автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование локализации деформации и разрушения в зонах макроконцентраторов напряжений металлических поликристаллов с разным структурным состоянием

На правах рукописи

СТРЕЛКОВА Ирина Леонидовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ В ЗОНАХ МАКРОКОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ С РАЗНЫМ СТРУКТУРНЫМ СОСТОЯНИЕМ

Специальность: 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2005

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, академик РАН, профессор Панин В.Е.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Прибытков Г.А.

кандидат физико-математических наук, доцент Лычагин Д.В.

Ведущая организация:

Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк

Защита состоится 9 декабря 2005 г. в 1430 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.038.01 в ИФПМ СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пр. Академический, 2/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН.

Автореферат разослан « ? » ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, П доктор технических наук [м/ __О.В. Сизова

ТШо* з ^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При разработке новых конструкционных материалов важна комплексная оценка их механических свойств. Однако при использовании материалов в изделиях и конструкциях, имеющиеся в них геометрические неоднородности (выступы, отверстия, надрезы) усложняют характеристики напряженно- деформированного состояния и изменяют механические свойства изделий. Задача оценки влияния этих геометрических концентраторов напряжений на механическое поведение исследуемых материалов и характер разрушения является актуальной.

Другой аспект актуальности исследуемой проблемы связан с бурно развивающимся новым научным направлением «Физическая мезомеханика материалов». Согласно основной концепции физической мезомеханики деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая иерархически организованная система, в которой деформация и разрушение самосогласованно развиваются как процессы потери сдвиговой устойчивости на микро-, мезо- и макромаспггабных уровнях. Сдвиг на любом масштабном уровне может зарождаться только в локальной зоне концентратора напряжений соответствующего масштаба. Концентраторы напряжений определяют закономерности локализованного пластического течения материала и обусловливают его разрушение на макромасштабном уровне. В связи с этим, понятие о концентраторах напряжений, их количественной оценке в физической мезомеханике материалов становится центральным.

В области упругих деформаций коэффициенты концентрации напряжений и деформаций в окрестности таких концентраторов зависят от их геометрии и не зависят от степени нагружения и свойств материалов. В большинстве случаев их значения теоретически рассчитаны и известны. В области пластических деформаций коэффициенты концентрации напряжений и деформаций зависят от свойств конкретных материалов, и поэтому теоретический анализ картин распределения характеристик деформаций и напряжений осуществить сложнее. В этом случае эффективными следует признать экспериментально-расчетные методы определения деформаций и напряжений.

К настоящему моменту количественная аттестация локального напряженно-деформированного состояния проводится путем измерения полевой деформации и построения картин ее пространственного распределения. Существует большое количество методов измерения пластических деформаций. Но ни один из них не является абсолютным, каждый имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее подробный экспериментальный анализ напряженно- деформированного состояния на образцах стали марки А1 и дюралюмине марки Д16Т с центральными боковыми надрезами проведен методом фотоупругих покрытий. Между тем, разнообразие металлических материалов современной техники, изготовленных традиционными и перспективными новыми технологиями исключительно велико. Во всех случаях важно выяснить отклик их специфической структуры на развитие макролокализации деформации и разрушения в зонах геометрических концентраторов напряжений. Для адекватного описания деформируемого материала как многоуровневой системы особенно актуально получить^кещриментально локальное, количественно аттестованное распредеЛё'йи^'УЫфйзММИШ! реформированного состояния. I БИБЛИОТЕКА I

...... л

Цель работы. Исследовать закономерности влияния силового, геометрического и физико-механического факторов на интенсивность деформации в зоне геометрических концентраторов напряжений, а также на конфигурацию, размеры и характер развития пластической деформации этих зон для материалов с разными механическими свойствами. Провести анализ процесса разрушения на мезо- и макромасштабном уровнях на основании установленных закономерностей.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. На автоматизированном оптико-телевизионном измерительном комплексе ТОМБС разработать технику расчета деформаций по изотетам, используя соответствующие методики метода муаровых полос, для экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния на мезо- и макромасштабном уровнях.

2. Для материалов с разными видами диаграмм растяжения и разными микромеханизмами пластической деформации: поликристаллической и субмикрокристаллической меди, никелида титана, исследовать закономерности распределения деформации в зонах единичных круговых надрезов на мезо- и макромасштабном уровнях.

3. Исследовать самоорганизацию пластического течения и ее влияние на характер разрушения на медных образцах в области трех круговых надрезов с разной конфигурацией их расположения.

4. Исследовать развитие макролокализации деформации в зонах трещин в поверхностном азотированном слое стали 65X13 и сформулировать критерий предразрущения материала с трещинами в поверхностно упрочненном слое. Научная новизна. Разработана новая методика измерения полевых пластических деформаций с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса ТОМБС высокого разрешения. Выполнено ее приложение к решению закономерностей формирования зон макролокализацш деформации и разрушения в геометрически неоднородных телах.

Впервые в пластической области деформаций оценены количественно зоны макролокализации деформации в области кругового надреза поликристаллической и субмикрокристаллической меди, в никелиде титана, принципиально различающихся вкладом механизмов деформации на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях.

Практическая значимость работы. Разработанная методика измерения полевых пластических деформаций на мезо- и макромасштабном уровнях является весьма эффективной для оценки несущей способности новых структурно неоднородных конструкционных материалов, их сварных соединений. Использование этой методики на начальной стадии работы концентратора напряжений позволяет оценить конфигурацию зон локализованной пластической деформации и закономерности ее развития На стадии предразрушения данная методика позволяет оценить остаточный ресурс работы.

На основании разработанной методики даются практические рекомендации снижения концентрации напряжений в реальных конструкциях путем оптимизации пространственного расположения макроконцентраторов напряжений.

Положения, выносимые на защиту.

I. Методика расчета локальных характеристик пластической деформации на основе анализа изотет, полученных оптико-телевизионным измерительным комплексом ТОМБС (с большой разрешающей способностью (база измерений 1.2-72 мкм) и быстродействием), позволяющая изучать характер деформации на мезо- и макромасштабном уровнях.

П. В поликристаллах с развитой деформацией на микро- и мезомасштабном уровнях в области единичного надреза на боковой поверхности плоского образца формируется «двулепестковая» зона макролокализации деформации, кинетика развития которой связана с характером разрушения. Если ее развитие блокируется пластическим течением на микро- и мезомасштабном уровнях, то образцы разрушаются по схеме нормального отрыва под действием нормальных растягивающих напряжений. При подавлении деформации в объеме материала на микро-и мезомасштабном уровнях разрушение происходит по схеме сдвига под действием касательных напряжений.

III. Экспериментально установленный факт ускорения развития зон макролокализации деформации при наличии на противоположной боковой поверхности образца дополнительных надрезов вдоль направлений тшах. Разрушение в этом случае происходит сдвигом под действием максимальных касательных напряжений.

IV. Критерий предразрушения деформируемых плоских образцов с упрочненным поверхностным слоем боковых или лицевых граней, согласно которому зарождение и распространение магистральной трещины происходит в зоне макролокализации деформации, которая перекрывает все сечение образца и характеризуется максимальной интенсивностью скорости деформации.

Связь работы с Государственными программами и НИР. Работа выполнялась в рамках следующих научных проектов и программ: «Физическая мезомеха-ника структурно неоднородных сред» (основное задание НИР ИФПМ СО РАН на 1995-2000 г.г.); «Основы физической мезомеханики поверхностных слоев твердых тел» (основные задания НИР ИФПМ СО РАН на 2001-2003 г.г.); грат-РФФИ государственной поддержки ведущих научных школ «Школа академика В.Е. Панина: Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов» (проект № 00-15-96174, 2000-2002 г.г.); проект РФФИ грант № 02-01-01195а; интеграционный проект специализированного отделения ЭМ МПУ РАН - СО РАН 3.11.3; грант Президента РФ для поддержки ведущих научных школ «Школа академика В.Е. Панина» № НШ-2324.2003.1.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих Международных, Всероссийских и Региональных конференциях и школах-семинарах: Вторая всероссийская конференция молодых ученых « Физическая мезомеханика материалов», Россия, г. Томск, 23-25 ноября, 1999 г.; V Международная конференция молодых ученых «Современные техники и технологии», Россия, г. Томск, 26-30 апреля, 1999 г.; П1 Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (МЕ80-2000), Росси, г. Томск, 12-14 декабря, 2000 г.; Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НТИ-2001), Россия, г. Новосибирск, 11-13 декабря, 2001 г.; Четвертая

Всероссийская конференция молодых ученых, Физическая мезомеханика материалов «МЕЗО Механика-2001», Россия, г. Томск, 26 - 30 ноября, 2001 г.; Международная конференция «Мезомеханика: основы и приложения» (Mesomechan-ics'2001), Россия, г. Томск, 26-28 марта, 2001 г ; 111 Школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии», Россия, г. Томск, 30 января-1 февраля, 2002 г.; 1-ая Международная конференция «Современные проблемы машиностроения и приборостроения», Россия, г. Томск, 24-28 сентября, 2002г.; VIII Международная научно практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Россия, г. Томск, 8-12 апреля, 2002г.; IV Школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития», Россия, г. Томск, 5-7 февраля, 2003 г.; IX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (СТТ-2003), Россия, г. Томск, 7-11 апреля, 2003 г.; International Workshop «Mesomechanics: Fundamentals and Applications» (MESO'200 3), August 18-23, Tomsk; V Всероссийская конференция (школа) молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», Россия, г. Томск, 18-22 августа, 2003 г.; Региональная школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2003», Россия, г. Томск, 17-18 июня, 2003г., Proceedings of the Sixth International Conference for Mesomechanics held in Patras, May 31-June 4, 2004, Greece.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ: 4 статьи в журналах центральной печати, 7 статей в сборниках трудов и тезисы 6 докладов конференций.

Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается использованием современных экспериментальных методик, многочисленными экспериментальными исследованиями и устойчивой воспроизводимостью результатов, сопоставлением полученных результатов с соответствующими данными, опубликованными в различных литературных источниках.

Структура и объем диссертации. Текст диссертации состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и списка используемой литературы. Работа содержит 47 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список включает 93 наименования. Общий объем диссертации 136 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна результатов и их практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Напряженно-деформированное состояние в зоне геометрического концентратора напряжений» содержит обзор теоретических и экспериментальных работ, информация которых необходима для постановки задачи исследования.

В теоретических работах Б. Кирша, Г.Н. Савина, Н.И. Мусхеяишвилли анализируется напряженно- деформированное состояние в сечениях, ослабленных геометрическим макроконцентратором, в области упругих деформаций. Приведен обзор некоторых экспериментальных исследований напряженно- деформированного состояния в области геометрических концентраторов, выполненных разными методами. Влияние надреза на величину местной пластической деформа-

ции исследовано Я.Б. Фридманом с соавторами методом касательных сеток, А. Дюрелли и В. Парксом, М.Д. Новопапганым методом муаровых полос. Этими же авторами было проведено сравнение с упругим решением Б. Кирша. М.Х. Ахметзяновым и Г.Н. Албаут по картинам полос, полученных методом фотоупругих покрытий, были определены коэффициенты концентрации деформаций и напряжений для разных стадий пластического течения в дюралюминиевых и стальных образцах с надрезом.

Во второй главе «Постановка задачи, материалы и методы экспериментальных исследований» на основании анализа литературных данных сформулированы и обоснованы задачи исследования, выбор исследуемых материалов, описаны методики экспериментальных исследований.

В качестве материала исследования использовали поликристаллическую и субмикрокристаллическую (СМК) медь, NiTi. Принципиальным их отличием является существенная разница вкладов механизмов деформации на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях. Для исследуемых материалов картина распределения пластических деформаций в окрестности единичного кругового надреза ранее не исследована. Ставилась задача выяснить общую картину влияния макроконцентраторов напряжений на развитие макролокализации и характер разрушения этих материалов.

Образцы для исследований вырезали электроискровым способом в форме двойной лопатки с размерами рабочей части 15x3x1 мм3. Испытывали образцы однородные и с круговым надрезом радиусом г ~ 250 мкм в центре боковой грани образца. Также анализировали характер распределения деформаций в зонах трех искусственных концентраторов напряжений. Исследовали медные образцы с тремя конфигурациями взаимного расположения надрезов: I - а=45°, П - а=60°, П1 - а=75°. Схемы исследуемых образцов приведены на рис.1.

Для изучения распределения деформаций в зонах взаимодействующих «естественных» концентраторов напряжений использовали композиционный материал сталь марки 65X13 с азотированным поверхностным слоем, металлографически подробно исследованный в диссертационной работе H.A. Ан-

Рис. 1. Схема образцов с надрезами для ТИПИНОЙ [ 1 ].

испытания растяжением: Механические испытания проводили в

а) один надрез; б) три надреза: условиях одноосного растяжения при комнат-•шп1-а=45°;пщЛ-а=бОр;-шпШ-а=750 температуре и скорости растяжения v ~ 9.6 мм/час на испытательной установке «ИМАШ 20-78». Кинетику локального напряженно- деформированного состояния материалов исследовали с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса «TQMSC». Принцип работы комплекса, основанный на корреляционном анализе оптических изображений поверхности, подробно описан в работе [2].

Исходную информацию в виде полей векторов смещений и полей, соответствующих им, продольных Ux и поперечных Uy компонент получали, путем сравнения двух изображений деформационного рельефа участка поверхности с интервалом времени 4 сек. На полях компонент выявляли из отпеты — линии равных

величин смещений (аналогичные изотетам в методе муаровых полос), которые облегчают нахождение функции смещения. Конфигурация изотет, определяющая процесс дифференцирования перемещений для нахождения деформаций и их скоростей, не зависит от метода их получения и определяется конкретным видом напряженно- деформированного состояния исследуемого объекта. Поэтому для расчета компонент и скоростей деформаций применяли графическое дифференцирование линейно сглаженной функции смещения как в методе муаровых полос. Используя поэтапные измерения деформации, при которых конец предыдущей стадии служит началом последующей, анализировали всю диаграмму растяжения от ~ I % Еп, вплоть до разрушения.

Для удобства расчета на анализируемые поля полученных компонент векторов смещений накладывали декартовую сетку с шагом 1/15 длины поля зрения (в местах концентрации изолиний размер шага может быть уменьшен). В каждом узле этой сетки последовательно рассчитывали величины линейных и сдвиговых компонент деформации в декартовых координатах: ди, ди, _ . аи, аи,

дх Ах ду Ау " е +е =у

= е ; Щ .

ЗУ ЛУ "' дх Ах ~е

В качестве Ах, Ау принимали расстояния между двумя соседними изолиниями, измеряемые в соответствующих координатных направлениях.

Затем по формуле:

«1.2 = \ + е„)±

находили компонетггы главных деформаций гд е2; третью компоненту е3 находили из условия несжимаемости материала: е1 + е2+е3=0 и рассчитывали величину интенсивности деформации по формуле:

._

Величина интенсивности деформации зависит от интервала макродеформаций между двумя кадрами, для которых рассчитываются поля векторов смещений. Поскольку интервалы не всегда одинаковые, для корректности сравнения результатов рассчитывали величины интенсивности скорости деформации:

¡2 _

и строили картину ее распределения в пространстве. Компоненты скорости деформации ¿,,¿2,^3 находили путем деления соответствующих компонент деформации на время, равное интервалу продолжительности между сравниваемыми металлографическими картинами.

В работе был также определен коэффициент Лоде-Надаи уг, характеризуто-

2 р _ £ — £

щий вид механической схемы деформирования: ув - —-—1—

В третьей главе «Распределение деформаций в окрестности надреза в процессе испытания металлических материалов активным растяжением» изложены результаты механических испытаний, металлографических исследований, а также исследований характера развития пластической деформации и разрушения при активном растяжении образцов с надрезом.

Диаграммы растяжения ст-е представлены на рис.1. Совместный учет геометрии концентратора напряжений и свойств материала осуществляется эффективным коэффициентом концентрации напряжений где

<?в - предельная нагрузки образца без надреза, сг'в - предельная нагрузка образца с надрезом. Результаты расчета Кг показали, что концентрация напряжений в зоне надреза слабо влияет на прочностные характеристики меди (Кг ~ 1.1) и несколько снижает их у СМК меди (Кг ~ 1.2). Наибольшее значение Кг имеет №И (ТК^ ~ 1.8). Следовательно, в расчетах на прочность деталей из №Тл необходимо учитывать влияние концентрации напряжений в зонах геометрических концентраторов.

Одновременно с механическими свойствами анализировали металлографические картины деформационного рельефа, формирующегося в зоне надреза. Макролокализация в меди реализуется в условиях развитой деформации в объеме образца на микромасштабном уровне. При растяжении меди (рис. 2, а) во всем объеме образца деформация развивается равномерно, а в области надреза формируется зона локализации. Разрушение образцов начинается в устье надреза, линия разрыва перпендикулярна оси растяжения (рис. 2, г).

Рис.2. Металлографические картины деформационного рельефа в области надреза и разрушение образцов: а, г - поликристаллическая медь; б, д - СМК медь, в, е-№И; размер изображений 4.9x3.7 мм (в- 265x196 мкм)

Рис. 1 Диаграммы растяжения: 1 и Г - медь 2 и 2' - СМК медь; 3 и 3' -№Т1; (1,2, 3 - без надреза; Г, 2', У - с надрезом;

В упрочненной в ходе изготовления СМК меди дислокационная деформация на микромасштабном уровне подавлена, а сильная неравновестность ее структуры способствует развитию макролокализации деформации. Характерной особенностью пластического течения СМК меди является развитие из устья надреза сопряженных макрополос локализованной деформации под углом 45° к оси растяжения (рис.2, б), проходящих через все сечение образца. Обнаружено, что с ростом степени деформации микротвердость в материале полос уменьшается приблизительно на 6% (от 120 до 112 кг/мм2). Разрушение образцов СМК меди происходит сдвигом вдоль макрополосы, развивающейся более интенсивно (рис.2, д).

В №П деформация развивается стадийно: за счет прохождения фронта Лю-дерса наблюдается стадия с малым коэффициентом деформационного упрочнения, затем линейная и, наконец, параболическая стадия, завершающаяся разрушением. На стадии с малым коэффициентом деформационного упрочения основным микромеханизмом деформации является раздвойникование сдвойникован- I ной низкотемпературной мартенситной |3' фазы. В конце этой стадии металлографически обнаружены мезополосы локализованной деформации в направлении Хтах) исходящие от индуцированного макроконцентратора напряжений. Разрушение образцов №И с макроконцентратором напряжений осуществляется нормальным отрывом. В этом отношении N171 подобен образцам поликристаллической меди.

Изменения напряженно-деформированного состояния в области кругового надреза при одноосном растяжении анализировали, используя исходные данные полей компонент векторов смещений.

Поликристаллическая медь. На рис.3 представлены типичные картины полей продольных их и поперечных иу компонент векторов смещений для медного образца с надрезом при деформации е ~ 3 и 20%. Максимальная концентрация деформации сосредоточена вблизи надреза, о чем свидетельствует узкая ширина зон между соседними изолиниями их (рис. 3 а, в). С другой стороны от надреза расстояния между соседними изолиниями значительно больше и приблизительно одинаковые, то есть деформация почти равномерная, но с меньшей скоростью. С увеличением степени макродеформации (рис. 3 б, г) конфигурация изолиний , продольных и поперечных изотет качественно не меняется. Но локализация деформации значительно больше выражена по всему поперечному сечению, о чем свидетельствуют меньшие расстояния между изолиниями их в зоне надреза. *

е ~ 3% е ~20%

Рис.3 Поля продольных их и поперечных иу компонент векторов смешений для поликристаллической меди

Рассмотренные закономерности позволяют утверждать, что в области надреза (точка А), где изолинии их и иу параллельны между собой, они параллельны направлениям главных сдвигов (егаах - егаш), а в области вне надреза (точка В), где

изолинии перпендикулярны друг другу, они совпадают с направлениями главных линейных деформаций £1,82-Подобные закономерности установлены в [3] методом муаровых полос.

О наличии в зоне надреза области сдвигов свидетельствует также анализ ко-

схемы деформирования. Коэффициент уе был рассчитан в каждом узле декартовой сетки исследуемого поля зрения (рис. 3, в). Оказалось, что в окрестности надреза (обозначена черными точками) вид схемы деформирования - сдвиг (у8 ~ 0), а в остальной части образца - растяжение (уЕ —1). Это значит, что в зоне надреза исходная механическая схема деформирования растяжением меняется на сдвиг.

Анализ пространственных картин распределения интенсивности скорости деформации ё1 и соответствующих им линий равного уровня для медного образца с надрезом свидетельствует о том, что максимальная деформация концентрируется в устье надреза (рис.4 а, б). По мере увеличения степени макродеформации растет и максимальная скорость деформации (так, при 8 ~ 3%, етах/£тш~ 4.6, при е ~ 20%, еТТ1ах/егат~ 8) (рис.4,в). Сформированная в области надреза симметричная зона неоднородности пластического течения увеличивается в размере и приобретает типичную «двулепестковую» форму (рис. 4, г). Вдали от надреза колебания в скоростях незначительные (егаах/£тш~ 1-3), что свидетельствует о равномерной деформации с меньшей скоростью.

Рис 4 Распределение интенсивности скорости деформации е1 (а, в) и соответствующие линии равного уровня для меди в области надреза

Теоретически рассчитанный Б. Киршем характер распределения касательных напряжений т^в области кругового отверстия при растяжении упругой тонкой пластины хорошо известен. Так как касательные напряжения дают наглядное представление о направлении сдвигов и о контуре деформированного объема, то можно констатировать качественное совпадение экспериментально обнаружен-

2е

эффициента Лоде-Надаи: = —

характеризующии вид механической

е. -в.

ного в пластической области характера распределения деформаций в зоне надреза с аналитически рассчитанным для упругой стадии.

Коэффициенты концентрации деформаций и напряжений вычисляются как

отношение соответствующих максимальных величин к минимальным: к

к Предположив, что кс при анализе результатов, полученных для

поликристаллической меди, можно сделать вывод о том, что в пластической области в вершине надреза Ке возрастает с ростом макродеформации, а коэффициент концентрации напряжений Ка убывает, подобно результатам работы [4].

Субмикрокристаллическая медь. Семейства продольных их и поперечных иу изотет в СМК меди (рис. 5) параллельны между собой, следовательно, они параллельны направлениям главных сдвигов (£шах-8тш). Такая конфигурация сохраняется от начала пластической деформации и до разрушения. Это значит, что в полосах локализованной деформации сохраняется максимальная величина интенсивности скорости деформации на протяжении всего процесса пластической деформации, что и определяет траекторию разрушения образца (рис.2,д).

Никелид титана Характер развития зон макролокализации деформации в образцах №Т1 существенно отличается от таковых для поликристаллической и СМК меди.

и, е

Рис. 5 Поля продакьных их и поперечных иу проекций векторов смещений для СМК меди

и* (е-15%)

22«-* гвЯЕ-* | ¿Штягьь-* гяе-4 I

5Е-4

Ш < 1-Е-»

Л

I тас < Л-4 | 1 "■.-' •

Рис 6 Поля продольных и, компонент векторов смещений для и соответствующие им картины интенсивности скорости деформации е,

На рис.6 (а-в) представлены поля продольных 11х компонент векторов смещений и соответствующие им картины интенсивности скорости деформации ¿1 для разных стадий пластической деформации, конфигурации которых изменяются в ходе деформирования материала. На стадии с малым коэффициентом дефор-

мационного упрочнения в результате начала движения фронта Людерса влияние надреза на распределение деформации наблюдается только вблизи области надреза (узкие зоны между изотетами их), в результате формируется область локализации деформации «двулепестковой» формы (рис.6 а, г). К концу этой стадии максимальная скорость деформации наблюдается на противоположной стороне от надреза, а сформированная зона макролокализации отлична от «двулепеско-вой» (рис.6 б, д). На стадии предразрушения деформация вновь локализуется в области надреза, а основной объем образца испытывает приблизительно равномерную деформацию с меньшей скоростью. А зона макролокализации деформации вновь приобретает типичную «двулепестковую» форму (рис. 6 в, е).

Четвертая глава «Самоорганизация зон макролокализации деформации в области трех круговых надрезов и связанный с ней характер разрушения». Чтобы

исследовать материалы с упрочненным поверхностным слоем, в которых характерно множественное растрескивание упрочненного слоя, проанализировали характер самосогласования зон макролокализации деформации, инициируемых круговыми надрезами, расположенными на противоположных сторонах плоского образца (рис.1, б).

На рис.7, приведены кривые растяжения образцов поликристаллической меди

с тремя надрезами: 3 - а = 45°; 4 - а = 60°; без надреза (кривая 1) и с надрезами (кривые 2-5). Такое механическое поведение

образцов с надрезами не противоречит экспериментальным данным, имеющимся в литературных источниках [5]._____

Ш.Й/Г? ¡-р"--? Г,/- д., Г Л ■ ■ - Г . б[ „ " 2« г'< Д- ' ^ 3

ШЩгк '4 Г 1 / ^-Х

и* £пл ~ 4% и, и, бпл~ 17% иу

Рис 8. Поля продольных II, и поперечных иу компонент векторов смешений для образца конфигурации типа П (а = 60°)

Из анализа полей продольных их и поперечных иу компонент векторов смещений (рис. 8) следует, что симметричная относительно центрального надреза картина изолиний наблюдается для образцов всех типов на всех стадиях макродеформации. Наибольшая плотность изолинии 11х и иу концентрируется в вершинах надрезов и вдоль линий, соединяющих надрезы. В областях вне надрезов плотность изолиний их и иу небольшая и они взаимно перпендикулярны, т.е. совпадают с направлениями главных деформаций е[ и е2. На стадии предразрушения в образцах типа II (а = 60°) изотеты вдоль линий, соединяющих надрезы на противоположных боковых гранях, приблизительно параллельны друг другу, т.е. в этой области сосредоточены зоны главных сдвигов (Ет„- етш). В образцах

Рис. 7. Диаграммы растяжения меди: 1 - без надреза; 2-е одним надрезом;

типа I (а = 45°) в ходе деформации изолинии их и иу не становятся параллельны друг другу. Из этого следует, что для них вдоль линяй, соединяющих надрезы, достигается промежуточная между растяжением и сдвигом схема деформирования.

6.256-4 8Е-4

1Ш75€Ч-4 5Е"1 ШЭ&4-375Е-*

ЯИ15Ё-4-2.25Е-4

ИЩ7.5Е5-1

тал I (а = 45°)

1Л З.в *5 х, мм

тип П (а = 60°)

Рис 9. Распределение интенсивности скорости деформации (а, в), и соответствующие линии равного уровня (б, г), для образцов типа I (а, б) и типа II (в, г), в™ ~ 17%; в, е - картины макроразрушения, размер изображений 4.9x3 7 мм

тип Ш (о = 75°)

В характере макроразрушения образцов разных типов (рис.9) обнаружены резкие различия. Образец типа I разрушается отрывом, а образец типа П - сдвигом вдоль линии, соединяющей надрезы на противоположных сторонах. Это указывает на то, что, по-видимому, их коэффициент жесткости напряженного со"

стояния П существенно различен: П --

где сг;, <72, стз - величины глав-

ных напряжений; в, = )2 +-(сг2-а,У -а.)2~ - величина интенсивности на-

пряженного состояния. Величина П для образца типа I (а = 45°) больше, чем для образца типа ГГ (а = 60°). Для образца типа Ш (а = 75°) величина коэффициента П не остается постоянной. В начале разрушения коэффициент П для него был большим, что определило характер разрушения отрывом от вершины надреза до середины образца. Затем показатель П снизился, о чем свидетельствует характер разрушения сдвигом.

В образцах типа I картина распределения интенсивности скорости деформации (рис.9 а, б) на стадии предразрушения свидетельствует о слабом взаимодействии зон макролокализации деформации от соседних надрезов. Разрушаются та-

кие образцы (рис 9, в) подобно образцам с единичным надрезом. Для образцов типа II вдоль линии АВ (рис. 9, г), развивается максимальная интенсивность скорости деформации, что и определяет траекторию разрушения такого образца сдвигом (рис.9, е). Разрушение образцов типа III (рис 9, ж) происходит быстро, из-за чего невозможно накопить величину смещений, необходимую для расчета компонент деформации.

Из полученных результатов следует, что характер разрушения образцов с тремя надрезами зависит от конфигурации расположения их на плоскости образца и различен для взаимодействующих и не взаимодействующих надрезов.

В пятой главе «Эволюция напряженно-деформированного состояния при растяжении стали 65X13, поверхностно упрочненной ионно-плазменным азотированием» исследуется эволюция напряженно-деформированного состояния при растяжении стали марки 65X13, упрочненной ионно-плазменным азотированием.

Образцы стали после закалки при = 1000°С имеют структуру мартенсита с карбидами хрома. После азотирования в плазме тлеющего разряда при температуре I = 550°С в течение т = 60 мин на поверхности образуется упрочненный слой толщиной 1= 70 мкм, представляющий собой твердый раствор с включениями дисперсных частиц нитридов хрома. Исследовали образцы (рис.10) с поверхностно упрочненным слоем на боковых (тип I) и на лицевых гранях (тип П). За взаимодействием зон макролокализации деформации для образцов типа I наблюдали на лицевой, а для образцов типа II - на боковой грани образцов.

Из диаграмм растяжения (рис. 11) видно, что образцы разного типа имеют разную пластичность, что связано с разным характером развития локализованно-

Образеи типа I. При е > 0.5% в поверхностно упрочненном слое образцов типа I с азотированными боковыми гранями за счет несовместности деформаций азотированного слоя и основы появляются квазипериодические трещины (рис. 12, а), которые формируют «двулепестковые» зоны макролокализации деформации. По мере роста приложенного напряжения конфигурация зон не меняет-1-сталь 65X13,2 -кошкншшятип I; ся, но они увеличиваются в размере. На неко-3 - композиция тип П торой стадии развития зоны от соседних тре-

щин начинают соприкасаться (рис. 12, г). В результате, в областях наложения их друг на друга, локализация усиливается.

Установлено, что область макро неоднородного пластического течения охватывает не более 1/8 части ширины образца со стороны одной боковой грани и столько же - со стороны другой (рис. 12, б-г). Максимальная интенсивность деформации развивается в вершинах трещин, а также в областях перекрытия зон

Рис.10. Схемы исследуемых образцов

го пластического течения в них.

Рис. 11 Диа1раммы растяжения'

макролокализации деформации. В средней части образца деформация протекает достаточно равномерно и с меньшей скоростью.

Из сравнения кривых 1 и 2 (рис. И) следует, что неоднородность пластического течения, сконцентрированная в узком слое вблизи боковых граней, слабо влияет на механические свойства таких образцов Разрушение образца типа I происходит вязко путем отрыва, на фоне сформированной симметричной шейки, подобно образцу стали 65X13 без азотирования.

0 001575 0 001500 <ВяЙ<ДООЛЭДО- О 001575 " 0 001125 0 001350 ее-« 0Ю1125 6 75Е-4 - 0Е-4 4 5Е4 в 75Е-4 ггэе-* - 4.зе-* О 2 256-1

Рис. 12. Деформированное состояние в зоне двух взаимодействующих трещин образца типа I, е ~ 20.5%; размер изображения 840x634 мкм

Образец типа П. Начальная картина развития неоднородного пластического течения в образцах с азотированными лицевыми гранями подобна образцам типа I. Однако на завершающих стадиях макродеформации (рис. 16, е ~ 7.5-8.5%) происходит взаимодействие зон макролокализации деформации не только от соседних трещин, расположенных на одной лицевой стороне, но и от тех, что расположены на противоположных лицевых гранях образца, то есть взаимодействие зон проходит по всему поперечному сечению образца. ¿1 **

->у и* Ь ~ О.^'У^УО иу

Рис. 13. Деформированное состояние в зоне двух взаимодействующих трещин образцов типа И- металлографическая картина (а), линии равного уровня интенсивности скорости деформации (б); поля продольной их (в) и поперечной иу (г) компонент, размер изображений 840x634 мкм Из анализа полей компонентов векторов смещений следует, что в областях, где изотеты их и иу почти параллельны друг другу, расположены максимальные значения линейных и сдвиговых компонент деформации, а также интенсивности скорости деформации. На стадии предразрушения (рис.16, е ~ 8.5-9.5%) область максимального сдвига увеличивается, распространяясь от одной трещины до другой на противоположной стороне образца. Изотеты их и иу становятся параллельны друг другу вдоль всего поперечного сечения образца, в них исходная схема деформирования растяжением сменяется на сдвиг. В результате формируется мощная полоса локализованного сдвига с максимальной интенсивностью скорости деформации, вдоль которой происходит разрушение образца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертации разработаны и экспериментально обоснованы принципиально новые методические аспекты экспериментальной количественной аттестации напряженно-деформированного состояния на мезо- и макромасштабных уровнях с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC высокого разрешения. Эффективность предложенной методики проверена при исследовании отклика разных по структуре и механическим свойствам поликристаллических материалов, в том числе с упрочненным поверхностным слоем, на характер мезо- и макролокализации деформации в зонах макроконцентраторов напряжений.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана методика расчета локальных характеристик деформации на мезо- и макромасштабиом уровнях по полям компонент векторов смещений, основанная на анализе линий равных перемещений - изотет. Благодаря высокой разрешающей способности комплекса, быстродействию и высокой степени его автоматизации, этим методом может быть аттестован in situ непрерывно меняющийся характер напряженно-деформированного состояния в геометрически неоднородных образцах, а также в образцах с упрочненными поверхностными слоями или упрочняющими покрытиями.

2. Обнаружено, что конфигурация зон макролокализации деформации в образцах с надрезом поликристаллической и субмикрокристаллической меди существенно различается. Для поликристаллической меди характерна «двулепестко-вая» форма сильно размытых зон макролокализации деформации, аналогичная той, что рассчитана для упругой пластины с надрезом. По мере роста внешне приложенного напряжения в зоне макролокализации деформации максимальное значение интенсивности скорости деформации растет, а напряжения уменьшаются и сглаживаются. Симметричность напряжений в зонах макролокализации «двулепестковой» формы сохраняется вплоть до разрушения. Как следствие, образец разрушается отрывом под действием нормальных растягивающих напряжений.

3. Конфигурация зон макролокализации деформации субмикрокристаличе-ской меди определяется ее особенностью деформироваться развитием сопряженных макрополос локализованного сдвига. Это связано с сильной неравновесностью субмикрокристаллической меди, что обусловливает разупрочнение материала в макрополосах локализованной деформации. Как следствие, в зоне надреза развиваются две макрополосы локализованной деформации с максимальной интенсивностью скорости деформации в них. На заключительной стадии деформации максимальная интенсивность скорости сдвига в одной из макрополос усиливается. Разрушение субмикрокристаллической меди осуществляется сдвигом вдоль макрополосы, развивающейся более интенсивно.

4. Принципиальным отличием образцов NiTi с надрезом от поликристаллической и субмикрокристаллической меди является изменение конфигурации зон макролокализации деформации с ростом степени деформации. В начале стадии с малым коэффициентом деформационного упрочнения указанные зоны имеют «двулепестковую» форму, которая изменяется в конце этой стадии. Максимальная скорость деформации наблюдается на противоположной от надреза боковой

грани образца, где развиваются мезополосы локализованной деформации во встречных (по отношению к мезополосам в зоне надреза) сопряженных направлениях тшах. При этом в области надреза скорость деформации понижается. С началом линейной стадии и до разрушения конфигурация упомянутых зон в области надреза становится вновь симметричной «двулепестковой», что обусловливает разрушение образца по схеме нормального отрыва.

5. В образцах с тремя круговыми надрезами важную роль в разрушении материала играет характер самосогласования зон макролокализации деформации, осуществляемый надрезами на противоположных боковых сторонах образца. Развитие макрополосы с максимальной интенсивностью скорости деформации усиливается, если надрезы на противоположных боковых сторонах образца располагаются вдоль направления ттах-

6. Наблюдаемые различия в характере неоднородной пластической деформации образцов стали 65X13 с азотированным поверхностным слоем определяют разный характер их разрушения. Если зоны макролокализации деформации не перекрывают все поперечное сечение образца (азотированы боковые грани), то он разрушается подобно материалу без поверхностно упрочненного слоя нормальным отрывом на фоне сформированной симметричной шейки. Если развиваемые зоны макролокализации деформации перекрывают все сечение образца (азотированы лицевые грани), то его разрушение происходит сдвигом вдоль макрополосы локализованной деформации с максимальной интенсивностью скорости деформации в ней.

7. Сформулирован критерий предразрушения, согласно которому зарождение и распространение магистральной трещины происходит в зоне макролокализации деформации, которая перекрывает все сечение образца и характеризуется максимальной интенсивностью скорости деформации.

8. Даются практические рекомендации снижения концентрации напряжений в реальных конструкциях путем оптимизации пространственного расположения макроконцентраторов напряжений.

Список цитируемой литературы:

1. Антипина Н.А. Механизмы пластической деформации и разрушения на ме-зомасштабном уровне поверхностно упрочненной хромистой стали: Дис. ... канд. техн. наук,- Томск: Изд. ИФПМ СО РАН, 1998.- 118с.

2. Syryamkin V.I., Panin S.V. Television-optical technique for materials investigation and diagnostics of state of loaded materials and structure parts. // Вычислительные технологии. - 2003 — T8. - С.10-25.

3. Сегал В.M., Макушок Е.М., Резников В.И. Исследование пластического формоизменения металлов методом муара.- М.: Металлургия, 1974 - 210с.

4. Ахметзянов М.Х., Албаут Г.Н., Барышников В.Н. Определение коэффициентов концентрации напряжений и деформаций при конечных упругих и пластических деформациях методами нелинейной фотоупругости // Проблемы машиностроения и надежности машин.- 2002 - №1 .-С. 113-118.

5. Мороз Л.С. Механика и физика деформаций и разрушения материалов.- Л: Машиностроение, 1984.-280 с.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих

публикациях:

1. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Стрелкова И.Л. Эволюция деформированного состояния в зоне надреза при растяжении поликристаллов NiTi в мартенсит-ном состоянии // Физическая мезомеханика-2000-Т. 3- №5.-С. 83-90.

2. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Стрелкова И.Л. Количественные оценки напряженно - деформированного состояния в зоне геометрического концентратора напряжений // Проблемы машиностроения и надежности машин. -2002,-№4,- С. 43-49.

3. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Стрелкова И.Л. Анализ деформаций и напряжений в зоне кругового надреза // Физическая мезомеханика- 2002 - Т.5.— №6.-С. 57-64.

4. Деревягина Л.С., Стрелкова И.Л. Эволюция полевых пластических деформаций в зоне геометрического концентратора в меди // Современные техника и технологии: Труды VIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Томск, 8-12 апреля ТПУ- 2002г.-С. 121-124.

5. Стрелкова И.Л., Деревягина Л.С. Оптико-телевизионный метод измерения концентрации напряжений в пластически деформированном твердом теле// Современные проблемы машиностроения и приборостроения: Труды 1-ой Международной конференции 24-28 сентября 2002г.-Томск- С. 35-37.

6. Antipina N.A., Strelkova I.L. Evolution of the steel 65X13 deformation mode with the nitrated laver at the stage of predestruction // Modem techniques and technologies: Proceedings the DC International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists, 7-11 April, Tomsk, TPU - 2003-P. 188-190.

7. Мирхайдарова А.И., Деревягина Л.С., Стрелкова И.Л. Распределение деформаций при растяжении медного образца с тремя надрезами с разной их пространственной конфигурацией // «Новые материалы. Создание, структура, свойства»: Труды Региональной школы-семинара, 17-18 июня 2003г.-г.Томск - С. 7-8.

8. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Стрелкова И.Л., Мирхайдарова А.И. Самоорганизация зон повышенной пластичности в области геометрических концентраторов напряжений и характер разрушения меди при растяжении // Физическая мезомеханика,- 2003- Т.6.- №5.-С. 47-52.

9. Derevyagina L.S., Panin V.E., Deryugin Ye.Ye., Strelkova I.L. Television-optical method for stress-concentration measuring in plastically deformed solids // Proceedings of the Sixth International Conference for Mesomechanics held in Patras, May 31-June 4, 2004.- Greece.-p. 129-135.

2 177

РНБ Русский фонд

2006-4 18640

Тираж 100 экз. Отпечатано в КЦ "Позитив" 634050, г. Томск, пр. Ленина, 34а

ВВЕДЕНИЕ.

1. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

В ЗОНЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МАКРОКОНЦЕНТРАТОРА

НАПРЯЖЕНИЙ.

1.1. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния в сечениях, ослабленных геометрическим макроконцентратором напряжений, для упругой области.

1.2. Методы измерения деформаций.

1.2.1. Метод тензометрии.

1.2.2. Определение деформаций по распределению твердости.

1.2.3. Метод сеток.

1.2.4. Метод муаровых полос.

1.2.5. Голографическая интерферометрия.

1.2.6. Поляризационно-оптические методы.

Актуальность выбранной темы. При разработке новых конструкционных материалов важна комплексная оценка их механического поведения. Однако при использовании материалов в изделиях и конструкциях, имеющиеся в них геометрические неоднородности (выступы, отверстия, надрезы с разной конфигурацией их пространственного расположения) усложняют характеристики напряженно- деформированного состояния и изменяют механические свойства изделий. В области упругих деформаций коэффициенты концентрации напряжений и деформаций в окрестности таких концентраторов зависят от их геометрии и не зависят от степени нагружения и свойств материалов. В большинстве случаев их значения теоретически рассчитаны и известны. В области пластических деформаций коэффициенты концентрации напряжений и деформаций определяются сложнее. Однородные характеристики напряжений и деформаций при испытании стандартных образцов в конструкциях с геометрическими концентраторами становятся неоднородными. Созданные при этом области с повышенной концентрацией напряжений провоцируют макролокализацию пластического течения. Она ограничивает достижимые деформации и существенно ускоряет разрушение конструкций. В этом случае важно оценить влияние этих геометрических неоднородностей на механическое поведение материалов и характер их разрушения.

Другой аспект актуальности изложенной выше проблемы связан с бурно развивающимся новым научным направлением «Физическая мезомеханика материалов». Согласно основной концепции физической мезомеханики деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая иерархически организованная система, в которой деформация и разрушение самосогласованно развиваются как процессы потери сдвиговой устойчивости на микро-, мезо-, и макромасштабных уровнях. Сдвиг на любом масштабном уровне может зарождаться только в локальной зоне концентратора напряжений соответствующего масштаба. Концентраторы напряжений определяют закономерности локализованного пластического течения материала и на макромасштабном уровне обусловливают его разрушение. В связи с этим понятие о концентраторах напряжений, их количественной оценке в физической мезомеханике материалов становится центральным.

В ходе деформации образца (детали) с концентраторами напряжений изначально неоднородное напряженно-деформированное состояние непрерывно изменяется. Поэтому экспериментальные методы идентификации напряженно-деформированного состояния должны обладать высокой степенью автоматизации. Только в этом случае, возможно будет оценить и описать на всех этапах деформации: непрерывно изменяющиеся области влияния того или иного концентратора; конфигурацию развивающихся зон пластичности; характер самосогласования двух (или нескольких) зон от взаимодействующих концентраторов; кинетику развития напряженно- деформированного состояния на стадии предразрушения, определяющую впоследствии характер разрушения образца (детали).

К настоящему моменту количественная аттестация локального напряженно-деформированного состояния осуществляется путем измерения полевой деформации и построения картин ее пространственного распределения. Переход к напряжениям осуществляется на основе уравнений и гипотез различных теорий: обобщенного закона Гука, деформационной теории пластичности, теории течения Сен-Венана, гипотезы пластичности, о соосности напряжений и приращений главных деформаций. Следует отметить, что необходимость подсчета напряжений (по измеренным и реально существующим деформациям) вызвана лишь тем, что в инженерных расчетах на прочность принято пользоваться величинами напряжений. Процесс пластической деформации и разрушения более правильно оценивать по деформациям.

Распространенные экспериментальные методы измерения пластических деформаций многочисленны, но ни один не является абсолютным, каждый имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее широко используемый и четко оформленный поляризационно-оптический метод - фотоупругих покрытий, не компьютеризирован. Для оценки напряженно-деформированного состояния этим методом необходима дополнительная обработка поверхности: наклейка оптически чувствительного покрытия. Исходная картина интерференционных полос, при расшифровке которых получаются экспериментально-расчетные характеристики деформаций и напряжений, в методах с оптически чувствительными покрытиями фиксируются на фотопленку, что заметно увеличивает трудозатраты эксперимента. Наконец, этот метод нельзя использовать для исследования распределения деформаций в малых полях (от 1 до 4 мм) с высокими градиентами деформаций и напряжений.

В связи с выше перечисленными факторами, исследование кинетики напряженно- деформированного состояния этим методом не экономично с точки зрения времени и труда, затраченного на эксперимент. Это ограничивает исследования широкого круга материалов и статистическую обработку полученных экспериментальных результатов.

В настоящей работе измерение полевых локальных деформаций производится с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC. В отличие от метода фотоупругих покрытий, измеряющего как упругие, так и большие пластические деформации, предложенный в работе метод измеряет деформации поэтапно от 1% до стадии разрушения, при этом конец предыдущей стадии является началом последующей. Разработанная на основе оптико-телевизионного измерительного комплекса методика измерения локальных полевых пластических деформаций основана на построении полей векторов смещений при сравнении двух последовательных изображений исследуемого участка поверхности. Метод компьютеризирован. Регистрация в компьютере оптических изображений поверхности при нагружении образца in situ осуществляется через четыре секунды. Для сравниваемых кадров по специально разработайной программе рассчитываются поля векторов смещений. С помощью печати на цветном принтере визуализируются картины полей соответствующих им продольных и поперечных компонент. На полях последних выявляются линии равных смещений (изотеты), являющиеся исходными данными для расчета всей совокупности характеристик деформаций и напряжений.

Цель работы. Исследовать закономерности влияния силового, геометрического и физико-механического факторов на интенсивность деформации в зоне геометрических концентраторов напряжений, а также на конфигурацию, размеры и характер развития пластической деформации этих зон для материалов с разными механическими свойствами. Провести анализ процесса разрушения на мезо- и макромасштабном уровнях на основании установленных закономерностей.

Научная новизна. Разработана новая методика измерения полевых пластических деформаций с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC высокого разрешения. Выполнено ее приложение к решению закономерностей формирования зон макролокализации деформации и разрушения в геометрически неоднородных телах.

Впервые в пластической области деформаций оценены количественно зоны макролокализации деформации в области кругового надреза поликристаллической и субмикрокристаллической меди, в никелиде титана, принципиально различающихся вкладом механизмов деформации на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях.

Практическая значимость работы. Разработанная методика измерения полевых пластических деформаций на мезо- и макромасштабном уровнях является весьма эффективной для оценки несущей способности новых структурно неоднородных конструкционных материалов, их сварных соединений. Использование этой методики на начальной стадии работы концентратора напряжений позволяет оценить конфигурацию зон локализованной пластической деформации и закономерности ее развития. На стадии предразрушения данная методика позволяет оценить остаточный ресурс работы.

На основании разработанной методики даются практические рекомендации снижения концентрации напряжений в реальных конструкциях путем оптимизации пространственного расположения макроконцентраторов напряжений.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

I. Методика расчета локальных характеристик пластической деформации на основе анализа изотет, полученных оптико-телевизионным измерительным комплексом TOMSC (с большой разрешающей способностью (база измерений 1.2-72 мкм) и быстродействием), позволяющая изучать характер деформации на мезо- и макромасштабном уровнях.

II. В поликристаллах с развитой деформацией на микро- и мезомасштаб-ном уровнях в области единичного надреза на боковой поверхности плоского образца формируется «двулепестковая» зона макролокализации деформации, кинетика развития которой связана с характером разрушения. Если ее развитие блокируется пластическим течением на микро- и мезомасштабном уровнях, то образцы разрушаются по схеме нормального отрыва под действием нормальных растягивающих напряжений. При подавлении деформации в объеме материала на микро- и мезомасштабном уровнях разрушение происходит по схеме сдвига под действием касательных напряжений.

III. Экспериментально установленный факт ускорения развития зон макролокализации деформации при наличии на противоположной боковой поверхности образца дополнительных надрезов вдоль направлений ттах. Разрушение в этом случае происходит сдвигом под действием максимальных касательных напряжений.

IV. Критерий предразрушения деформируемых плоских образцов с упрочненным поверхностным слоем боковых или лицевых граней, согласно которому зарождение и распространение магистральной трещины происходит в зоне макролокализации деформации, которая перекрывает все сечение образца и характеризуется максимальной интенсивностью скорости деформации.

Связь работы с Государственными программами и НИР, Работа выполнялась в рамках следующих научных проектов и программ: «Физическая мезомеханика структурно неоднородных сред» (основное задание НИР ИФПМ СО РАН на 1995-2000 г.г.); «Основы физической мезомеханики поверхностных слоев твердых тел» (основные задания НИР ИФПМ СО РАН на 2001-2003 г.г.); грант РФФИ государственной поддержки ведущих научных школ «Школа академика В.Е. Панина: Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов» (проект № 00-15-96174, 2000-2002 г.г.); проект РФФИ грант № 02-01-01195а; интеграционный проект специализированного отделения ЭМ МПУ РАН - СО РАН 3.11.3; грант Президента РФ для поддержки ведущих научных школ «Школа академика В.Е. Панина» № НШ-2324.2003.1.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих Международных, Всероссийских и Региональных конференциях и школах-семинарах:

1. Вторая всероссийская конференция молодых ученых « Физическая мезомеханика материалов», Россия, г. Томск, 23-25 ноября, 1999 г.

2. V Международная конференция молодых ученых «Современные техники и технологии», Россия, г. Томск, 26-30 апреля, 1999 г.

3. III Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (MESO-2000), Росси, г. Томск, 12-14 декабря, 2000 г.

4. Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НТИ-2001), Россия, г. Новосибирск, 11-13 декабря, 2001 г.

5. Четвертая Всероссийская конференция молодых ученых, Физическая мезомеханика материалов «МЕЗО Механика-2001», Россия, г. Томск, 26 -30 ноября, 2001 г.

6. Международная конференция «Мезомеханика: основы и приложения» (Mesomechanics'2001), Россия, г. Томск, 26-28 марта, 2001 г.

7. III Школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии», Россия, г. Томск, 30 января-1 февраля, 2002г.

8. 1-ая Международная конференция «Современные проблемы машиностроения и приборостроения», Россия, г. Томск, 24-28 сентября, 2002г.

9. VIII Международная научно практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Россия, г. Томск, 8-12 апреля, 2002г.

10. IV Школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития», Россия, г. Томск, 5-7 февраля, 2003 г.

11. IX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (СТТ-2003), Россия, г. Томск, 7-11 апреля, 2003 г.

12. International Workshop «Mesomechanics: Fundamentals and Applications» (MESO'2003), August 18-23, Tomsk.

13. V Всероссийская конференция (школа) молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов», Россия, г. Томск, 18-22 августа, 2003 г.

14. Региональная школа-семинар «Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2003», Россия, г. Томск, 17-18 июня, 2003г.

15. Proceedings of the Sixth International Conference for Mesomechanics held in Patras, May 31-June 4, 2004, Greece.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ: 4 статьи в журналах центральной печати, 7 статей в сборниках трудов и тезисы 6 докладов конференций. Перечень их наименований представлен в списке цитируемой литературы (63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 73, 74, 81, 82, 83, 84, 85, 91).

Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается использованием современных экспериментальных методик, многочисленными экспериментальными исследованиями и устойчивой воспроизводимостью результатов, сопоставлением полученных результатов с соответствующими данными, опубликованными в различных литературных источниках.

Структура и объем диссертации. Текст диссертации состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и списка используемой литературы. Работа содержит 47 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список включает 93 наименования. Общий объем диссертации 136 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертации разработаны и экспериментально обоснованы принципиально новые методические аспекты экспериментальной количественной аттестации напряженно-деформированного состояния на мезо- и макромасштабных уровнях с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC высокого разрешения. Эффективность предложенной методики проверена при исследовании отклика разных по структуре и механическим свойствам поликристаллических материалов, в том числе с упрочненным поверхностным слоем, на характер мезо- и макролокализации деформации в зонах макроконцентраторов напряжений.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана методика расчета локальных характеристик деформации на мезо- и макромасштабном уровнях по полям компонент векторов смещений, основанная на анализе линий равных перемещений - изотет. Благодаря высокой разрешающей способности комплекса, быстродействию и высокой степени его автоматизации, этим методом может быть аттестован in situ непрерывно меняющийся характер напряженно-деформированного состояния в геометрически неоднородных образцах, а также в образцах с упрочненными поверхностными слоями или упрочняющими покрытиями.

2. Обнаружено, что конфигурация зон макролокализации деформации в образцах с надрезом поликристаллической и субмикрокристаллической меди существенно различается. Для поликристаллической меди характерна «двулепестко-вая» форма сильно размытых зон макролокализации деформации, аналогичная той, что рассчитана для упругой пластины с надрезом. По мере роста внешне приложенного напряжения в зоне макролокализации деформации максимальное значение интенсивности скорости деформации растет, а напряжения уменьшаются и сглаживаются. Симметричность напряжений в зонах макролокализации «двулепе-стковой» формы сохраняется вплоть до разрушения. Как следствие, образец разрушается отрывом под действием нормальных растягивающих напряжений.

3. Конфигурация зон макролокализации деформации субмикрокристали-ческой меди определяется ее особенностью деформироваться развитием сопряженных макрополос локализованного сдвига. Это связано с сильной неравновесностью субмикрокристаллической меди, что обусловливает разупрочнение материала в макрополосах локализованной деформации. Как следствие, в зоне надреза развиваются две макрополосы локализованной деформации с максимальной интенсивностью скорости деформации в них. На заключительной стадии деформации максимальная интенсивность скорости сдвига в одной из макрополос усиливается. Разрушение субмикрокристаллической меди осуществляется сдвигом вдоль макрополосы, развивающейся более интенсивно.

4. Принципиальным отличием образцов NiTi с надрезом от поликристаллической и субмикрокристаллической меди является изменение конфигурации зон макролокализации деформации с ростом степени деформации. В начале стадии с малым коэффициентом деформационного упрочнения указанные зоны имеют «двулепестковую» форму, которая изменяется в конце этой стадии. Максимальная скорость деформации наблюдается на противоположной от надреза боковой грани образца, где развиваются мезополосы локализованной деформации во встречных (по отношению к мезополосам в зоне надреза) сопряженных направлениях ттах. При этом в области надреза скорость деформации понижается. С началом линейной стадии и до разрушения конфигурация упомянутых зон в области надреза становится вновь симметричной «двулепестковой», что обусловливает разрушение образца по схеме нормального отрыва.

5. В образцах с тремя круговыми надрезами важную роль в разрушении материала играет характер самосогласования зон макролокализации деформации, осуществляемый надрезами на противоположных боковых сторонах образца. Развитие макрополосы с максимальной интенсивностью скорости деформации усиливается, если надрезы на противоположных боковых сторонах образца располагаются вдоль направления ттах.

6. Наблюдаемые различия в характере неоднородной пластической деформации образцов стали 65X13 с азотированным поверхностным слоем определяют разный характер их разрушения. Если зоны макролокализации деформации не перекрывают все поперечное сечение образца (азотированы боковые грани), то он разрушается подобно материалу без поверхностно упрочненного слоя нормальным отрывом на фоне сформированной симметричной шейки. Если развиваемые зоны макролокализации деформации перекрывают все сечение образца (азотированы лицевые грани), то его разрушение происходит сдвигом вдоль макрополосы локализованной деформации с максимальной интенсивностью скорости деформации в ней.

7. Сформулирован критерий предразрушения, согласно которому зарождение и распространение магистральной трещины происходит в зоне макролокализации деформации, которая перекрывает все сечение образца и характеризуется максимальной интенсивностью скорости деформации.

8. Даются практические рекомендации снижения концентрации напряжений в реальных конструкциях путем оптимизации пространственного расположения макроконцентраторов напряжений.

128

1. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел - М.: Мир, 1954 - Т. 1. -647с. (Kirsch В. Z. Ver. Deut. 1.g, Iuli, 16, 1898. S. 597)

2. Галин Л.А. Пластические области у круговых отверстий в пластинах и балках // Прикладная математика и механика- 1946 №10- Вып.З-С. 367-386.

3. Савин Г.Н. Концентрация напряжений около отверстий. М-Л.: Изд-во техн.-теор. лит-ры, 1951 - 496с.

4. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости М.: Наука, 1966 - 707с.

5. Финк К., Рорбах X. Измерение напряжений и деформаций: Пер. с нем./ Под ред. Н.И. Пригоровского. М.: Машгиз, 1961 - 535 с.

6. Беняковский М.А., Бровман М.Я. Применение тензометрии в практике. -М.:Металлургия, 1965 145 с.

7. Немец И. Практическое применение тензометров.-М.: Энергия, 1970-144 с.

8. Крылов Н.А., Глуховский К.А. Испытание конструкций сооружений. Л.: Стройиздат, 1970.-270 с.

9. Малашенко С.В. О пневматических тензометрах // Инж. сб. 1952-Вып. 12. - С 244-252.

10. Методы и приборы тензометрии.: Сб. тр. / Под ред. Н.И. Пригоровского. -М.: ГОСИНТИ, 1964.-Вып. 1. 86 с.

11. Бауманн Э. Измерение сил электрическими методами: Пер. с нем. А. С.Вишнякова и С.Н. Герасимова / Под ред. И.И. Смыслова. -М.: Мир, 1978 430 с.

12. Рузга 3. Электрические тензометры сопротивления: Пер. с чешек. / Под ред. И.П. Раевского. М.: Госэнергоиздат, 1961 - 336с.

13. Напряжения и деформации в деталях и узлах машин. / Под ред. Н.И. Пригоровского. -М.: Машгиз, 1961 564с.

14. Смирнов-Аляев Г.А., Розенберг В.М. Технологические задачи теории пластичности. Ч. 1. Лениздат, 1951- 216 с.1.5