунку відповідальних елементів конструкцій на міцність при складних умовах навантаження.

Особистий внесок здобувача полягає в:

- проведенні критичного аналізу з досліджуваної проблеми та патентного пошуку методів досліджень;

- розробці оригінальної установки для випробування матеріалів з побудовою повних діаграм деформування;

- розробці вимірювальної системи для проведення і обробки результатів випробувань;

- проведенні експериментальних досліджень кінетики процесу руйнування широкого класу конструкційних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження на різних стадіях деформування;

- розробці способу прогнозування кінетики процесу накопичення пошкодженості в матеріалі при дослідженому складному режимі навантаження;

- математичному моделюванні процесів деформування і руйнування пластичних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались на: 3-й Міжнародній конференції “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (Львів, 2004), ІІІ Всеросійському семінарі ім. С.Д.Волкова (Єкатеринбург, Росія, 2004), Міжнародній науковій конференції “Mechanica - 2004” (Каунас, Литва, 2004), 1-й Міжнародній науково-технічній конференції “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин DSR AM-1” (Тернопіль, 2004), V Міжнародній конференції “Прогресивна техніка і технологія - 2004” (Севастополь, 2004), XV Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, Росія, 2005), Міжнародній науковій конференції “Mechanica - 2005” (Каунас, Литва, 2005), VI Міжнародній конференції “Прогресивна техніка і технологія - 2005” (Севастополь, 2005), VI Міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (Ужгород, 2005), 7-му Міжнародному симпозіумі Українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2005), Міжнародній Науково-технічній конференції “Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій” (Київ, 2005). Повністю робота доповідалась на засіданні кафедри опору матеріалів НАУ, на засіданні проблемної вченої ради Науково-дослідного інституту техніки та технологій ННТІ НАУ, на засіданні кафедри ДММ та ОМ НТУУ “КПІ” (м. Київ) та на семінарах в Інституті проблем міцності НАН України ім. Г.С.Писаренка (м. Київ).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 12 друкованих роботах, серед яких 3 патенти України. Дев’ять робіт відповідають вимогам ВАК України до фахових видань.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 159 найменувань та вміщує 170 сторінок друкованого тексту, 61 рисунок і 6 таблиць, 2 додатки.

Зміст роботи

У вступі дається загальна характеристика роботи, розкрито суть і стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертації, викладено анотований зміст роботи.

В першому розділі зроблений огляд літератури з основних питань, порушених у дисертації. Особливу увагу приділено вивченню стадійності процесу руйнування

матеріалу у процесі деформування. Розглянуті загальні принципи побудови моделей деформування твердих тіл на стадіях знеміцнення. Проведений критичний аналіз існуючих методів оцінки пошкодженості матеріалу. Відмічено обмеженість експериментальних робіт, що пов’язані з дослідженням кінетики накопичення пошкоджень в конструкційних матеріалах під впливом різних температурно-силових умов навантаження. Зокрема, залишаються практично недослідженими режими навантаження, пов’язані з раптовими змінами швидкосттей деформації, які мають велике практичне значення.

Показано, що із залученням традиційних методів оцінки пошкодженості пластичних матеріалів поки не вдається побудувати достовірні кінетичні моделі накопичення пошкоджень при складних режимах навантаження, встановити принципи підсумовування пошкоджень і оцінити їх граничний рівень при зміні параметрів режимів навантаження.

Обґрунтовані переваги концепції повних діаграм деформування при дослідженні кінетики руйнування пластичних матеріалів на малогабаритних зразках з урахуванням будь-якого попереднього навантаження.

У висновку розділу сформульовані основні задачі і етапи дослідження.

У другому розділі описано розроблену оригінальну установку для випробування матеріалів з побудовою повних діаграм деформування на базі універсальної гідравлічної випробувальної машини ZD-100Pu, яка за всіма параметрами вигідно відрізняється від відомих.

В даній установці реалізовано принцип регульованої жорсткості навантажувальної системи в процесі випробувань. Крім того, установка обладнана комп’ютеризованою вимірювальною системою для проведення і обробки результатів випробувань і пристроєм, що дозволяє реалізувати раптові зміни в режимі навантаження. У момент досягнення заданої деформації на дослідних зразках, руйнуються крихкі проби металу різного мінімального діаметру, що розтягуються паралельно із зразком. За рахунок цього реалізуються раптові зміни в режимі навантаження зразків.

Конструкція установки схематично наведена на рис. 1. Установка містить рухому 1 і нерухому 2 траверси, з’єднані з ними захвати 3,4, зразок 5, пристрій для забезпечення змінної жорсткості навантажувальної системи 6, пристрій для реалізації складних режимів навантаження 7, крихкі проби металу 8 і комп’ютеризовану вимірювальну систему 9 для проведення і обробки результатів випробувань (КВС). КВС складається із наступних складових: комп’ютер Pentium-4, з операційною системою Windows 2000 NT 10, монітор 11, лазерний принтер 12, АЦП з 16 диференційними каналами 13, термінальна плата для під’єднання 16 диференційних каналів 14, модулі аналогового тензопідсилювача постійного струму для мостових схем ADAM 3016 15, тензодинамометр 16, екстензометр для вимірювання повздовжньої деформації 17, екстензометр для вимірювання

поперечної деформації 18 і програмне забезпечення Specimen.

Навантаження руйнування крихких проб контролюється незалежними тензодинамометрами.

Випробування матеріалів проводили на гладких циліндричних зразках діаметром 8 мм.

У якості об’єкту дослідження в даній роботі були вибрані реакторна сталь 12Х2МФА у різних станах, сталі Ст.2, Ст.3, 20, мартенситно-старіюча сталь ВНС-25 і титановий сплав ВТ12.

У розділі також детально описані розроблені у процесі виконання роботи спосіб прогнозування тріщиностійкості матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження і спосіб оцінки граничної пошкодженості пластичних матеріалів з урахуванням впливу вихідних концентраторів напружень.

У третьому розділі аналізуються результати дослідження кінетики руйнування різних матеріалів при статичному розтягу і з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження.

Слід зауважити, що основний об’єм випробувань всіх матеріалів проведені на описаній у розділі 2 установці при 18 вимірюваннях за секунду. Маса її рухомих частин складає 1350 кг. Окремі дослідження проведені при 2000 вимірюваннях за секунду.

Діапазон середніх швидкостей деформацій при раптових змінах в режимі навантаження на різних досліджуваних матеріалах складав =1ч14%/с, максимальне значення швидкості деформації зафіксовано на рівні =96%/с.

Аналіз механічної поведінки матеріалів за різних режимів навантаження супроводжувався комплексною оцінкою структури матеріалу фактично трьома незалежними способами: з використанням феноменологічної моделі накопичення

пошкоджень у металах, відповідно до якої пошкодження (розпушення) пов’язане з деформацією співвідношенням:

, (1)

де - поточне значення коефіцієнта поперечної деформації, а також методами тонких фольг і акустичної емісії.

На рис. 2 наведені деякі результати випробувань зразків з реакторної сталі після першого режиму термообробки в умовах “статичний розтяг – раптове підвищення швидкості деформації” на площадці текучості і ділянці зміцнення, відповідно при зусиллі руйнування крихких проб 18,4 кН і 46,1 кН. Відразу після імпульсу деформації, викликаного раптовими змінами в режимі навантаження, зразки розвантажували для подальших метало-фізичних досліджень. Тут же для порівняння наведені діаграми деформацій зразків з тієї ж сталі, випробуваних при статичному розтягу і розвантажених за тих же пластичних деформацій, що і з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження.

Приведені дані свідчать про те, що у процесі раптових змін в режимі навантаження змінюється густина матеріалу. Однозначно можна стверджувати, що раптові зміни в режимі навантаження стрибком збільшують ступінь розпушення матеріалу, внаслідок чого відмічається істотна зміна структури матеріалу в порівнянні з деформаційними процесами, що відбуваються при статичному розтягу.

Мікроструктуру зразків досліджували на електронному просвітлювальному мікроскопі ПЕМ – 125 К у світловому полі методом тонких фольг. Зокрема, оцінювали густину дислокацій в матриці сталі і густину пор за різних режимів навантаження.

Оскільки переважна більшість дислокацій скупчена в субграницях, розраховували густину дислокацій у малокутових границях дислокаційної структури. Густину дислокацій з вектором Бюргерса в субграницях дислокаційної структури обчислювали за середнім розміром між субграницями і кутом їх розорієнтації :

, (2)

де - коефіцієнт, який залежить від форми субзерен.

Кут розорієнтації малокутової границі розраховували на основі аналізу мікродифракційних картин за співвідношенням:

,

де - довжина тяжі, або відстань між рефлексами (hkl), - відстань рефлексу (hkl) від центрального рефлексу.

Скалярна густина дислокацій, яку можна підрахувати методом січних, на порядок менша і значення її будуть близькі у різних зразків, тому порівнювати доцільно лише густину дислокацій у малокутових границях.

Оцінку ступеня розпушування матеріалу після різних режимів навантаження оцінювали також з використанням методу АЕ-сканування на апаратурі ЕМА-3.

Критерій оцінки пошкоджень, накопичених у металі зразка, приймали у вигляді:

, (3)

тут , - швидкість наростання сигналу до максимуму, відповідно, в пошкодженому і непошкодженому матеріалі зразка.

На рис. 3 приведені дані зіставлення ступеня пошкодженості матеріалу з при різних режимах навантажень з використанням двох вищенаведених методів. Як видно з рис. 3, є стійка кореляційна залежність між двома методами досліджень і можна помітити, що при статичному розтягу темп зростання густини дислокацій більший, ніж з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження. Напрошується висновок, що раптові зміни в режимі навантаження призводять до часткового “розм’якшення” матриці матеріалу. Це експериментально підтверджуєтьсязначним зменшенням пружних властивостей матеріалу при розвантаженні зразків.

Відмінність мікроструктури зразків деформованих статично і з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження полягає також у тому, що в останніх несуцільності (пори) утворюються в місцях скупчення перлітних колоній і в порівнянні зі статичним розтягом їх значно більше. Це пов’язано з тим, що в умовах статичного розтягу деформування відбувається більш гомогенно, а в умовах складного режиму навантаження, при раптовому підвищенні швидкості деформації матеріалу, на розмноження і переміщення дислокацій істотно впливають всі неоднорідності (оскільки деформаційна хвиля поширюється не в ідеальному монокристалічному матеріалі, а в реальному матеріалі, її фронт відбивається і спотворюється на структурних неоднорідностях, включеннях).

На рис. 4 представлені повні діаграми деформацій реакторної сталі при руйнуванні в системі крихких проб за однакового навантаження ( кН) на різних стадіях деформування. Наведені дані однозначно свідчать, що стрибки деформацій і напружень при раптових змінах в режимі навантаження, за рахунок руйнування крихких проб однакового діаметру на різних стадіях деформування, суттєво відрізняються.

Для дослідженої сталі виявлена також стійка кореляційна залежність між даними акустичної емісії і деформацією розпушення (рис. 5).

На рис. 6 подані детальні фрагменти графіків, що характеризують особливості поведінки сталі на різних стадіях деформування. Тут графіки 6в характеризують залежності швидкості деформації під час стрибка деформації у відносних величинах.

Показово, що ці графіки істотно різні, причому піки на цих графіках асиметричні. Детальний аналіз даних показав наявність початкової ділянки на діаграмах деформування в процесі раптових змін в режимі навантаження, яка характеризує, на наш погляд, закачування енергії в матеріал (див. рис. 6а).Для зразка № 12 відповідна швидкість деформації при накачуванні енергії в матеріал складає 1,582 %/с, для зразка № 10 час накачування практично відсутній. Для зразка № 11 відповідна швидкість деформації при накачуванні енергії 2,436 %/с.

Таким чином, швидкість деформації підчас накачки енергії в матеріал пов’язана з процесами зміцненняя матриці матеріалу і супутніми їм процесами розпушення матеріалу в цілому. Максимальні стрибки деформації при раптових змінах в режимі навантаження відмічаються на стадії зміцнення, а мінімальні на стадії розміцнення.

Слід звернути увагу на той факт, що для дослідженої сталі вдалося встановити ту “критичну” швидкість деформації за заданого ступеня деформування %/с (стадія розміцнення), при якій досліджуваний зразок матеріалу практично розділився на дві частини в процесі раптових змін в режимі навантаження. Експериментально встановлено, що раптові зміни в режимі навантаження, які здійснюються на будь-якій ділянці деформування, починаючи з пружної, помітно змінюють процеси деформування будь-якої сталі. Зокрема, при раптових змінах в режимі навантаження на пружній ділянці, пружні властивості матеріалу можуть короткочасно зменшитись у десятки разів (рис. 7а). На процеси, що відбуваються, помітно впливає і сама величина підвищення швидкості деформації (див. рис. 7).

Для оцінки якісних показників граничної пошкодженості і тріщиностійкості матеріалів при дослідженому в роботі складному режимі навантаження застосовували питому роботу руйнування і параметр тріщиностійкості , параметри, які раніш були теоретично і експериментально обґрунтовані в ІПМ НАН України ім. Г.С.Писаренка А.О.Лебедєвим і М.Г.Чаусовим.

Порівняння питомої роботи руйнування досліджених матеріалів за статичного розтягу і з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження при руйнуванні однакових крихких проб ( кН) на різних стадіях деформування, дозволило встановити найбільш небезпечні ступені деформацій для дослідженого складного режиму навантаження.

Як з’ясувалось (рис. 8), мінімальні значення питомої роботи руйнування зафіксовані при раптових змінах в режимі навантаження на зубі (площадці) текучості і межі міцності пластичної сталі (1…10 – номери випробуваних зразків). Виявлені особливості процесу деформування сталі при складному режимі навантаження можна пояснити з позицій оцінки поточної пошкодженості матеріалу, так як характерні точки на діаграмі деформацій: зуб (площадка) текучості і межа міцності матеріалу характеризують перехідні ділянки S-подібної кривої накопичення пошкоджень в матеріалі при статичному розтягу (початок росту пор і їх злиття).

Для більшості досліджених матеріалів вплив раптових змін в режимі навантаження негативний, він значно зменшує питому роботу руйнування і тріщиностійкість в порівнянні з “чистим” статичним розтягом. Так, при досліджених величинах раптового підвищення швидкості деформації зафіксовано падіння параметрів і , відповідно, для сталі 12Х2МФА після першого режиму термообробки на 22,9 % і 12,1 %; для мартенситно-старіючої сталі на 52,1 % і 42,4 %; для сталі 20 на 41,4 % і 23,4 %.

Навпаки, для анізотропного матеріалу, зокрема для реакторної сталі 12Х2МФА після другого режиму термообробки, зафіксовано збільшення характеристик і при руйнуванні крихких проб заданого діаметру на певних стадіях деформування, відповідно, на 65,7% і 29,6%.

У четвертому розділі подані результати математичного моделювання кінетики руйнування пластичних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження. Запропонований і апробований спосіб прогнозування кінетики накопичення пошкоджень в пластичному матеріалі при складному режимі навантаження. Відповідно даного способу за базову приймається S-подібна крива накопичення пошкоджень при “чистому” статичному розтягу, максимальне значення на якій відповідає граничному рівню пошкоджень. В роботі теоретично і експериментально показано як в залежності від ступеня раптового підвищення швидкості деформації відбувається трансформація цієї кривої в сторону зменшення

граничних рівнів пошкоджень. На основі отриманого експериментального масиву даних, при моделюванні процесів деформування і руйнування пластичних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження запропоновані і апробовані два підходи. Перший підхід базується на відомому рівнянні Джонсона – Кука, яке передбачає незалежність впливу деформаційного зміцнення, швидкості пластичної деформації і підвищення температури при зміні швидкості навантаження.

Проведені експерименти показали, що на поведінку пластичних матеріалів при досліджуваному складному режимі навантаження в значній мірі впливає як суттєвий ріст пошкодженості, так і ймовірний адіабатичний розігрів матеріалу в шарах локалізованої деформації (смугах адіабатичного зсуву).

Таким чином, опір матеріалу деформуванню при складних режимах навантаження можна записати у вигляді добутку чотирьох функцій:

, (4)

де , і - відповідно, ефективні напруження, інтенсивність пластичної деформації і її швидкість, - температура в шарах локалізованої деформації, - пошкодженість матеріалу. Рівняння стану для розглядуваного випадку складного навантаження на ділянці зміцнення матеріалів (до утворення “шийки”) в припущенні, що функції і лінійні, можна записати у наступному вигляді:

, (5)

тут - межа текучості матеріалу при статичному розтягу; і - істинна деформація та її швидкість, ; ,,, - константи матеріалу; - коефіцієнт деформаційного зміцнення; ; - приріст температури матеріалу у смугах адіабатичного зсуву, - температура плавлення матеріалу; - деформація розпушування. Константи і прийняті за даними авторів Rohr I., Nahme H., Thoma K.** В першому наближенні розрахунки проводять за формулою (5), задаючи ряд послідовно зростаючих значень .

Про прогнозоване розподілення температури в процесі раптових змін в режимі навантаження матеріалів судимо за максимальним наближенням розрахункової кривої за формулою (5) і реальною експериментальною діаграмою деформацій матеріалу в координатах (рис.9, позначені , ). Практично у всіх випадках такі складні залежності описуються поліномом п’ятої степені.

**Rohr I., Nahme H., Thoma K. Material characterization and constitutive modelling of ductile high strength steel for a wide rang of strain rates // Int. Journ. Imp. Eng. – 2005. – v. 31. – P. 401-433.

На рис. 9 літерами і позначені припускаємі відсотки роботи пластичного деформування, що негайно перетворюється в тепло (90% або 35%).

В другому підході для опису процесу деформування і руйнування пластичних матеріалів на всіх стадіях фізичні співвідношення записуються у вигляді:

, (6)

де - пружна деформація; - пластична деформація; - деформація, що відповідає межі текучості матеріалу; - гранична деформація для повністю зрівноваженого стану, , - коефіцієнт деформаційного зміцнення; - характеристика чутливості матеріалу до виду напруженого стану у відношенні накопичення пошкоджень; - параметр Бріджмена. Результати проведених машинних експериментів показали, що рівняння (6) достовірно описують повні діаграми деформацій широкого класу пластичних матеріалів за рахунок зміни двох коефіцієнтів і . Причому, .

З’ясувалось, що за рахунок введення до рівнянь (6) додаткової функції , яка враховує вплив раптової зміни швидкості деформації, вдається достовірно описати і такі складні режими деформування як “статичний розтяг – раптове підвищення швидкості деформації – статичний розтяг”. Функція має вигляд:

, (7)

тут , і - взаємопов’язані параметри, що визначають глибину стрибка напружень і ширину стрибка деформацій з урахуванням впливу раптової зміни швидкості деформаії, - деформація, за якої відбувається раптова зміна в режимі навантаження, , .

При цьому слід ураховувати, що в процесі раптових змін в режимі навантаження змінюється деформаційне зміцнення (знеміцнення) і пошкодженість матеріалів (тобто параметри і в рівняннях (6)) і тому, при наступному статичному розтягу в рівняння (6) підставляються нові значення параметрів n i B.

На рис. 10 приведені результати машинного експерименту, які добре узгоджуються з експериментальними даними, що підтверджує правильність зроблених теоретичних передумов при обґрунтуванні рівнянь (6, 7).

Висновки

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що пов’язана з встановленими основними закономірностями процесу деформування і кінетики руйнування конструкційних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження на різних стадіях.

1. Розроблена ефективна методика дослідження впливу раптових змін в режимі навантаження на кінетику руйнування матеріалів при подальшому статичному навантаженні з використанням методу повних діаграм деформування.

2. Розроблена оригінальна установка для випробування матеріалів з побудовою повних діаграм. Установка обладнана пристосуванням, що дозволяє реалізувати складні режими навантаження (статичний розтяг – раптове підвищення швидкості деформації – статичний розтяг) і містить комп’ютеризовану вимірювальну систему для проведення і обробки результатів випробувань.

3. На прикладі випробувань матеріалів різних класів показано неоднозначний вплив раптових змін в режимі навантаження на кінетику руйнування і статичну тріщиностійкість матеріалів. При цьому, в якості параметрів, що оцінюють поточну пошкодженість, її граничне значення і тріщиностійкість матеріалів доцільно використовувати деформацію розпушування , питому роботу руйнування і параметр тріщиностійкості . Встановлено, що для більшості досліджених матеріалів вплив раптової зміни в режимі навантаження – негативний, він значно зменшує питому роботу руйнування і параметр тріщиностійкості . Так, максимальне зменшення параметрів і для сталей 12Х2МФА(І), мартенситно-старіючої, Ст 3 і 20 зафіксовано відповідно, на рівні 22,9%, 52,1%, 35,7%, 31,2% і 12,1%, 42,4%, 19,7%, 16,9%.

4. Методами розвантаження і електронної просвітлювальної мікроскопії встановлений ефект “розм’якшення” матеріалу в процесі раптових змін в режимі навантаження і встановлені кореляційні зв’язки між даними різних методів оцінки структурного стану пластичного матеріалу за різних режимів навантаження: густиною дислокацій і акустичною емісією, акустичною емісією і деформацією розпушення.

5. Запропонований і апробований спосіб прогнозування кінетики процесу накопичення пошкодженості в матеріалі і її граничних значень, який дозволяє встановити принципи підсумовування пошкоджень при складному режимі навантаження (статичний розтяг – раптове підвищення швидкості деформації – статичний розтяг).

6. При моделюванні процесів деформування і руйнування пластичних матеріалів, з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження, запропоновані і апробовані два підходи. Перший підхід пов’язаний з удосконаленням відомого рівняння Джонсона – Кука, шляхом врахування росту пошкодженості в матеріалі, а в другому підході – повна діаграма деформування матеріалів моделюється нелінійними функціями, включаючи параметри виду напруженого стану, властивості матеріалу і режим навантаження. Ці підходи добре узгоджуються з експериментальними даними.

7. Отримані при виконанні досліджень експериментальні дані з впливу раптових змін в режимі навантаження на питому роботу руйнування і тріщиностійкість є важливою інформацією, що необхідна для обґрунтування фізичної достовірності нових моделей деформування і руйнування матеріалів при різних умовах навантаження, і прогнозування стану металу при напрацюванні.

Основні публікації

1. Чаусов Н.Г., Войтюк Д.Г., Пилипенко А.П., Кузьменко А.М. Установка для испытания материалов с построением полных диаграмм деформирования. // Пробл. прочности. – 2004. - № 5. - С. 117-123.

Здобувачем розроблена комп’ютеризована вимірювальна система для проведення і обробки результатів випробувань.

2. Chausov N.G., Pilipenko A.P. Influence of Dynamic Overloading on Fracture Kinetics of Metals at the Final Stages of Deformation. - Mechanika. - 2004. Nr. 3 (48), P. 13-18.

Здобувачем проведені експериментальні дослідження з впливу раптових змін в режимі навантаження на поведінку реакторної сталі після першого режиму термообробки.

3. Чаусов Н.Г., Недосека С.А., Пилипенко А.П. Комплексная оценка поврежденности пластичных материалов при различных режимах нагружения // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2004. - № 3. С. 16 – 21.

Здобувачем проведені експериментальні дослідження з впливу раптових змін в режимі навантаження на поведінку реакторної сталі після другого режиму термообробки.

4. Чаусов Н.Г., Пилипенко А.П. Кинетика разрушения металлов при сложных режимах нагружения // Вестник Уральского государственного технического университета (УПИ). – 2004. - № 22(52). – С. 118-124.

Здобувачем запропонований і апробований спосіб прогнозування кінетики процесу накопичення пошкодженості в матеріалі при складному режимі навантаження.

5. Чаусов М., Пилипенко А. Вплив динамічних перевантажень на кінетику руйнування сталей за наступного статичного навантаження / Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій / Під заг. ред. В.В.Панасюка. – Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України. - 2004. - С. 787-792.

Здобувачем проведено порівняльний аналіз поведінки різних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження.

6. Деклар. патент 68214 А G01N3/00 Україна. Спосіб оцінки граничної пошкодженості пластичних матеріалів / Чаусов М.Г., Пилипенко А.П. – Опубл. 15.07.2004, Бюл. № 7.

Здобувачем запропоновано стабілізувати вид напруженого стану в зоні старту макротріщини.

7. Н.Г.Чаусов, Пилипенко А.П. Влияние динамических перегрузок на кинетику разрушения конструкционных материалов / Надежность и долговечность машин и сооружений. Международный научно-технический сборник, 2006. Вып. 27. С. 131-137.

Здобувачем запропоновано принцип підсумовування пошкоджень при зміні режимів навантаження.

8. Chausov M.G., Pylypenko A.P. Laws of deformation processes and fracture of Plastic steel From the Point of view of dynamic overloading. - Mechanika. – 2005.- Nr. 4 (54) - Р. 24-29.

Здобувачем удосконалена модель Джонсона – Кука для математичного моделювання поведінки пластичних матеріалів при складних режимах навантаження.

9. Чаусов М., Ясній П., Гладьо В., Пилипенко А. Вплив динамічних перевантажень на структурний стан реакторної сталі // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – 2005. - №4. – С. 30-39.

Здобувачем встановлені стійкі кореляційні зв’язки між даними різних методів оцінки структурного стану пластичного матеріалу.

10. Пат. 61760 А G01N3/08 Україна. Установка з регульованою жорсткістю навантажувальної системи / Чаусов М.Г., Ярошенко В.Ф., Пилипенко А.П. - Опубл. 15.11.2005, Бюл. №11.

Здобувачем виведені залежності для послідовного включення у роботу відповідних контурів паралельних пружних елементів.

11. Пат. 73208 А G01N3/08 Україна. Спосіб прогнозування тріщиностійкості матеріалу залежно від умов експлуатації конструкцій / Чаусов М.Г., Пилипенко А.П. - Опубл. 15.06.2005, Бюл. №6.

Здобувачем запропонована послідовність завдання раптових змін в режимі навантаження при деформуванні пластичних матеріалів.

12. Чаусов М.Г., Куценко А.Г., Пилипенко А.П. Моделювання процесів деформування і руйнування пластичних матеріалів з урахуванням динамічних перевантажень / Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій. – Львів: “Каменяр”. – 2005. – Випуск 6. - С. 200-206.

Здобувачем запропоновані фізичні співвідношення для математичного моделювання повних діаграм деформацій пластичних матеріалів при складних режимах навантаження.

Анотація

Пилипенко А.П. Кінетика руйнування матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04. – Механіка деформівного твердого тіла. – Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, м. Тернопіль, 2008.

З використанням методу повних діаграм деформування встановлені загальні закономірності кінетики руйнування матеріалів різних класів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження на різних стадіях деформування. Проведена комплексна оцінка структури матеріалів при статичному розтягу і складному режимі навантаження (статичний розтяг – раптове підвищення швидкості деформації – статичний розтяг) трьома незалежними методами: з використанням феноменологічної моделі накопичення пошкоджень у металах, а також методами тонких фольг і АЕ-сканування. Встановлено, що раптові зміни в режимі навантаження стрибком збільшують ступінь розпушення матеріалу і призводять до часткового “розм’якшення” матриці сталі.

Теоретично і експериментально обґрунтовані спосіб прогнозування кінетики процесу накопичення пошкодженості в матеріалі при дослідженому складному режимі навантаження і підходи для моделювання процесів деформування і руйнування пластичних матеріалів з урахуванням впливу раптових змін в режимі навантаження.

Ключові слова: пошкодженість, тріщиностійкість, повна діаграма деформування, вплив раптових змін в режимі навантаження, кінетика руйнування.

Summary

Pylypenko A.P. Fracture kinetics of materials from the point of view of suddenly changes in the loading mode. - Manuscript.

The dissertation for scientific degree of Candidate of Science (Engineering) in 01.02.04 - Mechanics of a deformed solid body. – Ternopil Ivan Pul’uj State Technical University, Ternopil, 2008.

The common laws of fracture kinetics in different classes materials under influence of suddenly changes in the loading mode at different stages of deformation and also essential influence of suddenly changes in strain velocity on limiting damages and fracture toughness materials it is established.

The complex estimation of materials structure at static tensile and a complex mode of loading (a static tensile - a suddenly changes in strain velocity - a static tensile) in three independent methods: with use of phenomenological model of damages accumulation in metals, and also methods of thin foils and АЕ-scannings it is carried out also the data of experiments are compared.

A number of effective ways and approaches for mathematical modelling of deformation processes and fracture of plastic materials from the point of view of suddenly changes in strain velocity it is offered and it is approved.

Key words: damages, fracture toughness, complete stress-strain softening diagram, influence of suddenly changes in the loading mode, fracture kinetics.

Аннотация

Пилипенко А.П. Кинетика разрушения материалов с учетом резких смен в режиме нагружения. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 – Механика деформированного твердого тела. – Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, г. Тернополь, 2008.

Диссертация посвящена разработке и научному обоснованию достоверных методов прогнозирования текущей поврежденности, ее предельных значений и трещиностойкости пластичных материалов при сложном режиме нагружения (статическое растяжение – резкое повышение скорости деформации – статическое растяжение). Обоснованы преимущества концепции полных диаграмм деформирования при исследовании кинетики разрушения пластичных материалов на малогабаритных образцах с учетом исследуемого режима нагружения. С использованием данного метода установлены общие закономерности разрушения материалов разных классов с учетом резких смен в режиме нагружения на разных стадиях деформирования. Изучены физические аспекты кинетики разрушения конструкционных материалов с учетом резких смен в режиме нагружения. Установлены устойчивые корреляционные связи между данными разных методов оценки структурного состояния пластичного материала при разных режимах нагружения: плотностью дислокаций и АЭ-сканированием, АЭ-сканированием и деформацией разрыхления. Кроме того, установлен эффект “размягчения” матрицы материала в процессе резких смен в режиме нагружения. Показано, что для оценки предельной поврежденности и трещиностойкости материалов при сложном режиме нагружения целесообразно использовать работу разрушения и параметр трещиностойкости . Для большинства исследованных материалов влияние резких смен в режиме нагружения на параметры и - негативно, оно существенно уменьшает их значения по сравнению с “чистым” статическим растяжением.

Широко представлены результаты математического моделирования кинетики разрушения пластичных материалов с учетом резких смен в режиме нагружения. Предложен способ прогнозирования кинетики процесса накопления повреждений в материале при исследуемом режиме сложного нагружения и два подхода для моделирования процессов деформирования и разрушения пластичных материалов с учетом резких смен в режиме нагружения, которые полностью подтвердились экспериментом.

Ключевые слова: поврежденность, трещиностойкость, полная диаграмма деформирования, влияние резких смен в режиме нагружения, кинетика разрушения.