WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ВЕРЕТЕННИКОВА ИРИНА АНДРЕЕВНА

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАССЛОЕНИЯ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СЛОИСТОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА, ПОЛУЧЕННОГО СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ

Специальность 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения Уральского отделения Российской академии наук

Научный консультант: доктор технических наук, старший научный сотрудник Смирнов Сергей Витальевич

Официальные оппоненты: Готлиб Борис Михайлович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный университет путей сообщения", заведующий кафедрой "Мехатроника" Залазинский Александр Георгиевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, заведующий лаборатории системного моделирования

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики Уральского отделения РАН, г. Ижевск

Защита диссертации состоится 02 октября 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.023.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения Уральского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан “ ” августа 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Коновалов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Современные наука и техника предъявляют к материалам, предназначенным для изготовления деталей машин и элементов конструкций ответственного назначения, специфические, часто несовместимые, требования. Одним из методов получения подобных материалов является сварка находящихся в контакте поверхностей с использованием энергии взрыва. В результате получается прочное соединение разнородных металлов, не соединяемых традиционными методами. Полученные таким образом материалы могут быть использованы как готовые изделия, либо в дальнейшем подвергаться дополнительной пластической деформации.

Работы в направлении изучения структуры и механических свойств металлических многослойных материалов, полученных сваркой взрывом, проводятся уже в течение нескольких десятилетий. В результате были решены вопросы, связанные с технологией их изготовления, показаны пути улучшения механических свойств готовых изделий, получено большое количество экспериментальных данных, объясняющих различные аспекты строения и управления свойствами данных материалов.

В то же время, несмотря на то, что слоистые металлические материалы обладают высокой прочностью, они весьма чувствительны к дефектам типа «расслоение» на сварной границе, появляющимся в процессе их изготовления и эксплуатации, что в определенной степени сдерживает их применение в промышленности.

Современные теоретические представления не позволяют адекватно прогнозировать разрушение расслоением многослойных металлических материалов при их обработке методами пластического формоизменения. В настоящее время известен ряд работ, в которых рассмотрены и обобщены основные положения, используемые при решении задач механики слоистых композиционных материалов (Г.П. Черепанов, А. Ванг, Н. Пэйгано, Т. Фудзии, Ф. Макклинток, В.В. Васильев, Ю.В. Соколкин, Б.Е. Победря и др.). Данные подходы позволяют осуществлять прогнозирование расслоения слоистых материалов при малых упруго - пластических деформациях, характерных для эксплуатационных нагрузок, но не могут быть применены к процессам с большими пластическими деформациями. Многочисленные модели механики поврежденности (В.Л. Колмогоров, А.А. Ильюшин, И.А. Кийко, А.А. Богатов, В.А. Огородников, М. Ояне, Д. Ламатре и др.) используются для описания процессов когезионного разрушения монолитного материала и составляющих слоистых материалов, но не позволяют оценивать разрушение расслоением при больших пластических деформациях. В связи с этим актуальным является разработка моделей, позволяющих прогнозировать разрушение многослойных металлических материалов путем расслоения в процессах пластического формоизменения.

Целью диссертационного исследования являлась разработка модели поврежденности и прогнозирования расслоения при пластической деформации слоистого металлического материала, полученного сваркой взрывом.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

Разработана феноменологическая модель поврежденности и прогнозирования разрушения расслоением слоистого металлического материала при пластической деформации, учитывающая влияние напряженного состояния на предельные деформации граничного слоя, вызывающие расслоение по механизму отрыва и сдвига.

Разработана методика определения диаграмм пластичности граничного слоя в слоистом металлическом материале, полученном сваркой взрывом.

Получены новые экспериментальные данные по пластичности граничного слоя в биметалле «08Х18Н10Т+сталь 10», изготовленном сваркой взрывом.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Предложен комплекс механических испытаний, который позволяет определять пластичность при отрыве и сдвиге граничного слоя слоистых металлических материалов при разных, в том числе комбинированных, схемах напряженного состояния. Результаты испытаний представлены в виде диаграмм пластичности, позволяющих адекватно прогнозировать деформацию, при которой в условиях сложного напряженно-деформированного состояния происходит расслоение слоистых металлических материалов, полученных сваркой взрывом.

Разработана модель поврежденности и разрушения расслоением многослойных материалов, которая может быть использована для разработки новых и оптимизации существующих технологических процессов пластической деформации слоистых металлических материалов с целью минимизации нарушения сплошности соединения.

Результаты исследований используются в курсе лекций по дисциплине «Моделирование и оптимизация свойств материалов и процессов», входящей в учебный план по направлению 150100 – Материаловедение и технологии новых материалов магистерской программы «Перспективные конструкционные материалы и высокоэффективные технологии» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.

Отдельные разделы диссертационной работы выполнялись в рамках работ по Программам Президиума РАН №22 «Фундаментальные проблемы механики взаимодействий в технических и природных системах», № 25 «Фундаментальные проблемы механики и смежных наук в изучении многомасштабных процессов в природе и технике», планам научно-исследовательских работ Института машиноведения УрО РАН, гранту РФФИ № 09-08-01091.

Достоверность результатов подтверждается использованием при моделировании экспериментов численных методов расчета, реализованных в универсальных программах конечно-элементного анализа ANSYS Academic Research v. 14.0 и LSDYNA 1 CPU w/LS-PrePost, апробированных при решении задач механики деформируемого твердого тела; современных приборов и методов измерения; значительным объемом экспериментальных данных; воспроизводимостью результатов экспериментов; сопоставлением результатов моделирования с экспериментами, а также с данными полученными другими авторами.

Положения, выносимые на защиту.

Результаты экспериментальных исследований и установленные закономерности расслоения слоистых металлических материалов, полученных сваркой взрывом, при пластической деформации в условиях модельных испытаний и при прокатке.

Модель поврежденности и прогнозирования расслоения слоистого металлического материала при пластической деформации и результаты ее экспериментальной проверки в модельных испытаниях и при прокатке.

Методика построения диаграмм пластичности при отрыве и сдвиге граничного слоя многослойного металлического материала.

Диаграмма пластичности для граничного слоя биметалла «08Х18Н10Т+сталь 10».

Результаты сравнения расчетных характеристик напряженнодеформированного состояния на свободной боковой поверхности при прокатке однослойных и многослойных полос с учетом и без учета наличия граничного слоя с измененными свойствами.

Личный вклад. В диссертации обобщены результаты исследований, полученные лично автором и в соавторстве. Основная роль в получении и обработке экспериментальных и теоретических данных, анализе и обобщении результатов принадлежит автору работы. Обсуждение и интерпретация полученных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях: V Российская научнотехническая конференция «Математическое моделирование и компьютерный анализ», Екатеринбург, 2008 г.; XXXVI, XXXVIII и XXXX Summer School – Conference «Advanced Problems in Mechanics», С.-Петербург, 2008, 2010 и 2012 гг.; IV Международная научно – техническая конференция «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», Тюмень, 2008 г.; IV и V Российская научно – техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2009 и 2011 гг.; Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии (СММТ’2009)», Санкт-Петербург, 2009 г.; «Russian-Germany Travelling Summer School – 2009», Hamburg, Berlin, Dresden, Erlangen, Regensburg, Munich, 2009; II и III International symposium «Bulk nanostructured materials: from fundamentals to innovations» BNM-2009, Уфа, 2009 и 2011 гг.; IV Международная научно – техническая конференция «Современные методы и технологии создания и обработки материалов», Минск, 2009 г.; XVI и XVII Зимняя школа по механике сплошных сред «Механика сплошных сред как основа современных технологий», Пермь, 2009 и 20гг.; V Международный форум «Актуальные проблемы современной науки. Естественные науки», Самара, 2010 г.; FERIENAKADEMIE, Sarntal - Italy, 2010; VI и VII Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», Екатеринбург, 2010 и 2012 гг.; X Всероссийский съезд «По фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики», Нижний Новгород, 2011 г.

Публикации: основное содержание работы отражено в 24 публикациях, в том числе в 6 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка цитируемой литературы, включающего 177 наименований, и приложения. Содержание диссертации изложено на 173 страницах, включая 80 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тематики исследований, сформулирована цель работы, перечислены полученные автором результаты, раскрыта их научная и практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

Первая глава посвящена обзору современного состояния рассматриваемой темы. Описаны технологические аспекты процесса сварки взрывом, особенности зоны, имеющей место на границе соединения разнородных металлов, проблемы, возникающие при дальнейшем изготовлении готовых изделий из металлических слоистых материалов. Рассмотрены основные модели и подходы к прогнозированию разрушения в механике деформируемого твердого тела. Показано, что на современном этапе развития количественных методов прогнозирования разрушения феноменологические теории разрушения наилучшим образом сочетают глубину описания закономерностей накопления поврежденности при больших пластических деформациях и относительную простоту определения эмпирических параметров в расчетных моделях. Анализ отечественных и зарубежных литературных данных позволил сформулировать задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию исследуемых материалов, используемого лабораторного оборудования и программных комплексов.

Перечень рассматриваемых материалов включал в себя: металлические полосы из сталей 10, 20, 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т; многослойные материалы, следующего состава «12Х18Н10Т+сталь 20+12Х18Н10Т», «08Х18Н10Т+сталь 10», где в качестве основного слоя применялись углеродистые стали 20 и 10, в качестве плакирующих – коррозионностойкие стали аустенитного класса 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т.

Приведены технические характеристики приборов и установок, использованных в экспериментах. В их числе прокатный стан «дуо-кварто 250»; универсальная серво - гидравлическая испытательная машина Instron-8801; система для измерения микротвердости FISCHERSCOPE HM2000 XYm; сканирующий электронный микроскоп Tescan VEGA II XMU. Экспериментальные исследования деформированного состояния образцов из многослойных металлических материалов при механических испытаниях проводили с использованием системы StrainMaster (бесконтактный оптический комплекс для анализа формы, полей перемещений и деформаций методом корреляции цифровых изображений).

В разделе, посвященном методике моделирования в программах конечноэлементного анализа ANSYS и LS-DYNA, приведены основные уравнения, модели материалов, конечные элементы и их опции.

Третья глава посвящена разработке модели поврежденности и прогнозирования расслоения слоистого металлического материала при пластической деформации.

Исследование видов разрушения на сварной границе слоистого металлического материала С целью экспериментального выявления видов расслоения на межслойной границе, имеющего место в процессе пластической деформации, проведены испытания на осадку по двум различным схемам расположения образцов (рисунок 1) с применением универсальной серво - гидравлической испытательной машины Instron-8801. Исследовали сварную границу трехслойного материала «12Х18Н10Т + сталь 20+12Х18Н10Т», полученного сваркой взрывом. При испытании по схеме I шов располагался перпендикулярно к бойку, по схеме II – параллельно бойку. В обоих случаях часть образца выходила за пределы контакта с рабочим инструментом. Наличие внеконтактной части образцов приводило к смещению металла в направлении, перпендикулярном движению бойка, и, как следствие, появлению значительных растягивающих напряжений.

При деформации по а б схеме I, разрушение по Рисунок 1 - Схемы испытаний на осадку I (а) и II (б): 1 – боек, границе сварного шва 2 – трехслойный образец (рисунок 2, а) носит ямочный характер, характерный для нормального отрыва, с отдельными ярко выраженными элементами сдвигового разрушения. При деформации по схеме II, слой из стали 20 деформируется интенсивнее и «выдавливается» из-под более прочных наружных слоев стали 12Х18Н10Т. Поверхность разрушения по механизму сдвига показана на участке А (рисунок 2, б). Увеличенное изображение участка В (рисунок 2, б) иллюстрирует ямочно-сдвиговой характер разрушения. Сдвиг возникает за счет различной величины тангенциального смещения листов металла относительно границы соединения, а отрыв – за счет деформации растяжения граничного слоя в условиях действия растягивающих напряжений во внеконтактной зоне образца.

По результатам проведенных испытаний сделан вывод, что расслоение при пластической деформации слоистых образцов, полученных сваркой взрывом, может происходить по механизму сдвига, отрыва, либо по комбинированному механизму («сдвиг + отрыв»).

а б Рисунок 2 – Вид образцов после испытаний по схемам I (а), II (б) и микрофотографии поверхностей разрушения Модель поврежденности и разрушения граничного слоя при пластической деформации На основании выводов главы 1 и результатов предварительных исследований сформулировали основные гипотезы и допущения, используемые при построении модели.

В качестве объекта исследования рассматривали граничный (промежуточный) слой, включающий границу соединения разнородных материалов и пограничные зоны (рисунок 3, а). Элемент граничного слоя имеет конечные размеры и усредненные механические свойства, отличные от свойств соединяемых материалов.

Предлагаемая модель относится к классу феноменологических континуальных моделей рассеянного разрушения, то есть считали, что материал граничного слоя сохраняет свою макроскопическую сплошность вплоть до возникновения трещины расслоения. Разрушение расслоением происходит по двум основным механизмам – отрыв и сдвиг. Расслоение происходит не внезапно, ему предшествует пластическая деформация граничного слоя. По аналогии с моделями, принятыми в механике когезионного разрушения, введено понятие поврежденности, характеризующей в данном случае степень использования ресурса пластичности граничного слоя при разрушении по механизму расслоения. В отличие от сред с изотропными пластическими свойствами, которые рассматриваются в скалярных теориях поврежденности, пластичность граничного слоя зависит от механизма деформации и существенно отличается при а б Рисунок 3 – Элемент граничного слоя: а – расположение элемента отрыве и сдвиге, поэтослоя в материале; б – локальная система координат, определяющая му представляли повреположение элемента граничного слоя относительно нормали к жденность в виде вектосрединной поверхности слоя ра {, } (рисунок 4, а), а в качестве меры поврежденности использовали длину вектора:

, (1) где, – поврежденность при отрыве (накопленная за счет деформации в направлении нормали к граничному слою) и сдвиге (накопленная за счет деформации сдвига в плоскости граничного слоя) соответственно. Приняли гипотезу, что расслоению соответствует достижение вектором {, } поверхности разрушения, представляющей собой дугу окружности радиусом (рисунок 4, а). Таким образом, в исходном недеформированном состоянии поврежденность расслоением граничного слоя, а в момент разрушения расслоением. (2) Выражение (2) является записью условия разрушения расслоением элемента граничного слоя.

Ввели локальную ортогональную систему координат 123 (рисунок 3, б), в которой ось 1 всегда совпадает с направлением нормали к площадке, выделенной на срединной поверхности слоя, а накопленные деформации за счет сдвига лежат в плоскости площадки 23 на срединной поверхности слоя. Полагали, что расслоение по механизму отрыва определяется деформацией, а по механизму сдвига – сдвиговыми деформациями в плоскости 12 и в плоскости 13 (здесь, и – компоненты тензора скорости деформации, – время).

Деформации, и сдвиговая деформация не вызывают относительа б ного смещения соРисунок 4 – Графическое представление модели разрушения единенных слоев, порасслоением при пластической деформации (а) и суммирование этому в процессе векторов поврежденности на отдельных этапах (б) разрушения расслоением не участвует.

Показатель напряженного состояния ( – интенсивность касательных напряжений, – среднее нормальное напряжение), традиционно используемый в феноменологических моделях когезионного разрушения, при определении зависимости пластичности от напряженного состояния не может быть использован при рассмотрении закономерностей расслоения многослойных материалов, так как он характеризует уровень нормальных напряжений в точке тела. Способность же к расслоению определяется величиной нормального напряжения, направленного вдоль нормали (рисунок 3, б) к граничному слою. Растягивающее способствует образованию новой поверхности при расслоении, а сжимающее – препятствует. Поэтому, в качестве характеристики напряженного состояния, от которой зависят пластичность граничного слоя при сдвиге и при отрыве, приняли показатель. (3) Приращение величины поврежденности по механизму отрыва для граничного слоя зависит от приращения степени деформации и предельной пластичности при отрыве:

. (4) Предельная пластичность при отрыве является функцией показателя и определяется экспериментально.

Расслоение по механизму сдвига определяется деформациями и. Приращение поврежденности за счет сдвига рассчитывали как, (5) где, (6). (7) Предельная пластичность граничного слоя при сдвиге является функцией показателя и определяется экспериментально. В формулах (6) и (7) использовали допущение о том, что величина одинакова для плоскостей 12 и 13. В общем случае это не обязательно, но тогда должен быть решен вопрос о правиле суммирования и. Графическую интерпретацию зависимости назвали диаграммой пластичности граничного слоя при сдвиге, а аналогичную зависимость – диаграммой пластичности при отрыве.

Ограничили рассматриваемые процессы монотонной деформацией граничного слоя, для описания которой использовали линейную модель накопления поврежденности, тогда суммарная поврежденность определялась суммированием векторов поврежденности на отдельных этапах (рисунок 4, б):

, (8) где количество этапов деформирования.

В интегральном виде поврежденность при отрыве и сдвиге можно определить следующим образом:

, (9). (10) Заметим, что в традиционном понимании поврежденность рассматривается применительно к процессу когезионного разрушения, при котором, в случае если, нарушение сплошности проявляется в виде трещины в материале. В рассматриваемой модели нарушение сплошности происходит по границе соединения материалов, то есть разрушение имеет адгезионный характер. Конечно, разрушение граничного слоя может происходить и по когезионному механизму (например, при разрушении вдоль линии соединения слоев), но при этом расслоение материала по границе соединения не происходит и описанная модель не может быть использована, поскольку нельзя суммировать поврежденность при когезионном и адгезионном разрушении вследствие различной физической природы этих процессов.

Размеры и механические свойства граничного слоя Особенности определения свойств и размеров граничного слоя сварного соединения рассматривали на примере слоистых материалов «08Х18Н10Т+сталь 10» и «12Х18Н10Т+сталь 20+12Х18Н10Т». Было показано, что в результате сварки взрывом в материалах «12Х18Н10Т+сталь 20+12Х18Н10Т», «08Х18Н10Т+сталь 10» образовалось неразъемное сварное соединение, граница которого имеет характерное «волнообразное» строение (рисунок 5).

Механические свойства определили в Рисунок 5 – Общий вид волнового опытах на растяжение составляющих слоипрофиля на границе раздела биметалла стого материала сталей 10, 20, 08Х18Н10Т и «08Х18Н10Т+сталь 10» 12Х18Н10Т и самих слоистых материалов «12Х18Н10Т + сталь 20 + 12Х18Н10Т», «08Х18Н10Т + сталь 10». Установили, что комплекс прочностных и пластических свойств многослойных материалов выше, чем у их отдельных составляющих.

Исследование распределения микротвердости выявило неравномерное упрочнение материалов на границе соединения. При сварке взрывом, вследствие пластической деформации, вблизи сварной границы образовалась зона максимального упрочнения шириной около 0,4 мм. Микротвердость HV 0,05 этой зоны для биметалла «08Х18Н10Т + сталь 10» на 30% выше, чем микротвердость стали 10 и на 35% выше, чем микротвердость стали 08Х18Н10Т. Для трехслойного материала «12Х18Н10Т+сталь 20+12Х18Н10Т» микротвердость HV 0,05 промежуточного слоя на 40% выше, чем микротвердость стали 20 и на 10% выше, чем микротвердость стали 12Х18Н10Т. Таким образом, принимая во внимание результаты по упрочнению вблизи сварных границ в материалах «12Х18Н10Т+сталь 20+12Х18Н10Т» и «08Х18Н10Т + сталь 10» приняли, что граs,МПа ничный слой имеет толщину 0,4 мм.

С помощью методики восстановления 8кривой деформационного упрочнения по результатам вдавливания алмазных инденто6ров, разработанной в ИМАШ УрО РАН, была получена кривая сопротивления дефор400 мации для граничного слоя в биметалле 0 0,1 0,2 0, «08Х18Н10Т + сталь 10»:

Рисунок 6 – Кривая сопротивления дефор- (11) мации граничного слоя в биметалле где – сопротивление деформации, МПа, «08Х18Н10Т + сталь 10», полученном – степень пластической деформации.

сваркой взрывом Графическое представление кривой сопротивления деформации (11) для граничного слоя приведено на рисунке 6.

Экспериментальная методика определения диаграмм пластичности граничного слоя при отрыве и сдвиге Для построения диаграмм пластичности необходимо не только провести испытания, но и определить в месте разрушения требуемые характеристики напряженно-деформированного состояния. Поэтому методика определения зависимостей пластичности граничного слоя при сдвиге и отрыве от показателя, включала следующие этапы проведения экспериментов и обработки их результатов:

испытания на сдвиг и на отрыв с использованием универсальной испытательной машины Instron -8801 и оптической системы StrainMaster;

определение истории развития напряженно – деформированного состояния по результатам моделирования процессов испытаний в программе ANSYS;

оценка адекватности моделирования путем сравнения полей деформаций, рассчитанных с использованием программы ANSYS, с результатами обработки видеозаписи испытаний, осуществленной оптической системой Strain Master;

построение диаграмм пластичности в виде аппроксимирующих зависимостей и по истории развития напряженно - деформированного состояния до момента возникновения расслоения с использованием метода идентификации.

Для нахождения зависимости использовали схемы испытания, приведенные на рисунке 7. При испытаниях по схеме на рисунке 7, а образец устанавливали между двумя направляющими, так чтобы одна из направляющих была выше образца во избежание его изгиба. Направляющие жестко фиксировались между собой, что исключало возможность их расхождения во время эксперимента.

Всю конструкцию в сборе устанавливали на нижнюю плиту испытательной машины и нагружали образец а б через верхний боек. ДеРисунок 7 – Схемы испытаний на сдвиг (Р - прикладываемая нагрузка): а – при осадке (1 – верхний боек, 2 – направляющие, формацию продолжали до 3 – нижний боек); б – при растяжении (1 – верхний захват, 2 – момента разрушения по нижний захват) сварному шву.

При схеме испытания, показанной на рисунке 7, б, образец устанавливали в захваты (нижний захват 2 неподвижный, верхний захват 1 приводился в движение). Деформацию продолжали вплоть до момента разрушения по свара б ной границе.

Рисунок 8 – Схемы испытаний на отрыв (Р - прикладываемая Для исследования нагрузка): а – поперечная осадка; б - по ТУ 27.32.09.010-20(1 – оснастка, 2 – пуансон) пластичности граничного слоя в условиях действия нормальных растягивающих напряжений и нахождения зависимости использовали два вида испытаний: на поперечную осадку и на отрыв по ТУ 27.32.09.010-2005 (рисунок 8). Для испытаний на поперечную осадку из биметалла «08Х18Н10Т + сталь 10» были изготовлены цилиндрические образцы с граничным слоем, расположенным по меридиальной плоскости симметрии. Образцы помещали между плоскими параллельными бойками так, чтобы граничный слой был параллелен действию нагрузки (рисунок 8, а), а затем подвергали сжатию до разрушения.

В ходе проведения испытаний по схеме, показанной на рисунке 8, б, образец укладывали выступающими краями на бортики оснастки 1, затем к верхней выемке в образце подводили пуансон 2 и прикладывали нагрузку Р до разрушения.

Конечно-элементные модели, соответствующие испытаниям на сдвиг и отрыв, приведены на рисунке 9. Размеры моделируемых образцов соответствовали размерам реальных образцов, промежуточный слой задавали шириной 0,4 мм.

в а б г Рисунок 9 – Конечно – элементные модели испытаний: а - на срез, б - на сдвиг при растяжении, в - на поперечную осадку, г - на отрыв по ТУ 27.32.09.010-2005 (Ux и Uy – перемещение вдоль осей x и y соответственно) Постановка двумерных задач была выполнена с применением двумерного конечного восьмиузлового элемента Plane 183. Конечно - элементную сетку разбивали неоднородно, со сгущениями в местах, где при решении задачи, возможно большое искажение формы элементов. Контакт инструмента и оснастки с образцом моделировали с помощью контактных пар «абсолютно жесткое тело – деформируемое тело». Граничные условия задавали в перемещениях (рисунок 9), закрепляя от перемещения по всем направлениям неподвижную оснастку, а движение рабочего инструмента подчиняя равномерному закону нагружения.

Составляющим биметалла присваивали свойства сталей 10 и 08Х18Н10Т, для которых кривые сопротивления деформации получали по результатам экспериментов на растяжение. Упругие свойства задавали в соответствии со справочными данными: для стали 08Х18Н10Т принимали значения нормального модуля упругости Е = 210 ГПа и коэффициента Пуассона = 0,3, для стали 10 – Е = 200 ГПа, = 0,28.

Для граничного слоя свойства задавали в соответствии с кривой упрочнения (11).

Зависимости степени деформации от нормированного времени испытаний (, где и текущее время испытания и время, соответствующее возникновению расслоения), полученные в экспериментах и по результатам моделирования испытаний, приведены на рисунке 10.

Моделирование в ANSYS Моделирование в ANSYS Среднее значение Среднее значение для экспериментальных данных для экспериментальных данных 0,02 0,0,01 0,0 0,2 0,4 0,6 0,0 0,2 0,4 0,6 0,t t б а Моделирование в ANSYS Моделирование в ANSYS Среднее значение Среднее значение для экспериментальных данных для экспериментальных данных 0,0,0,0,0,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 0,2 0,4 0,6 0,t t в г Рисунок 10 - Зависимость степени деформации от нормированного времени испытаний, полученная в экспериментах и по результатам моделирования испытаний: а - на срез; б - на сдвиг при растяжении; в - на поперечную осадку; г - на отрыв по ТУ 27.32.09.010-20Сравнение результатов определения деформированного состояния с помощью оптической системы StrainMaster и конечно - элементного моделирования показало, что расхождение в величине не превышает 3% для испытаний на срез и 10% для испытаний на сдвиг при растяжении; расхождение в величине не превышает 10% для испытаний на поперечную осадку и 15% для испытаний на отрыв по ТУ 27.32.09.010-2005. Это свидетельствует о достаточной адекватности моделирования.

Показатель в процессах испытаний не остается постоянным, поэтому функциональные зависимости пластичности граничного слоя на отрыв и на сдвиг находили, используя процедуру идентификации условия разрушения (2). При выборе подходящих функций для описания исходили из того, что разрушение по механизму отрыва не может происходить, если нормальные напряжения на поверхности соединения листового материала являются сжимающими.

В то же время при увеличении растягивающих нормальных напряжений пластичность при отрыве должна уменьшаться. Среди простейших функций наилучшим образом удовлетворять этому условию будет гиперболическая аппроксимация в виде, (12) где, - эмпирические коэффициенты.

Предполагая из общих соображений, что сжимающее нормальное напряжение способствует увеличению предельной деформации при сдвиге, а растягивающее нормальное напряжение – снижению, для описания функции была выбрана экспоненциальная зависимость, традиционно использующаяся для аппроксимации диаграмм пластичности при когезионном разрушении:

, (13) где, - эмпирические коэффициенты.

Таким образом, при известной истории нагружения образцов до момента расслоения по граничному слою условие разрушения (2) справедливо с точностью до неизвестных эмпирических коэффициентов,, и. Задачу идентификации решали с использованием программы нелинейной оптимизации Generalized Reduced Gradient (GRG2), реализованной в опции «Поиск решения» программы Microsoft Office Excel 2010. Искомыми считали пары значений коэффициентов в формулах (12) и (13), сообщающих минимум функции ошибки :

, (14) где N – количество испытанных образцов.

Полученные значения эмпиричеТаблица 1 – Коэффициенты аппроксимации ских коэффициентов,, и, а диаграмм пластичности на отрыв (12) и сдвиг так же значения функции ошибки и (13) для граничного слоя в биметалле для испытаний на разрушение по ме- «08Х18Н10Т+сталь 10», значения функции ошибки и ханизму отрыва и сдвига соответственно приведены в таблице 1. Диаграммы пластичности граничного слоя при от- 0,0024 0,034 0,084 0,0205 0,031 0,0рыве и сдвиге представлены на рисунке 11, а и б.

s n 0,020,0,020,0,020 0,2 0,4 0,6 0,-1,0 -0,5 0 0,kn kn а б Рисунок 11 - Диаграммы пластичности на отрыв (а) и на сдвиг (б) граничного слоя в биметалле «08Х18Н10Т+сталь 10», полученном сваркой взрывом Проверка адекватности модели Для проверки адекватности модели разрушения расслоением были проведены испытания для сложного случая напряженно-деформированного состояния при модернизированной схеме поперечной осадки образцов, изготовленных из биметалла «08Х18Н10Т + сталь 10». При испытаниях плоскость соединения слоев была ориентирована не параллельно направлению нагружения, а под углами наклона = 5, 10 и 200 (рисунок 12). В этих случаях граничный слой находится под действием не только нормальных, но и сдвиговых напряжений. Испытания проводили до момента разрушения сварной границы, определяемого по результатам видеосъемки. В данных экспериментах разрушение происходило в центре только для образцов с плоскостью соединения слоев, расположенной под углом 50 к направлению нагружения, а для остальных образцов – ближе к контактной поверхности с бойком (рисунок 12).

а б в Рисунок 12 - Испытания на поперечную осадку при углах наклона сварного шва к направлению нагружения = 50 (а), 100 (б) и 200 (в) (на фотографиях образцов черной рамкой выделены участки, где наблюдалось разрушение при испытаниях и были расcчитаны характеристики напряженнодеформированного состояния граничного слоя) История развития напряженно- деформированного состояния до момента возникновения расслоения определялась по результатам моделирования процесса испытания в программе ANSYS. Для оценки адекватности моделирования расчетные поля перемещений и деформаций сравнивали с результатами обработки видеозаписи испытаний, осуществленной с использованием оптической системой Strain Master. Характер изменения степени деформации и в зависимости от нормированного времени испытаний при осадке образцов с разными углами наклона границы соединения слоев по отношению к вертикальной оси представлен графически на рисунке 13. Расхождение значений расчетных и опытных величин и не превышает 10%, что свидетельствует о достаточной адекватности моделирования.

Порядок нахождения поврежденности, соответствующей началу расслоения граничного слоя заключался в следующем. По формулам (12) и (13) находили пластичность и для каждого этапа нагружения, используя коэффициенты из таблицы 1. Затем по формулам (4) и (6) рассчитывали поврежденность и на каждом шаге и суммировали полученные значения. В итоге получили расчетные значения поврежденности при трех значениях угла наклона промежуточного слоя по отношению к вертикали: 1,09, 1,11, 1,005. Среднее отклонения расчетных значений от критерия разрушения (2), т.е. от, со - - - 0,04 - - - 0,0,0,0,0,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 0,2 0,4 0,6 0,t t а б Рисунок 13 – Изменение степени деформации (а) и (б) в зависимости от нормированного времени испытаний при поперечной осадке образцов с разными углами наклона, полученное в экспериментах (пунктирные линии) и при моделировании (сплошные линии) ставило примерно 7%, что является вполне приемлемым для практических инженерных расчетов.

Четвертая глава посвящена применению разработанной модели для исследования расслоения многослойных материалов в технологическом процессе пластической деформации. В качестве такого процесса выбрали прокатку полосы из слоистого материала на гладких валках. В данном случае частью сварной границы наиболее подверженной разрушению является боковая кромка полосы.

Для испытания были использованы образцы из биметаллического соединения «08Х18Н10Т + сталь 10». Прокатку осуществляли на прокатном стане дуо-кварто ИМАШ УрО РАН в валках диаметром 250 мм с частным обжатием 10% вплоть до момента разрушения образцов. После каждого прохода поперечные шлифы и свободную боковую поверхность полос исследовали на электронном сканирующем микроскопе, что дало возможность получить полную картину развития поврежденности межслойного соединения при пластической деформации прокаткой (рисунок 14). На приведенных фотографиях показано, что изначально плоская боковая поверхность полосы по мере увеличения количества проходов искривлялась за счет большей величины уширения слоя из стали 10. При этом, несмотря на увеличение кривизны поверхности в месте соединения слоев, нарушения сплошности не наблюдалось вплоть до 5-го прохода (рисунок 14, в), когда происходил видимый сдвиг слоя стали 10 и его кромка начинала загибаться на боковую поверхность слоя стали 08Х18Н10Т. На снимке, сделанном после 6-го прохода (рисунок 14, г), показано разделение разрушенной сдвигом границы.

Моделирование процесса прокатки осуществляли в программе LS-DYNA.

Адекватность моделирования проверили при решении задач с использованием экспериментальных данных Тарновского И.Я., Леванова А.Н. и др. по исследованию контактных напряжений при холодной прокатке алюминиевых образцов начальной высотой =36; 12; 6 и 1,5 мм, шириной В0 = 36 мм на лабораторном стане в валках диаметром 196 мм на установившейся стадии процесса. Решение этих задач позволило выявить влияние на результаты количества элементов, величины свободных а б в г Рисунок 14 – Общий вид боковой поверхности и поперечного сечения образцов после прокатки после прохода: а – №1; б –№3; в – №5; г– №участков полосы на входе и выходе из валков, а так же подобрать их оптимальные величины.

Для исследования напряженно-деформированного состояния на середине свободной боковой кромки полосы было проведено дополнительное моделирование процесса прокатки стали 20 в составе однослойной и трехслойной полос, со следующим сочетанием слоев «12Х18Н10Т+сталь 20+12Х18Н10Т», «М1+сталь 20+М1». Выбор материалов трехслойных полос обусловлен разными значениями предела текучести и склонностями к деформационному упрочнению стали 12Х18Н10Т и меди М1. Исходная общая толщина полос была одинаковой и составляла H0 = 9 мм, ширина – В0 = 30 мм, для слоистых материалов толщина внутреннего слоя из стали 20 составляла 5 мм, а для наружных плакирующих слоев стали 12Х18Н10Т и меди М1 – по 2 мм. Степень относительного обжатия при прокатке равнялась 10%. При моделировании варьировали форму очага деформации за счет использования валков разных диаметров Dв = 250; 130; 50 мм. Решение задач по прокатке позволило определить накопленную степень деформации сдвига и распределение показателей напряженно – деформированного состояния. Анализ результатов расчетов показал, что принципиальных отличий в изменении параметров напряженно-деформированного состояния, контролирующих накопление поврежденности и когезионное разрушение материала при прокатке однослойных и многослойных полос, не наблюдается. Таким образом можно сделать вывод, что при решении технологических задач механики по прогнозированию когезионного разрушения напряженно-деформированное состояние металла на свободной боковой поверхности при прокатке однослойной полосы достаточно близко к наряженодеформированному состоянию свободной боковой поверхности слоя из того же металла при прокатке многослойной полосы.

Далее осуществили моделирование прокатки двухслойной полосы «08Х18Н10Т + сталь 10» с промежуточным граничным слоем толщиной 0,4 мм. Моделирование процесса прокатки для целей прогнозирования расслоения многослойного материала следует вести с явным выделением граничного слоя в Рисунок 15 –Конечно – элементная модель модели и учетом его механических свойств.

при прокатки двухслойной полосы Конечно-элементная модель, соответствующая прокатке двухслойной полосы с граничным слоем, приведена на рисунке 15.

Характеристики напряженно-деформированного состояния, необходимые для расчета поврежденности расслоением определяли вдоль линии, соответствующей положению середины граничного слоя биметалла. Поврежденностью граничного слоя за счет отрыва на боковой поверхности полосы при прокатке пренебрегали, т.е.

, так как напряжения, действующие по нормали к граничному слою, являются сжимающими. Поэтому разрушение расслоением происходило только за счет сдвига, а формула (1) для расчета поврежденности граничного слоя по мере прохождения элементом граничного слоя очага деформации имела вид, (15) где l – количество участков разбиения траектории движения элемента граничного слоя через очаг деформации; и – приращение поврежденности под действием сдвиговых деформаций и :

(16) В формуле (16) пластичность граничного слоя на сдвиг находится по формуле (13) при значениях эмпирических коэффициентов из таблицы 1.

Из расчетных данных следует, что за один проход суммарная поврежденность расслоением, накапливаемая граничным слоем на боковой поверхности прокатываемого образца, равна = 0,16. Величина суммарной поврежденности при многопроходной прокатке с частными обжатиями равными 10 % приведена в таблице 2.

Прогноз разрушения, осущеТаблица 2 – Накопление поврежденности граничного ствленный на основании расчетов слоя по проходам при прокатке двухслойной полосы по предложенной модели (таблица «08Х18Н10Т+сталь 10» с частным обжатием 10% 2), показал, что разрушение гра№ прохода 1 2 3 4 5 6 ничного слоя по механизму рас 0,16 0,32 0,48 0,64 0,8 0,96 1,слоения наступает в проходах № 67. Эти результаты соответствуют экспериментальным данным, согласно которым расслоение сварной границы на свободной боковой поверхности при прокатке полосы наблюдается в проходе № 6.

Таким образом, результаты экспериментов показали возможность использования разработанной модели для прогнозирования расслоения при прокатке листовых металлических многослойных материалов, изготовленных сваркой взрывом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 1. По результатам предварительных исследований установлено, что при пластической деформации расслоение металлических слоистых материалов, изготовленных сваркой взрывом, в зависимости от условий деформирования, происходит по механизму сдвига, отрыва или смешанному «отрыв + сдвиг».

2. В рамках феноменологического подхода к разрушению разработана модель поврежденности и прогнозирования расслоения сваренного взрывом слоистого металлического материала при пластической деформации в условиях сложного напряженно-деформированного состояния.

3. В качестве объекта исследования при моделировании разрушения расслоением предложено использовать элемент граничного слоя конечной толщины с усредненными свойствами, включающего границу соединения и отличающуюся по механическим свойствам от свойств составляющих многослойного соединения. Для слоистых материалов «08Х18Н10Т+сталь 10» и «12Х18Н10Т+сталь 20+12Х18Н10Т» определены толщина граничного слоя и кривая сопротивления деформации.

4. Предложена и апробирована экспериментальная методика, позволяющая определять пластичность при отрыве и сдвиге от показателя напряженного состояния для граничного слоя слоистых металлических материалов при разных, в том числе комбинированных, схемах напряженного состояния. С использованием этой методики построены диаграммы пластичности при отрыве и сдвиге для граничного слоя биметалла «08Х18Н10Т+сталь 10».

5. Сопоставление результатов расчетов по разработанной модели поврежденности и разрушения слоистых металлических материалов по механизму расслоения с экспериментальными данными, полученными при поперечной осадке образцов биметалла «08Х18Н10Т+сталь 10», показало, что разработанная модель может быть использована для прогнозирования расслоения многослойных материалов, полученных сваркой взрывом, при пластической деформации в условиях сложного напряженно-деформированного состояния.

6. Осуществлено конечно-элементное моделирование прокатки однослойной, двухслойной и трехслойной полос. Адекватность моделирования проверена по результатам сравнения экспериментальных и расчетных данных по распределению нормальных напряжений на контактной поверхности металла с валками.

7. Проанализировано полученное при моделировании распределение показателей напряженно-деформированного состояния и накопленной степени деформации сдвига на середине свободной боковой кромки при прокатке однослойной полосы из стали 20 и среднего слоя из стали 20 в материалах «12Х18Н10Т+сталь 20+12Х18Н10Т» и «медь М1+сталь 20+медь М1». В результате было показано, что их отличие является несущественным, поэтому для целей прогнозирования когезионного разрушения при прокатке слоистых металлических материалов достаточно ограничиваться расчетом параметров напряженно-деформированного состояния для случая прокатки однородной однослойной полосы тех же размеров.

8. Установлено, что для целей прогнозирования расслоения многослойных материалов, полученных сваркой взрывом, при прокатке следует явным образом вводить в конечно – элементную модель граничный соединительный слой с его экспериментально определенными механическими свойствами. В противном случае это приведет к значительным погрешностям при расчете характеристик напряженнодеформированного состояния.

9. Проведено экспериментальное исследование разрушения боковой поверхности биметалла «08Х18Н10Т+ сталь 10» при прокатке. Установлено, что расслоение происходит по механизму сдвига. С увеличением числа проходов сдвиг слоев полосы при уширении продолжается и в определенный момент происходит разрушение свободной боковой кромки слоя из стали 10 по механизму когезионного разрушения. Объединение трещин расслоения и трещин на боковой поверхности приводит к возникновению трещины, распространяющейся вглубь полосы и возникновению поперечного разрыва.

10. Сопоставление результатов расчетов по разработанной модели поврежденности и разрушения слоистых металлических материалов по механизму расслоения с экспериментальными данными, полученными при прокатке биметалла «08Х18Н10Т+сталь 10», показало, что разработанная модель может быть использована для практических расчетов с целью прогнозирования расслоения при прокатке слоистых металлических материалов, полученных сваркой взрывом.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в научных изданиях, входящих в список ВАК РФ:

1. Гладковский С.В., Трунина Т.А., Коковихин Е.А., Вичужанин Д.И., Голубкова (Веретенникова) И.А. Структура и свойства композита из сталей 12Х18Н10Т+сталь 20, полученного сваркой взрывом// Металловедение и термическая обработка металлов. – 2009. - №9 (651). - С. 34-39.

2. Гладковский С.В., Трунина Т.А., Коковихин Е.А., Вичужанин Д.И., Голубкова (Веретенникова) И.А. Формирование структуры и свойств слоистых соединений металлов// Заготовительные производства в машиностроении. – 2010. - №4. - С. - 4145.

3. Смирнов С.В., Голубкова (Веретенникова) И.А. Моделирование процесса холодной прокатки тонких полос методом конечных элементов// Заготовительные производства в машиностроении. – 2010. - №5. - С. - 27-30.

4. Голубкова (Веретенникова) И.А. Моделирование процесса холодной прокатки однослойных и трехслойных полос методом конечных элементов// Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. – 2011. - № 4. - С. 1442-1444.

5. Коновалов Д.А., Голубкова (Веретенникова) И.А., Смирнов С.В. Определение прочностных свойств отдельных слоев деформированных слоистых композитов методом кинетического индентирования// Дефектоскопия. – 2011. - № 12. - С. 91-98.

6. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Туева Е.А., Поволоцкая А.М., Горулева Л.С., Веретенникова И.А., Каманцев И.С. Диагностика состояния композиционного материала «сталь 08Х18Н10Т – сталь 10» и его компонент, подвергнутых пластической деформации, методами магнитной структуроскопии// Дефектоскопия. – 2012. - № 6.

- С. 30-43.

Основные публикации в научных изданиях, не входящих в список ВАК РФ:

1. Гладковский С.В., Трунина Т.А., Коковихин Е.А., Вичужанин Д.И., Голубкова (Веретенникова) И.А. Получение композита из метастабильной стали 12Х18Н10Т и Ст0 сваркой взрывом с последующей прокаткой// Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении: Сборник докладов 4-ой Международной научно – технической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ. - 2008.

– С. 35-39.

2. Смирнов С.В., Голубкова (Веретенникова) И.А. Исследование процесса получения слоистых металлических композитов, полученных сваркой взрывом и последующей прокаткой// Современные металлические материалы и технологии (СММТ’2009): Сборник трудов Международной научно-технической конференции.

- Санкт-Петербург: Изд. Политехнического университета. – 2009. - С. 357-358.

3. Golubkova (Veretennikova) I. Investigation of the metal roll – bonding process// Abstract book Russian-Germany Travelling Summer School – 2009: Hamburg, Berlin, Dresden, Erlangen, Regensburg, Munich. - 2009. – P. 18-20.

4. Gladkovsky S.V., Smirnov S.V., Kokovihin E.A., Golubkova (Veretennikova) I.A., Trunina T.A. Investigation of accumulative roll – bonding process of similar and composite metallic materials and alloys//Сборник трудов 2-го Международного симпозиума по объемным наноструктурным материалам BNM-2009. – Уфа: УГАТУ. - 2009. – С.

219-220.

5. Смирнов С.В., Гладковский С.В., Голубкова (Веретенникова) И.А., Коковихин Е.А., Вичужанин Д.И. Исследование процесса «сварка взрывом + пакетная прокатка» для производства композитных материалов// Сборник докладов IV Международной научно – технической конференции Современные методы и технологии создания и обработки материалов. – Минск: ФТИ НАН Беларуси. - 2009. – С. 17-22.

6. Голубкова (Веретенникова) И.А., Смирнов С.В. Применение метода конечных элементов при моделировании процесса холодной прокатки// Труды 5-го Международного форума (10-й Международной конференции молодых ученых и студентов) Актуальные проблемы современной науки, Естественные науки. - Самара: СамГТУ.

- 2010. - С. 49-52.

7. Smirnov S.V., Golubkova I.A. Investigation of failure of multilayered composite materials received by explosion welding and rolling// Book of abstracts of XXXVIII Summer School – Conference Advanced Problems in Mechanics. - Saint-Petersburg:

IPME RAS. - 2010. - P. 91.

Формат 6084/Бумага писчая. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 1,39. Уч. – изд. л. 1,49.

Тираж 100 экз. Заказ №Отдел дизайна и полиграфии Издательского дома «Уральская государственная юридическая академия» 620137, г. Екатеринбург, ул. Комсомольская,







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.