Способ определения пластической и упругой составляющих петли гистерезиса конструкционного материала

 

Способ заключается в том, что с первого образца-эталона из однородного материала без внутренних напряжений снимают в упругой области нулевую деформационную характеристику, изготовляют два образца из того же однородного материала, снимают с одного из них первую деформационную характеристику, затем стабилизируют состояние этих двух образцов отжигом до полного удаления пластических внутренних напряжений, снимают с того же образца вторую деформационную характеристику и определяют величину и знак внутренних напряжений по обоим образцам, а для построения петли гистерезиса совмещают первую и вторую деформационные характеристики второго образца с нулевой характеристикой первого образца-эталона в одной системе координат, по величине и знаку внутренних напряжений, а также по углу наклона к оси абсцисс, определяют общую ширину пластической и упругой составляющих петли гистерезиса при снятой нагрузке для второго образца графически или из выражения. Изобретение позволяет ограничить случайные погрешности измерений. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к испытаниям конструкционных материалов и может быть использовано при определении достоверных свойств металлов в упругой области деформации.

Известен способ определения гистерезисной и релаксационной составляющих петли гистерезиса, характеризующей внутреннее трение [1]. Релаксационное внутреннее трение возникает при пластических деформациях тела, изменяется во времени и зависит от температуры. Гистерезисное внутреннее трение не связано с временными процессами. Гистерезисные потери энергии вызваны дефектами структуры.

Связь между напряжением и деформацией при нагружении и разгрузке тела установить с удовлетворительной точностью довольно трудно из-за плавного перехода его от упругой к пластической деформации, а также из-за образования при деформации растяжения сжимающих, а при сжатии растягивающих внутренних напряжений. Это свидетельствует о том, что две ветви петли гистерезиса определяют различные состояния контролируемого материала, которые также изменяются в процессе испытаний и во времени.

Известен способ определения ширины петли гистерезиса с выделением пластической деформации за цикл для определения внутренних напряжений [2]. Однако он обладает ограниченной точностью, так как не учитывает исходное состояние материала и изменение его свойств в процессе испытания.

Известен также способ определения петли гистерезиса [3], который заключается в многократном экспериментальном измерении петли гистерезиса в течение нескольких десятков лет и на этой основе делается попытка установить связь напряжение - деформация, т.е. уточнить закон Гука. Обнаружена линейная система, т. е. материал, обладающий совершенной упругостью, и пластическая, т. е. материал, содержащий пластические внутренние напряжения в упругой области деформаций. Общим недостатком способа является нелинейность системы в упругой области деформаций материала и соответственно использование дифференциальных уравнений со всеми вытекающими последствиями - неприменимость принципа суперпозиции и гипотез теории упругости.

Известен способ измерения ширины петли гистерезиса [4], принятый в качестве прототипа. Сущность его заключается в том, что использованы упругие внутренние напряжения разного знака для упрочнения материала.

Выше были сделаны ссылки на источники информации, характеризующие уровень техники в рассматриваемой области.

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1983, с. 37 - 45.

2. Авт. свидетельство СССР N 664262, G 01 N 3/32 3. Кочнева Л.Ф. Внутреннее трение в твердых телах при колебаниях. - М.: Наука, 1972, с. 5 - 6, 30 - 36, 71 - 72, 90 - 92.

4. Патент РФ N 2065500, C 21 D 1/55, 8/0.

Сущностью изобретения является ограничение случайных погрешностей деформационной характеристики конструкционного материала и определение упругой и пластической составляющих ее в упругой области. Поставленная задача достигается тем, что изготавливают образец-эталон из однородного материала без внутренних напряжений и снимают с него в упругой области нулевую деформационную характеристику; изготовляют два образца из того же однородного исходного материала, снимают с одного первую деформационную характеристику, стабилизируют состояние этих двух образцов отжигом до полного удаления пластических внутренних напряжений, снимают с того же образца вторую деформационную характеристику и определяют величину и знак внутренних напряжений по обоим образцам по пределу текучести при растяжении и сжатии, а для построения петли гистерезиса совмещают первую и вторую деформационные характеристики с нулевой деформационной характеристикой образца - эталона в одной системе координат, по величине и знаку внутренних напряжений, а также по углу наклона деформационных характеристик к оси абсцисс определяют общую ширину пластической и упругой составляющих петли гистерезиса при снятой нагрузке графически или из выражения определяют ширину упругой составляющей петли гистерезиса для стабильного состояния конструкционного материала после снятия пластических внутренних напряжений из выражения по полученным величинам определяют ширину пластической составляющей петли гистерезиса из выражения ε_пл=ε₁-ε₂, где σ₁- - величина пластических и упругих внутренних напряжений в исходном материале; σ₂- - величина упругих внутренних напряжений в материале после отжига;
E₁ - модуль упругости исходного материала;
E₂ - модуль упругости материала без пластических внутренних напряжений;
- общая ширина петли гистерезиса;
- ширина петли упругого гистерезиса;
ε_пл- - ширина петли пластического гистерезиса.

На фиг. 1 изображена деформационная характеристика эталонного материала в упругой области деформаций, т.е. однородного по упругости, стабильного во времени, без внутренних напряжений, с переходом от упругих к пластическим деформациям в одной точке.

На фиг. 2 - деформационная характеристика реального однородного материала с плавным переходом от упругих к пластическим деформациям (ДХ1).

На фиг. 3 - деформационная характеристика реального однородного материала после стабилизации его состояния, с переходом от упругих к пластическим деформациям в одной точке (ДХ2).

На фиг. 4 представлены первая и вторая деформационные характеристики, совмещенные с деформационной характеристикой эталонного материала в одной системе координат.

На фиг. 5 - деформационные характеристики материала с совершенной упругостью и содержащего: а - внутренние напряжения сжатия, б - внутренние напряжения растяжения.

Все деформационные характеристики снимают в упругой области деформаций, а гистерезис измеряют при отсутствии внешней нагрузки, при нормальных условиях.

Традиционные способы производства однородного по составу конструкционного материала и обработки деталей могут внести неоднородность по упругим свойствам, чем и обусловлен плавный переход от упругой к пластической составляющей деформации. Для обеспечения этого перехода в одной точке, т.е. всех локальных микрообъемов одновременно, используется однородный материал по упругим свойствам.

Обработка резанием сопровождается силовым и тепловым воздействием на материал, образованием дефектов структуры, внутренних напряжений разного знака и неоднородности по упругости. Чтобы исключить или ограничить образование измененного поверхностного слоя, подбирают параметры режима чистовой обработки материала, при котором практически не происходит приращения частоты его продольных собственных колебаний из-за взаимной компенсации силового и теплового воздействий. Так для стали 40Х13 параметры режима: V = 46 м/мин, t = 0,125 мм/ст, S = 0,09 мм/об. Резец из сплава T15K6 без охлаждения. При этом не образуется измененный поверхностный слой и соответственно неоднородность по упругим свойствам.

Для проверки однородности материала по объему снимают последовательно слои в режиме, исключающем образование дефектов структуры, при этом измеряют частоту продольных собственных колебаний образца. Линейность полученной зависимости характеризует однородность материала по упругости.

Стабилизация физических свойств конструкционного материала осуществляется известными способами, например по авт. свид. СССР N 230848, т.е. по прекращению приращения частоты собственных продольных колебаний при изменении температуры и определенном времени выдержки (2 ч).

Величина и знак внутренних напряжений определяются из уравнения
σ_вн=-(σ_тр+σ_тс),
а величина и знак упругих внутренних напряжений определяются из уравнения

где
σ_вн,σ_вну- - суммарные пластические и упругие внутренние напряжения;
σ_тр, σ_тс, σ_тру, σ_тсу- пределы текучести при растяжении и сжатии соответственно исходного и упругого материала.

Определение упругой и пластической составляющих гистерезиса позволяет более эффективно использовать конструкционные материалы. Пластические внутренние напряжения и их гистерезис непрерывно изменяются во времени, они вызывают рассеивание размеров и параметров деталей, т.е. возникают случайные погрешности; поэтому пластические напряжения необходимо удалять. Упругие внутренние напряжения как сжимающие, так и растягивающие можно использовать для повышения несущей способности конструкционного материала.

Пример. Использован прокат φ 10 мм Ст40Х13. Подобран образец, в котором отсутствуют внутренние напряжения; для этого удален измененный поверхностный слой толщиной h = 0,35 мм на сторону путем проточки в чистовом режиме V = 46 м/мин, t = 0,125 мм/ст, S = 0,09 мм/об без охлаждения. Для полного удаления пластических внутренних напряжений стабилизировано состояние материала отжигом T = 560^oC, t = 110 мин при контроле скорости охлаждения до 400^oC /V_охл≅120^oC/ч/. Проверена однородность материала по упругости.

Изготовлены образцы-эталоны, один N17 ГОСТ 1497-79 для снятия деформационной характеристики эталонного материала и определения предела текучести при деформации сжатия, другой для определения предела текучести при деформации растяжения. Определены внутренние напряжения, которые составили σ_вну= = -0,3 кгс/мм², что можно принять их практически равными нулю.

В качестве контролируемого материала использован реальный образец без подбора материала, но в котором также удален измененный поверхностный слой. Изготовлен образец N17 ГОСТ 1497-79 и образец для определения предела текучести при деформации сжатия.

Измерены предел текучести при растяжении и модуль упругости образца-эталона, предел текучести при растяжении и сжатии, модуль упругости до и после стабилизации образца, определены величина и знак внутренних напряжений и составляющие петли гистерезиса. Результаты сведены в табл. 1.

Основные преимущества предлагаемого способа по сравнению с существующими.

1. Установлена причина образования гистерезиса конструкционного материала.

2. Доказано, что переход от упругой к пластической деформации конструкционного материала после стабилизации происходит в одной точке, а пределы пропорциональности, упругости и текучести равны между собой.

3. Получена возможность эффективно учесть систематические погрешности параметров и свойств материалов, использовать принцип суперпозиции и истинное начало координат деформационной характеристики конструкционного материала.

4. Доказано, что для реального материала гипотезы теории упругости применимы со значительными погрешностями.

Формула изобретения

Способ определения пластической и упругой составляющих петли гистерезиса конструкционного материала, заключающийся в том, что снимают деформационные характеристики конструкционного материала путем приложения внешней нагрузки и измерения величины внутренних напряжений с использованием нескольких образцов и строят графики в виде петли гистерезиса относительно осей координат, на основании которых судят о пластической и упругой составляющих петли гистерезиса, отличающийся тем, что с первого образца-эталона из однородного материала без внутренних напряжений снимают в упругой области нулевую деформационную характеристику, изготовляют второй и третий образцы из того же однородного материала, снимают с второго образца первую деформационную характеристику, затем стабилизируют состояние второго и третьего образцов отжигом до полного удаления пластических внутренних напряжений, снимают с того же образца вторую деформационную характеристику и определяют величину и знак внутренних напряжений по второму и третьему образцам, а для построения петли гистерезиса совмещают первую и вторую деформационные характеристики второго образца с нулевой характеристикой первого образца-эталона в одной системе координат, по величине и знаку внутренних напряжений, а также по углу наклона к оси абсцисс определяют относительное удлинение - общую ширину пластической и упругой составляющих петли гистерезиса при снятой нагрузке для второго образца графически или из выражения

определяют ширину упругой составляющей петли гистерезиса для стабильного состояния конструкционного материала после снятия пластических внутренних напряжений из выражения

а по полученным величинам определяют ширину пластической составляющей петли гистерезиса из выражения
ε_пл= ε₁-ε₂,
где σ₁ - величина пластических и упругих внутренних напряжений в исходном материале;
σ₂ - величина упругих внутренних напряжений в материале после отжига;
E₁ - модуль упругости исходного материала;
E₂ - модуль упругости материала без пластических внутренних напряжений;
ε₁ - общая ширина петли гистерезиса;
ε₂ - ширина петли упругого гистерезиса;
ε_пл - ширина петли пластического гистерезиса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6