Способ определения вязких свойств материала

(19 1)5 6 01 И ОБР ЬСТВУ Целью изоб ние точности и д результатов.Известно, чт деформации, на силового воздей ретение относи вяэкопластиче ла, а именно к с копластически леродистых ко Изо довани матери ния вя средне лей.ся к области исслеких характеристик пособам определесвойств мало- и струкционных стаетения яв остоверно тся повышеполучаемых ской ьтате о величина апливаемойтвия, возни ластич реэул ет нено ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОведомство сссР1 ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИ(71) Калининградский государственный университет(56) Е,Кгегпр. ТЬе Вое о 1 ЯегчосопсгоПед Тезспц 1 п Фе Оечо 1 ортепт оГ Йе Т 1 еогу оХ ч 1 зсор 1 аз 11 с 11 у Вазед оп То 1 а Я 1 га 1 п апд Очегзсгезз.//Мес 11 ап са Тезт 1 пц аког ОеХоппа 11 оп Моде Оече 1 орвеп 1. АЯТМ ЯТР 765/В И/. Володе апд .1, С. Яаеагепцеп. - Апзег 1 сап Яос 1 ету аког Тез 11 пц апд Ма 1 ега 1 з, 1982. - Р,5 - 29.М,С.М,1 ц. Е.Кгепр 1. А Опаха Чзсоразт 1 с Моде Вазед оп Тота 1 Ятгаи апд Очегзтгезз.//З,МесЬапсз Р 11 уз, ЯоНдз, - 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 режимах одноосного статического растяжения (ОСР) и релаксации напряжений (РН) выполняют испытания в режиме ползучести материала (ПМ), в процессе которых производят регистраци 1 о зависимостей Р = (Ьа - статическая диаграмма деформирования, ст= Щ - кривая релаксации,я = 111) - кривая ползучести, где Р - действующее усилие, Ь - абсолютное удлинение образца, 0- напряжение, в - относительная деформация, 1 - 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 и я,ст)-ФВМ, о структурном виде которой судят по результатам совместного анализа зависимостей прел = Я и ппол = ( е),полученных для каждого иэ частных режимов стационарного нагружения - РН и ПМ в отдельности,; де Ои е - 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 ил,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 нагоужения, а также физико-механическими свойствами самого материала, Связь между напряжениями и деформациями при этом устанавливается определяю- "О щим соотношением вязкопластической среды следующего видап е, п(Е я - сг) = Ро15. -р ят р,г о (1)где Е - модуль упругости материала; аЯ е , о, я- текущие напряжение, деформация и их скорости, соответственно; и я, 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); Р - некоторая функция превышения текущим значением напряжения 01 области, распо, ложенной под статической диаграммой деформирования, роя, о - уравнение статической диаграммы деформирования, получаемой при нагружении с весьма малыми скоростями изменения деформаций и напряжений; т, - текущее время;- квадратные скобки здесь означают функциональную зависимость от соответствующих 40 аргументов.В простейшем варианте функцию Е: можно принять в виде 2о 11-ЮИ 1),о-. (2) 45Структуру и характер изменения функций Ре 1 е о-. о и п я, о находят из эксперимента.Известен способ определения показателя вязкостных свойств материала или, как было отмечено выше, функции вязкости ие, о, заключающийся в использовании данных испытаний образцов материала (в данном случае конструкционная сталь), вы полняемых в режиме релаксации напряжений. Для получения уравнения статической диаграммы деформирования ро ас применена специальная аппроксимация экспериментальной кривой одноосного(4)где ео, с, - начальные фиксированные значения деформации или напряжения в соответствующем режиме. испытания; растяжения. Используя определяющее соотношение, аналогичное 1), которое записывается применительно к нагружению в режиме релаксации напряжений, находят структурный вид функции вязкости и числовые значения постоянных коэффициентов, входящих в эмпирическую формулу. Обработка экспериментальных кривых проведена методом, известным как "метод проб и ошибок",Недостатком указанного способа является использование для определения функции вязкости материала экспериментальных данных, полученных в испытаниях лишь в частном режиме релаксации напряжений. 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 оценокпри 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 ео = сопз 1, е = О, ОЯ 0, и ползучести материала, когда оо = сопзт, о= О, е Ы 0.8 ходе этих экспериментов выполняется регистрация зависимостей оя- для режима растяжения, а такжеоЯ и ет - для режимов релаксации и ползучести, соответственно, Результаты испытаний обрабатывают с использованием соотношений, полученных ихопределяющего уравнения 1) с учетом 2), которые имеют следующий вид,для режима релаксации напряжений510 фо е 1 е о-эо = 20 30 50 55 сг оЕо е = -- касательный модуль упОерочнения материала;оте - условный предел текучести.Кроме того, для простоты записи в (3) ПрИНятО Ео = ЕоЕ =Ео, От =От Е =ЕоУравнение статической равновесной диаграммы деформирования Рое е,о-о,входящее 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(5)Эта форма представления использована при выводе соотношений (3), (4),Скорости е ио находятся грэфглческим дифференцированием экспериментальных кривых е 1 и о 1, полученных при испытаниях в режимах ползучести и релаксации, соответственно,Вычисление пе, о по данным испытаний выполняется следующим образом. Для режима ползучести в рассматриваемый момент времени тг по кривой е 1 находят вели- ЧИНУ ПОЛНОЙ ДЕфоРМаЦИИ Ег = Е 1=71+ Сост ГдЕ Еост. - ЗНаЧЕНИЕ ОСтатОЧНОй дЕфарМации, накопленной в предыдущих нагружениях, если таковые имели место, Значения касательного модуля упрочнения Еог е = = Еог е = ег и условного предела текучести 0 те = отге = ег определяют непосредственно по статической диаграмме растяжения для полученной величины деформации ет. Для режима релаксации значения ЕО=ЕОе= ео и от = о е= ео определяют независимо от рассматриваемого момента времени по величине деформации Е = Ео+ ЕостГДЕ Ео - ЗаДаННал фИКСИРО- ванная деформация, при которой проводится испытание, а еост, имеет тот же смысл, что и в предыдущем случае,Вид функции пе, о и числовые значения входящих в нее параметров находят при совместном рассмотрении и анализе представленных графически зависимостей г 1 ее, по-о,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 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 параметров; напряжения или деформации, выполггяется 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.З представлены характеристики режимов нагружения в испытаниях на ползучесть, а такке отдельные результаты испытаний. Там обозначено: оо/от - степень достигнутого относительного превышения действующим напряжением оо предела текучести материала от, еравд- предварительная пластическая деформация, накопленная в результате предшествующих нагружений; тоад - полное, время выдержки образца под нагрузкой; еполз -деформация ползучести, определяемая с момента установления заданного уровня нагрузки оо = = сопи; е, - остаточная деформация после разгрузки образца, В табл.4 представле ны аналогичные данные для испытанияобразцов в режиме релаксации, Дополнительно к использованным обозначениям в таблице имеем; ео - величина фиксированной деформации во время испытаний; Ьопо - безразмерный параметр, представляющий собой отношение величины общего падения напряжения в образце Ьо= сФ=тог,гд - оо за время проведения эксперимента к начально достигнутому напряжению оо, чигр - скорость перемещения подвижной траверсы испытательной,машины на активном участке нагружения образца. На фиг,4, 5 приведены кривые ползучести материала е= Щи релаксации напряженийй. о = ф, соответствен но, получен н ые 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 ДвфОРМЭЦИгО ПОЛЗУЧЕСТИ Е - Еач + Епол.(12) Ек - Ен На фиг,6 представлена одна из машинных диаграмм одноосного растяжения образцов в координатах Р Л , полученная при скорости перемещения активного захвата испытательной машины ч= 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 коте в интересующем диапазоне изменения е. Полученные результаты представлены в табл,5. Тамобозначено: ею - величина деформации, соответствующей началу участка разбиения диаграммы растяжения; ек - величина деформации, соответствуощей концу участка.Рассмотрим непосредственно порядок определения на основании имеющихся экспериментальных данных основной характеристики вязкопластичности материала, т.е.функции вязкости пе,о, Вначале найдем структурный вид этой функции.Пусть из испытаний на полэучесть имеет кривую е = Щ фиг.7 а. В момент времениопределяют величину достигнутой деформации е. Если образец подвергался предварительному пластическому деформированию с величиной остаточной деформации, определенной после разгрузки и равной еост, то суммарная деформация образца будет В рассматриваемый момент времени 1 по имеющейся кривой ползучести определяют скорость изменения деформации е = Ье/Ьс (7)Затем, используя найденную величину деформации е, по статической диаграмме растяжения, фиг. 7 в, находят соответствующие значения Еое) и % е где Еон, Отн - начальные значения величинсоответствующего участка разбиения диаграммы растяжения, внутри которого содержится точка с деформацией е; Еок, Откконечные значения величин соответствующего участка,При обработке кривых о= Щ полученных по результатам испытаний, выполненных в режиме релаксации напряжений, фиг. 7 б, для заданного момента времени с 5 определяют величину скорости изменениянапряжения 10 Вычисление Ео е) и ат е) производятпо значению деформации Е = ео = сопз 1, достигнутому к моменту начала испытания и поддерживаемому постоянным в течение всего последующего времени эксперимен та, с учетом всех предыдущих нагружений;Тогда 20 где еост, - остаточная деформация, накопленная в предыдущих нагружениях, если таковые имели место, Дальнейшая процедура обработки данных испытаний совпадает с;25уже рассмотренной выше.Вычисление значений функций вязкости пе,о) для каждого частного случая стационарного режима нагружения производят по формулам (3); (4) с использованием найденных числовых значений, входящих в 30Зкних величин Ео и отЗатем строят графики зависимостейи и и е по данным испытаний в режиме ползучести и и иио - в режиме релак сации. напряжений. Они представлены нафиг. 8 и фиг. 9- ползучесть и релаксация, .соответственно. Как видно йз.этих рисунков, точки для различных ступеней нагружения, отличающихся величиной по(режим 40 ползучести) или величиной ео (режим релаксации), с незначительным разбросом располагаются вдоль одной наклонной прямой, Это дает воэможность аппроксимировать.функцию вязкости в каждом из частных слу чаев нагружения степенными зависимостями Вида 50(13) где К 1, 2, а 1, а 2 - 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,(14)и п пол прел Ее 35 Таблица 1 Таблица 2 Ма ка стали Сталь 40д 1 О, о сгт х 10, МПа О х 10, МПа 3,7 18 Теперь, имея в виду, что при деформировании материала под нагрузкой процессы ползучести и релаксации протекают параллельно, причем.в общем случае е и д не равны нулю одновременно, для получения вида функции вязкости материала записывается комбинация 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 по- лучим и е, и - (15)к 1 к 2: Легко видеть, что найденная формула при скорости деформации е = 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 о 1, деформацию а Я и их скорости ст и я соответственно и модуль упругости материала Е, по которым рассчитывают показатель вяз 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 касатель ный модуль упрочнения ЕОЯ и условныйпредел текучести %я, а в качестве характеристики вязкости материала используют функцию вязкости пе,д. определяемую для каждого режима испытания по форму лам ио= Е Ео еа ео +(1 - . ) Ут Яо - (71 Еоео 20 О.о, - Еоая 1. (1 )сто яЕо 4 30 - режим ползучести материала,где о и го - начальные значения напряжения или деформации при соответствующем режиме испытаний,1803773 Таблица 3 вВа аеВвеаевввв вв 1ОВД 8х 10 а Иарка стали лорз. х 102 Оо /О Иаркироакаобразцав, вв вв Сталь 40То же ЧХТ - П 0,89 1,32 1,86 2,55 3,44а вв ев вв е е е е вв вв а е е е а вв % Через 16 мин от начала нагружения,Таблица 4 Маркировка образца .14 1803773 ТаЬлица 5 отМПа Участокдиаграммы Ео х 10 МПаПределые и и ее и иЕке и 0,0074 363 2,72 О, 0002 0,0074 248 О, 0094 0,0210 11,7073,40 333 0,0094 0,0210 0,0292 382 44,92 28,25 0,0292 0,0388 1 Ч 428 566 20,58 2, 79 О, 0543 0,0725 Ч 1 504 Ч 11 550 4,13 Ч 111 2,2 579 605 0,23 Таблица 6 Пог ешность Числовые значения коз и иентов Марка стали К 1 х 10 2 а 0,8676Сталь 40 0,652 3,689 0,9835 0,0388 О, 0543 0,0725 0,0982 0,134 О, 09820,134 0,163 0,1807 0,5818