Способ определения вязких свойств материала

 

Изобретение относится к исследованиям вязкопластических свойств материалов, а именно к способам определения характеристик вязкопластичности (ХВП), в частности , для малои 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, анапряжение, е - относительная деформация , t - текущее время. Полученные экспериментальные данные обрабатывают на основе определяющего уравнения упруговязкопластической 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 стационарного 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)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ социАлистических

РЕСПУБЛИК

tsI)s G 01 N 3/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВедомстВо сссР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCI(OMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4902705/28 (22) 25.10.90 (46) 23.03.93. Бюл. N. 11 (71) Калининградский государственный университет (72) А.Л.Оводенко (56) Е.Krempl. The Role of Servocontrolled

Testing in the Devolopment of the Theory of

Viscoplastlclty Вазед on Total Strain and

Overstress.//Mechanical Testing for

Deformation Model Development. ASTM STP

765/R W. Rohde and J, С. Swearengen.—

Amerlcan Society for Testing and Materials, 1982. — P,5 — 29.

M,Ñ.M.Liu. Е.KrempL А Unlaxlal

Viscoplastic Model Based on Totai Strain and

Overstress.//),Mechanics Phys. Solids,—

1979. — 27 — Р,377-391, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКИХ

СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА (57) 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

Изобретение относится к области исследования вяэкопластических характеристик материала, а именно к способам определения вязкопластических свойств мало- и среднеуглеродистых конструкционных сталей. ()5U 1883773 Al режимах одноосного статического растяжения (OCP) и релаксации напряжений (PH) выполняют испытания в режиме ползучести материала (ПМ), в процессе которых производят регистрацию зависимостей P = f(ho)— статическая диаграмма деформирования, v= f(t) — кривая релаксации,я = f(t) — кривая ползучести, где P — действующее усилие, Ь I — абсолютное удлинение образца, онапряжение, Р— относительная деформация, t — текущее время. Полученные экспериментальные данные обрабатывают на основе определяющего уравнения упруговязкопластической среды с использованием кусочно-линейной аппроксимации статической диаграммы деформирования. А в качестве характеристики вяэкопластичности материала принимают функци,о вязкости

n(я,ст)-ФВМ, о структурном виде которой судят по результатам совместного анализа М зависимостей прел = f(

Целью изобретения является повышение точности и достоверности получаемых результатов.

Известно, что величина пластической деформации, накапливаемой в результате силового воздействия, возникает не мгно1803773 венно. Для ее развития требуется определенное время, в течение которого в деформируемом материале одновременно протекают процессы ползучести и релаксации напряжений. Их влияние на конечный 5 результат определяется характером и условиями нагружения, а также физико-механическими свойствами самого материала.

Связь между напряжениями и деформациями при этом устанавливается определяю- "О щим соотношением вязкопластической среды следующего вида п (е, и ) (Е я — o ) = F (o i t )—

15 — po f aft)i я,h o) (1) где E — модуль упругости материала; o(t), e (t), o; э- текущие напряжение, деформация и их скорости, соответственно; и(е, о) — 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 o (t) области, распо. ложенной под статической диаграммой деформирования, po (... ) я, o — уравнение статической диаграммы деформирования, 35 получаемой при нагружении с весьма малыми скоростями изменения деформаций и напряжений; t — текущее время; (...)— квадратные скобки здесь означают функциональную зависимость от соответствующих 40 аргументов.

В простейшем варианте функцию F(:..) можно принять в виде (2) т() pf<(t)),o (2) 45

Структуру и характер изменения функций p (е (t)) т „и и (я, о) находят из эксперимента.

Известен способ определения показа- 50 теля вязкостных свойств материала или, как было отмечено выше, функции вязкости

n (е, а), заключающийся в использовании данных испытаний образцов материала (в данном случае конструкционная сталь), вы- 55 полняемых в режиме релаксации напряжений. Для получения уравнения статической диаграммы деформирования ро (а(1)) применена специальная аппроксимация экспериментальной кривой одноосного

Eoао+(1 — — )oт of tj

Ео

n (o )—

0 для режима ползучести материала

: (3) Ее (4) где

Это обстоятельство не согласуется с принятой физической моделью, лежащей в основе теории упруговязкопластической среды, согласно которой процесс деформирования определяется двумя механизмами: релаксацией напряжений и ползучестью материала.

Таким образом практическое. использование определяющего соотношения (1) для получения с его помощью количественных оценок при самых различных режимах нагружения или деформирования не обеспечивает достаточной точности, Фиг,1-9 иллюстрируют предлагаемый способ.

Сущность спосаба заключается в том,. что для этого производится комплекс испытаний образцов в режиме одноосного растяжения и в двух стационарных режимах нагружения, а именно релаксации напряжений, когда eo = const, e = О, oft)<0, и ползучести материала, когда оо = const, o = О, е (t)>0.

В ходе этих экспериментов выполняется регистрация зависимостей а(ь)- для режима растяжения, а такжео ft) и e(t) — для режимов релаксации и ползучести, соответственно.

Результаты испытаний обрабатывают с использованием соотношений, полученных их определяющего уравнения (1) с учетом (2), которые имеют следующий вид. для режима релаксации напряжений

1803773

0(7

Ео(е) = — — касательный модуль упdE рочнения материала;

) С

% (е) — условный предел текучести.

Кроме того, для простоты записи в (3)

ПРИНЯТО Ep= Eo(C =Co), О; =Or (F. =Co).

Уравнение статической равновесной диаграммы деформирования

po(c(t)) g g p,âõoäÿùåå в (1) и, соответственно, во все последующие выражения, записывается в пределах малых участков изменения е с помощью аппроксимаций кусочно-линейными зависимостями экспериментальной кривой одноосного растяжения (рис.2) и имеет вид у>о(c(t Jl я,д- о =.

= Eo(Я)Я(1)+(1 )Ог (F). (5)

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

Скорости а и о находятся графическим дифференцированием экспериментальных кривых е(t) и o(t), полученных при испытаниях в режимах ползучести и релаксации, соответственно, Вычисление п(е, o) по данным испытаний выполняется следующим образом. Для режима ползучести в рассматриваемый момент времени tt по кривой F.(t) находят величину полной деформации Q = c (t=ti)+ coc>„

ГдЕ Focr. — ЗНаЧЕНИЕ ОСтатОЧНОй дЕфарМации, накопленной в предыдущих нагружениях. если таковые имели место, Значения касательного модуля упрочнения Ео (к) =

= E»(c = ei) и условного предела текучести

ori*fF ) = о1*(е = О) определяют непосредственно по статической диаграмме растяжения для полученнбй величины деформации

e (t). Для режима релаксации значения р У

Eo=Eo(F= Fo) И OT = О (C= eo) ОПРЕДЕляют независимо от рассматриваемого момента времени по величине деформации

60 = Е>+ foc>., где eo — заданная фиксированная деформация, при которой проводится испытание, а Eос . имеет тот же смысл, что и в предыдущем случае.

Вид функции n(F, о) и числовые значения входящих в нее параметров находят при совместном рассмотрении и анализе представленных графически зависимостей n(FJ г, п(о) ст, 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 = 288298 К). Программы испытаний в условном виде представлены на фиг, 3. Каждый испытуемый образец подвергается 4-6 кратному ступенчатому нагружению с увеличивающимися на каждой из последующих ступеней исходными значениями деформации (релаксация) или напряжения (ползучесть), Регистрация фиксируемых в испытаниях па5

10 раметров; напряжения или деформации, выполняется с помощью, например, электромеханических тензодатчиков, установленных на образце и подключенных ко входам измерительных каналов тензоусилительного преобразователя, выход которых соединяется с самопишущим прибором непрерывного действия, В данном случае был использован светолучевой осциллограф.

В табл.3 представлены характеристики

20 режимов нагружения в испытаниях на ползучесть, а так>ке отдельные результаты испытаний. Там обозначено: oo/o — степень достигнутого относительного превышения действующим напряжением 0 o предела текучести материала гт; е р д — предварительная пластическая деформация, накопленная в результате предшествующих нагружений; t«i — полное, время выдержки образца под нагрузкой; еполз — деформация

На фиг,4, 5 приведены кривые ползучести материала = ф) и релаксации напряжений, о = f(t), соответственно, полученные в испытаниях, Принципиально, что на кривых ползучести величина деформации к представляет собой полную деформацию образца, учитывающую как деформацию, достигнутую на момен- окончaíèÿ участка активного нагру>кения, так и собственно деформацию ползучести я = енач + япол. ползучести, определяемая с момента установления заданного уровня нагрузки oo =

= const; oc> — остаточная деформация после разгрузки образца. В табл.4 представлены аналогичные данные для испытания образцов в режиме релаксации, Дополнительно к использованным обозначениям в таблице имеем; ео — величина фиксированной деформации во время испытаний;

Ьо!п, — безразмерный параметр, представляющий собой отношение величины общего падения напряжения в образце

Ь о = o(t=t>>l< J oo !за время проведения эксперимента к начально достигнутому на45 пряжению о, чи,гр скорость перемещения подвижной траверсы испытательной ,машины на активном участке нагружения образца.

1803773 с =Ьо/At (10) l =. о + <«r", Й= Й+ ост (6) Е к! сн! (8) п(я) = k (я) (12) 6с! н!

На фиг,6 представлена одна из машинных диаграмм одноосного растяжения образцов в координатах Р А1, полученная при скорости перемещения активного захвата испытательной машины vl

= 0 005 мм/с. Для исследуемой марки стали были выполнены испытания серии образцов из 6 ш, по результатам которых построена усредненная диаграмма растяжения. Обработка усредненной диаграммы позволила установить значения Ео (е) No< f ã) в интересующем диапазоне изменения я. Полученные результаты представлены в табл.5. Тамобозначено: e»l — величина деформации, соответствующей началу участка разбиенил диаграммы растлженил; E

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

Пусть из испытаний на полэучесть имеет кривую е = fjt), фиг.7а. В момент времени

t! определлют величину достигнутой деформации а. Если образец подвергался предварительному пластическому деформированию с величиной остаточной деформации, определенной после разгрузки и равной ес!с> . то суммарная деформация образца будет

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

Ь = Ье/Ьс (7)

Затем, используя найденную величину деформации д, по статической диаграмме растяжения, фиг. 7s, находят соответствующие значения Е

5 определяют величину скорости изменения напряжения

10 Вычисление Ес,!Я) и i (ei) производят по значению деформации ei = ep = const, достигнутому к моменту начала испытания и поддерживаемому постоянным в течение всего последующего времени эксперимен15 та, с учетом всех предыдущих нагружений;

Тогда

20 где e«r. — остаточная деформация, накопленная в предыдущих нагружениях, если таковые имели место, Дальнейшая процедура обработки данных испытаний совпадает с,, 25 уже рассмотренной выше.

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

Зк них величин Eî и а .

Затем строят графики зависимостей

In n 1п E по данным испытаний в режиме . ползучести и In n и I o I — в режиме релак35 сации. напряжений. Они представлены на фиг. 8 и фиг. 9- ползучесть и релаксация, . соответственно. Как видно йз.этих рисунков, точки для различных ступеней нагружения, отличающихся величиной oo(режим

40 ползучести) или величиной ео (режим релаксации), с незначительным разбросом располагаются вдоль одной наклонной прямой.

Это дает воэможность аппроксимировать. функцию влзкости в каждом из частных слу45 чаев нагружения степенными зависимостями Вида

50 и() < -а2 (13) где И, kz, at, а — постоянные числовые коэффициенты.

Статистическая обработка всего объема экспериментальной информации, выполненная методом наименьших квадратов, позволила получить численные оценки этих коэффициентов, значения которых приведены в табл;6, 1803773

1 1 1 (14) !

П пол прел

Ее

Таблица 1

Таблица 2

Ма ка стали

Сталь 40

cri x 10, МПа оа х 10, Mila

3.7

Теперь, имея в виду, что при деформировании материала под нагрузкой процессы ползучести и релаксации протекают параллельно, причем.в общем случае е и о не равны нулю одновременно, для получения вида функции вязкости материала записывается комбинация где Anon — выражение для функции вязкости, найденное из результатов испытаний на ползучесть, à прел — из результатов испытаний в режиме релаксации напряжений.

Отсюда с учетом (12) и (13) в итоге получим и f е,и) —, (15) к1 "2 (- )а"1 + „ I O Ià2 .

: Легко видеть, что найденная формула при скорости деформации e- =О, характеризующей режим релаксации напряжений. переходит в (13), а при скорости напряжения о = О, 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 ре. лаксации напряжений, в процессе испытаний определяют текущие напряжения cT(1), деформацию а (t), и их скорости ди ясоответственно и модуль упругости материала Е. по которым рассчитывают показатель вяз5 ких свойств материала, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения достоверности, дополнительно проводят испытания в режиме ползучести при одноосном статическом растяжении, определяют касатель10 ный модуль упрочнения Ео(я) и условный предел текучести %*(F), а в качестве характеристики вязкости материала используют функцию вязкости п(ь.,о). определяемую для каждого режима испытания по форму15 лам

A(O)=

Ео(o)Fo+(1 . )и. (Е ) — а(т) Ео f eo) 20

0 — режим релаксации напряжений, и п(я) =

Е ..о — Ep (а)я(т j — (1 — ) cr, ()

Eo(eJ ж

30 — режим ползучести материала, ГДЕ Оо И Fo — НаЧаЛЬНЫЕ ЗНаЧЕНИЯ НаПРЯжЕния или деформации при соответствующем режиме испытаний, 1803773

T ост. х1 02

» «

Та блица 3

»»»»»»»««»

I ЛОРЗ. х 102

» РОВД 8. х10а

» «

Иарка стали

Оо /О

Маркировка образца

t8bIA э мин

Сталь 40

То же

1,0

U- П

0,8

1,0

1,8

«11»

2 39

0,12

1,09

1,38

То же

° tI

«I l

Сталь 40

То же

VII — П

0,89

1,32

1,86

2,55

3,44

»11»

«I I »

«

Через 16 мин от начала нагружения.

Таблица 4

Маркировка образца .

Марка о, стали х102

Енрвдв оот, х 10з х. 10з о /„ т

Ьо,/ о

0нагр мм/с

ВиД, иим

Ст. 40

То же

1,48 270

1,61 260

1, 65 260

1, 48 265

1,61 265

1,41 260

1,53 260

1,57 260

5,12

5,20

5,14

5,67

4,85

5,01

5, 0 6

5,08

0,09

О, 086

О,11

0,10

О, 097

0,12

0,108

О, 092.

О ,4,68

9,38

4,68

4,70 4,55

5, 043

4,22

4,37

4,56

4,46

IV — Р

10 l0

Ст. 40

То же

Ст, 40

То же

100

5, 043

О.

4,370

8,930

100

VI - p

VI - П Сталь 40

1,05

1,15 .1, 25

1,35

1,10

1,20

1,30

1,40

1,10

1,25

1,35

1,45

1,55

1,65

263

190

0,28

0,22

0,15

0134

0,22

0 35

0 37

О, 42

0 21

0,14

2 50

3,0

4,0

8,0

0 59

0,75

0,12

0 97

0,29

1,90

0,89

0,43

0,54

0,69

0,89 .

1,41

1803773

Та блицами от

МПа

Участок диаграммы

Ео х 10

МПа

Пределы н

Е

0,0074

363

2,72

О, 0002

О, 0074

248

0,0094

0.,0210

117,70

73,40

333

382

44,92

28,25

0,0292

О, 0388

428

566

О, 0543

0,0725

20,58 !

2, 79

504

VII

550

4,13

2,2

VIII

579

605

0,23

Таблица 6

Пог ешность

Числовые значения коз и иентов

Марка стали

К Х 0 kk а1

S2

0,8676

Сталь 40

0,652

3,689

0,9835

0,0094

0,0210

О, 0292

0,0388

О, 0543

0,0725

0,0982

О, 134

О, 0982

0,134

О, 168

0,1807 0,5818

1803773

1803773

° °

А,I%a . б00

РО Л37,л ю

1603773

gd а0а%,нн

6 7м б

4 ir,*c с.

l, pun.T f803773

2р6 -19 17 -75 -73. - 17 -3 фИГ. 8

О

Ь

?»

3 /3 = »20 (u8pmzg 2g)

Ь./ы, = 1Ы

I1 в,„-= l<

8, 4 = 1, i0 (adpuseg 27)

so/д = 1Ф

ЛИНИЯ ИИпДОКСИ ЯЗ,ЧИ

1803773

> — d, ==,У1 ИПа (0бразюц / )

u — Д = 393РИУ о

Жо= ЮРИа о - g,= =Уцвпа сДдюец 4 )

° — 4 =MaРа литл атроксциации

Составитель А.Оводенко

Техред М.Моргентал Корректор П,Гереши

Редактор Т.Иванова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 1050 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

- 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб:, 4!5