Способ определения вязких свойств материала Советский патент 1993 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к области исследования зязкопластических характеристик материала, а именно к способам определения вязкопластических свойств мало- и среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности получаемых результатов.

Известно, что величина пластической деформации, накапливаемой в результате силового воздействия, возникает не мгновенно. Для ее развития требуется определенное время, в течение которого в деформируемом материале одновременно протекают процессы ползучести и релаксации напряжений. Их влияние на конечный результат определяется характером и условиями нагружения, а также физико-механическими свойствами самого материала. Связь между напряжениями и деформациями при этом устанавливается определяющим соотношением вязкопластической среды следующего вида

,CT(EЈ-a) .7-o., О)

где Е - модуль упругости материала; , eft, а, ё- текущие напряжение, деформация и их скорости, соответственно; п е, д - показатель вязкостных свойств, так называемая функция вязкости материала, всегда положительная, имеющая размерность времени и наделенная признаками четности (далее в тексте будет использоваться в основном второй термин как более короткий и в то же время в большей степени, по нашему мнению, соответствующий приписываемому ему физическому смыслу); F... - некоторая функция превышения текущим значением напряжения области, распо- . ложенной под статической диаграммой деформирования; ро 3 Ј. -уравнение статической диаграммы деформирования, получаемой при нагружении с весьма малыми скоростями изменения деформаций и напряжений; t - текущее время; ... - квадратные скобки здесь означают функциональную зависимость от соответствующих аргументов.

В простейшем варианте функцию F.... можно принять в виде 2

.(

растяжения. Используя определяющее соотношение, аналогичное (1), которое записывается применительно к нагружению в режиме релаксации напряжений, находят

5 структурный вид функции вязкости и числовые значения постоянных коэффициентов, входящих в эмпирическую формулу. Обработка экспериментальных кривых проведена методом, известным как метод проб и

10 ошибок.

Недостатком указанного способа является использование для определения функции вязкости материала экспериментальных I данных, полученных в испытаниях лишь в

15 частном режиме релаксаций напряжений. Это обстоятельство не согласуется с принятой физической моделью, лежащей в основе теории упруговязкопластической среды, согласно которой процесс деформирования

20 определяется двумя механизмами: релаксацией напряжений и ползучестью материала. Таким образом практическое, использование определяющего соотношения (1) для получения с его помощью количественных

25 оценок при самых различных режимах нагружения или деформирования не обеспечивает достаточной точности.

Фиг. 1-9 иллюстрируют предлагаемый способ.

30 Сущность способа заключается в том, что для этого производится комплекс испытаний образцов в режиме одноосного растяжения и в двух стационарных режимах нагружения, а именно релаксации напряже35 ний, когда е0 const, Б - 0, , и ползучести материала, когда оъ const, а- 0, е . В ходе этих экспериментов выполняется регистрация зависимостей для режима растяжения, а таюке 7 1 и - для режимов

40 релаксации и ползучести, соответственно. Результаты испытаний обрабатывают с использованием соотношений, полученных их определяющего уравнения (1) с учетом (2), которые имеют следующий вид:

45 для режима релаксации напряжений .

Изобретение относится к исследованиям вязкопластических свойств материалов, а именно к способам определения характеристик вязкопластичности (ХВП), в частности, для мало- и среднеуглеродистых конструкционных сталей. Целью изобретения является повышение достоверности экспериментального определения ХВП. Сущность способа заключается в том, что при действующих напряжениях выше предела упругости дополнительно к механическим лабораторным испытаниям образцов в режимах одноосного статического растяжения (ОСР) и релаксации напряжений (РН) выполняют испытания в режиме ползучести материала (ПМ), в процессе которых производят регистрацию зависимостей Р - статическая диаграмма деформирования, а - кривая релаксации,е f{t - кривая ползучести, где Р - действующее усилие, Д| - абсолютное удлинение образца, а- напряжение, е - относительная деформация, t - текущее время. Полученные экспериментальные данные обрабатывают на основе определяющего уравнения упруго- вязкопластической среды с использованием кусочно-линейной аппроксимации статической диаграммы деформирования. А в качестве характеристики вязкопластичности материала принимают функцию вязкости п , о структурном виде которой судят по результатам совместного анализа зависимостей npen и Ппол Я полученных для каждого из частных режимов стаци- онарного нагружения - РН и ПМ в отдельности, скорости изменения напряжения и деформации, рассчитанные по кривым релаксации и ползучести соответственно. Входящие в окончательное выражение для ФВМ постоянные параметры и числовые коэффициенты находят из результатов имеющейся экспериментальной информации. 6 табл. 9 йл. ел с со О СА) ч| VI СА)

Структуру и характер изменения функций Ё. и , а находят из эксперимента.

Известен способ определения показа- теля вязкостных свойств материала или, как было отмечено выше, функции вязкости ,0, заключающийся в использовании данных испытаний образцов материала (в данном случае конструкционная сталь), вы- полняемых в режиме релаксации напряжений. Для получения уравнения статической диаграммы деформирования применена специальная аппроксимация экспериментальной кривой одноосного

Е0Јо+(1 --|r-)

-:(3)

а для режима ползучести материала

ob-E0 Ј e t -(l --gЈlЈl)

: . , t

(4)

где ЕО , о0 - начальные фиксированные значения деформации или напряжения в соответствующем режиме.испытания;

Ео к 7j- касательный модуль упLJ t

рочнения материала;

j,

От с -условный предел текучести. Кроме того, для простоты записи в (3)

ПРИНЯТО Ео Е0 Ј Ео , Oi 0V Ј - Јо .

Уравнение статической равновесной диаграммы деформирования Ј..входящее о (1) и, соответственно, во все последующие выражения, записывается в пределах малых участков изменения БС помощью аппроксимаций кусочно-линейными зависимостями экспериментальной кривой одноосного растяжения (рис.2) и имеет вид

е,

+ O --ИА1)аГт.

(5)

Эта форма представления использована при выводе соотношений (3), (4).

Скорости Ј ист находятся графическим дифференцированием экспериментальных кривых и а, полученных при испытаниях в режимах ползучести и релаксации, соответственно.

Вычисление , а по данным испытаний выполняется следующим образом. Для режима ползучести в рассматриваемый момент времени ti по кривой находят величину полной деформации Е + Сост., где Јост. - значение остаточной деформации, накопленной в предыдущих нагруже- ниях, если таковые имели место. Значения касательного модуля упрочнения E0i Ј E0i Ј условного предела текучести СИ к 0Ґ| е/ Јi определяют непосредственно по статической диаграмме растяжения для полученной величины деформации . Для режима релаксации значения От 0т с Јо определяют независимо от рассматриваемого момента времени по величине деформации к0 ЕО + Јост., где БО - заданная фиксированная деформация, при которой проводится испытание, а Јост. имеет тот же смысл, что и в предыдущем случае.

Вид функции , о и числовые значения входящих в нее параметров находят при совместном рассмотрении и анализе представленных графически зависимостей Ј, п а т.

Способ осуществляется следующим образом.

Серию образцов из стали 40 (химический состав дан в табл.1, механические характеристики - в табл.2) испытывают в

режимах ползучести и релаксации при нормальной температуре (в интервале Т 288- 298°К). Программы испытаний в условном виде представлены на фиг. 3. Каждый испы- 5 туемый образец подвергается 4-6 кратному ступенчатому нагружению с увеличивающимися на каждой из последующих ступеней исходными значениями деформации (ре: лаксация) или напряжения (ползучесть).

0 Регистрация фиксируемых в испытаниях параметров: напряжения или деформации, выполняется с помощью, например, электромеханических тензодатчиков, установленных на образце и подключенных ко

5 входам измерительных каналовтензоусили- тельного преобразователя, выход которых соединяется с самопишущим прибором непрерывного действия. В данном случае был использован светолучевой осциллограф.

0 В табл.3 представлены характеристики режимов нагружения в испытаниях на ползучесть, а также отдельные результаты испытаний. Там обозначено: 0ъ/оу - степень достигнутого относительного превышения

5 действующим напряжением оь предела текучести материала (7Г; Бпред - предварительная пластическая деформация, накопленная в результате предшествующих нагружений; Твыд - полное.время выдержки

0- образца под нагрузкой; Бполз -деформация ползучести, определяемая с момента установления заданного уровня нагрузки О0 const; БОСТ - остаточная деформация после разгрузки образца. В табл.4 представле5 ны аналогичные данные для испытания образцов в режиме релаксации. Дополнительно к использованным обозначениям в таблице имеем: ЕО - величина фиксированной деформации во. время испытаний;

0. До/Оо- безразмерный параметр, представляющий собой отношение величины общего падения напряжения в образце Д0 - 7о 1за время проведения эксперимента к начально достигнутому напряжению оъ; Vnarp. - скорость перемещения подвижной траверсы испытательной .машины на активном участке нэгружения образца.

5

На фиг.4, 5 приведены кривые ползучести материала релаксации напряжений. -.(7 , соответственно, полученные в испытаниях. Принципиально, что на кривых ползучести величина деформации е представляет собой полную деформацию образца, учитывающую как деформацию, достигнутую на момент окончания участка активного нагружения, так и собственно деформацию ползучести Ј ЈНач + БПОЛ.

Иа фиг.6 представлена одна из машинных диаграмм одноосного растяжения образцов в координатах Р А I, полученная при скорости перемещения активного захвата испытательной машины vi a 0,005 мм/с. Для исследуемой марки стали были выполнены испытания серии образцов из 6 шт., по результатам которых построена усредненная диаграмма растяжения. Обработка усредненной диаграммы позволила

,ь . .

установить значения Е0 е в интересующем диапазоне изменения е. Полученные результаты представлены в табл. 5. Там Обозначено: Јц| - величина деформации, соответствующей началу участка разбиения диаграммы растяжения; Јк - величина деформации, соответствующей концу участка.

Рассмотрим непосредственно порядок определения на основании имеющихся экспериментальных данных основной характеристики вязкопластично(Сти материала, т.е. Функции вязкости , т). Вначале найдем структурный вид этой функции.

Пусть из испытаний на ползучесть имеет кривую е фиг.7а. В момент времени ti определяют величину достигнутой деформации а. Если образец подвергался предварительному пластическому деформированию с величиной остаточной деформации, определенной после разгрузки и равной йэст, то суммарная деформация образца будет

Е| Ј| +

В рассматриваемый момент времени ti по имеющейся кривой ползучести определяют скорость изменения деформации

Јt Ae/At(7) Затем, используя найденную величину деформации fj, по статической диаграмме растяжения, фиг. 7в. находят соответствую- щие значения и ovi а

Еон +

Еок ЕОН

Кк -F-W

Јi ;

.

Exi Јн

где Еон, Отн - начальные значения величин соответствующего участка разбиения диаграммы растяжения, внутри которого содержится точка с деформацией Јi; -Е0к, о™ -- конечные значения величин соответствующего участка.

При обработке кривых ст , полученных по результатам испытаний, выполненных в режиме релаксации напряжений, фиг. 76, для заданного момента времени ti определяют величину скорости изменения напряжения

а До/At.

(Ю)

Вычисление и0т1 ef производят по значению деформации Ј Ј0 const, достигнутому к моменту начала испытания и поддерживаемому постоянным в течение всего последующего времени эксперимента, с учетом всех предыдущих нагружений. Тогда

+EOCTI

(11)

20

25

30

35

40

45

где ЕОСТ. - остаточная деформация, накопленная в предыдущих нагружениях, если таковые имели место. Дальнейшая процедура обработки данных испытаний совпадает с уже рассмотренной выше.

Вычисление значений функций вязкости , о для каждого частного случая стационарного режима нагружения производят по формулам (3), (4) с использованием найденных числовых значений, входящих в

них величин Е0 и а.

Затем строят графики зависимостей In n In Ј по данным испытаний в режиме ползучести и In n ln I a - в режиме релаксации напряжений. Они представлены на фиг. 8 и фиг. 9 - ползучесть и релаксация, соответственно. Как видно из этих рисунков, точки для различных ступеней нагружения, отличающихся величиной оъ (режим ползучести) или величиной Ј0 (режим релаксации), с незначительным разбросом располагаются вдоль одной наклонной прямой. Это диет возможность аппроксимировать функцию вязкости в каждом из частных случаев нагружения степенными зависимостями вида;

ki(e)a1; 50 l 2lorl 2,

(12)

(13)

где ki, k2, ai, 32 - постоянные числовые коэффициенты.

с,. Статистическая обработка всего объема экспериментальной информации, выполненная методом наименьших квадратов, позволила получить численные оценки этих коэффициентов, значения которых приведены в табл.6.

Теперь, имея в виду, что при деформировании материала под нагрузкой процессы ползучести и релаксации протекают параллельно, причем в общем случае е и а не равны нулю одновременно, для получения вида функции вязкости материала записывается комбинация

1

1

Лпол

Прел

где Ппол - выражение для функции вязкости, найденное из результатов испытаний на ползучесть, а прел - из результатов испытаний в режиме релаксации напряжений.

Отсюда с учетом (12) и (13) в итоге получим

,сг

kik2

k2(-/J)a1+kilcrla2

(15)

: Легко видеть, что найденная формула при скорости деформации е 0, характеризующей режим релаксации напряжений, переходит в (13), а при скорости напряжения Ь- 0, соответствующей режиму ползучести материала, в (12).

Формула изобретения Способ определения вязких свойств материала, по которому проводят механические испытания образцов в режиме одноосного статического растяжения и релаксации напряжений, в процессе испыта

10

15

ний определяют текущие напряжения , деформацию Ј.t, и их скорости а и Ј соответственно и модуль упругости материала Е, по которым рассчитывают показатель вязких свойств материала, отличающий- .с я тем, что, с целью повышения достоверности, дополнительно проводят испытания в режиме ползучести при одноосном статическом растяжении, определяют касательный модуль упрочнения и условный предел текучести , а в качестве характеристики вязкости материала используют функцию вязкости , о, определяемую для каждого режима испытания по формулам

П(7 (1

)

о - режим релаксации напряжений, и

,ob-E0 Ј Ј t -(l -ЦИЫг

Ее

режим ползучести материала, где оь и Ј0 - начальные значения напряжения или деформации при соответствующем режиме испытаний,

Таблица 1

Таблица 2

ТаблицаЗ

13

Фа&1

180377314

Та блица 5

A

дд дд

ITS:

2

4

3 In

22ff-ts v#

nw

0.0 га to з.о w s.o s,o ,o so#,,

Фиг. 6

J

/

фиг.7

V.

TlftftBWfflXOtfui/D tfnHnif

QS l /° (LZ foeoctjO) Oil I0 on -&/0 т /°

(ffZ faeDdgo) Qt i sr-y/ep Ц 8Пф

s- iО

v

a

0

ULЈ08I

u/dt-ю t -б -г о

Фиг.9

- d0 331rtfto (образец, / . )

и

//

&0 типа

60- ЬЮМПа

&0- №МПа (fffyam /

&0-№МПа

линия аппроксимации

)

ю

8

И

О

и

//

)