Прочность и сопротивление разрушению слоистых металлических композитов при различных видах нагружения

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 620. 22−419. 8
ПРОЧНОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ СЛОИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯ
(c)2013
С. В. Гладковский, доктор технических наук, заведующий лабораторией «Деформирования и разрушения» И. С. Каманцев, инженер лаборатории «Деформирования и разрушения» Институт машиноведения УрО РАН, Екатеринбург (Россия)
Ключевые слова: композиционные материалы- циклическая и динамическая трещиностойкость- кинетика тре-щинообразования.
Аннотация: Проведены и проанализированы результаты механических испытаний слоистых композиционных материалов на основе сталей с прослойками из пластичных металлов. Показано, что данные материалы имеют повышенный уровень прочностных свойств и сопротивления разрушению по сравнению с металлом основы. По результатам динамических и циклических испытаний оценено влияние конструкции композита на кинетику трещинообразования и получены значения характеристик динамической трещиностойкости.
Современное развитие техники определяет потребность в новых материалах, обеспечивающих повышенный уровень надежности и долговечности деталей конструкций. К основным критериям качества конструкционных материалов относятся высокая прочность при сохранении достаточного уровня пластичности, высокое сопротивление ударным нагрузкам и повышенная трещиностойкость.
Одним из способов повышения прочности и долговечности материала является способ создания искусственной анизотропии свойств, в частности путем внесения высоковязких границ на пути предполагаемой траектории трещины. Широкие перспективы в этом отношении связываются с разработкой и внедрением слоистых металлических композитов из разноименных и разнородных металлов, получаемых методами сварки взрывом, давлением и интенсивной пластической деформации. Так на примере 2-х и 3-х слойных металлических композитов авторами работ [1−4] было показано, что данные материалы позволяют получить комплекс физико-механических свойств, существенно превышающий свойства их составляющих. При этом в слоистых металлических композитах наблюдается эффект торможения имеющихся в материале трещино-подобных дефектов (переходящие в трещины острые надрезы, усталостные трещины) при ориентации фронта трещины перпендикулярно плоскости раздела слоев -по «тормозящему» типу.
В настоящей работе приводится анализ результатов механических испытаний слоистых композиционных материалов на основе сталей с прослойками из пластичных металлов. Результаты проведенных испытаний по определению механических свойств полученных в лаборатории деформирования и разрушения ИМАШ УрО РАН методом пакетной прокатки металломатрич-ных композитов [5], показали, что данные материалы имеют повышенный уровень прочностных свойств по сравнению с металлом основы. Так, 7-ми и 27-слойные композиты на основе сверхнизкоуглеродистой стали 006/Ш и прослойками из алюминия АД0 имеют временное сопротивление разрыву и предел текучести соответственно в 1,5−1,6 раза и в 3,5−3,2 раза выше этих характеристик стали 006/Ш в исходном отожженном состоянии, и в 2,8−2,5 раза выше этих характеристик стали 006/Ш после прокатки с обжатием 54%.
Значительное повышение прочностных свойств наблюдалось и в композитах на основе 09Г2С и 08кп
[6, 7]. В тоже время сравнительный анализ композитов из стали 09Г2С, полученных сваркой взрывом и пакетной прокаткой с введением пластичных прослоек, выявил увеличение прочностных свойств композита с прослойками над уровнем прочностных свойств композита полученного сваркой взрывом (рис. 1). Это позволяет сделать вывод о том, что на характеристики прочности слоистых металломатричных композитов полученных деформационными методами наряду с уровнем механических свойств составляющих слоев значительное влияние оказывают технология изготовления и конструкция композита, в частности наличие пластичных прослоек и соотношение толщины слоев.
Приведенные в таблице 1 результаты ударных испытаний образцов с V-образным надрезом из 11-слойных композитов на основе стали 09Г2С с мягкими прослойками из высокопластичного алюминия, полученных пакетной прокаткой при температурах 20, -40 и -196 °С показали, что с понижением температуры от 20 до -40 °С ударная вязкость образцов с поперечным надрезом (образцы I и II) несколько повышается, а при температуре жидкого азота (образец IV) сохраняется на достаточно высоком уровне.
Полученные диаграммы ударного нагружения, приведенные на рис. 2, указывают на существенные различия в процессе разрушения ударных образцов в зависимости от ориентации линии надреза и фронта растущей трещины относительно плоскостей раздела слоев (образцы I, II, IV с одной стороны и III — с другой). Срывы нагрузки на диаграммах образцов I, II, IV при пересечении межслойных границ указывают на сложный характер процесса разрушения композита в случае ориентации линии надреза и фронта трещины перпендикулярно плоскостям раздела слоев.
Следует отметить, что у образцов I, II и IV при всех температурах испытаний полного разрушения не происходит, а разрушаются только от 3 до 7 слоев (рис. 3), т. е. реальная работа разрушения и, соответственно, ударная вязкость всего образца превышает зафиксированные значения, А и КСУ.
Обработка экспериментальных диаграмм ударного нагружения по методике, описанной в работе [8], позволила разделить общую работу разрушения (А) на работу зарождения (Аз) и распространения трещины (Ар), а также рассчитать параметр динамической тре-щиностойкости на основе энергетического критерия
Деформация, %
Рис. 1. Диаграммы растяжения композитов: 1 — «09Г2С + АМц+09Г2С"-2 — «09Г2С+АД1+09Г2С" — 3 — «09Г2С+09Г2С» (сварка взрывом)
Таблица 1. Результаты ударных испытаний 11-слойного композита «09Г2С-АМц»
Номер Образца Температура испытания, & quot-С Работа разрушения Л, Дж Работа зарождения трещины А3, Дж Работа распространения трещины Адидас Ударная вязкость, КС. У МДж/м2 Динамическая трещиностойкостъ, ш МДж/м2
I (поперек) 20 162,6 31,5 131,1 & gt-2,02 0,78
II (поперек) -40 173,0 40,4 132,6 & gt-2,18 1,01
III (вдоль) 20 32,85 5,31 27,5 0,42 0,18
IV (поперек) -196 137,2 19,0 118,2 & gt-1,72 0,48
Рис. 2. Диаграммы ударного нагружения 11-слойного композита «09Г2С-АМц» (обозначения согласно таблице 1)
разрушения J-интеграла Райса-Черепанова-Билби по формуле:
= 2 А^Б (Ж-а),
где Аз — работа зарождения трещины- В — ширина образца- Ж — высота образца- а — длина концентратора напряжений.
Рис. 3. Боковая поверхность образца после испытания при t=20 °С
Как видно из таблицы 1, работа распространения трещины, для всех образцов в 3−6 раз превышает работу зарождения трещины. При этом высокие значения KCV и J1d сохраняются вплоть до температур жидкого азота. Таким образом, введение пластичных прослоек алюминия и создание межслойных границ в процессе пакетной прокатки, способствующих диссипации энергии разрушения за счет отклонения фронта роста трещины вдоль границ слоев, позволяет при ориентации фронта трещины поперек плоскостей соединения слоев сохранить высокие значения характеристик ударной вязкости и динамической трещиностойкости изученного композита в интервале температур -196.. +20 °С.
Влияние наличия пластичной прослойки на характеристики циклической трещиностойкости было изучено на примере 3-х слойного композита 09Г2С+АМц+09Г2С, полученного пакетной прокаткой. Испытания проводились на высокочастотной резонансной испытательной машине MIKROTRON. Из полученного композита был изготовлен образец с острым надрезом с радиусом в вершине 0,25 мм. Испытания проводились по схеме трехточечного изгиба с постоянным усилием цикла и частотой нагружения 100 Гц. Полученные кинетические диаграммы роста усталостной трещины и кривые живучести сопоставлялись с изменением резонансной частоты нагружения. Поскольку принцип действия испытательной машины MIKROTRON основан на нахождении полного резонанса системы «образец-машина», то падение частоты нагружения при постоянных усилиях характеризует изменение жесткости образца, которое в свою очередь связано с уменьшением его сечения в результате подрастания усталостной трещины. Так, по изменению резонансной частоты можно качественно судить о длине трещины и скорости ее продвижения. Как видно из рисунка 4, при подходе к алюминиевому слою — скорость роста трещины резко увеличилась (рис. 4 точка «а»). Это объясняется тем, что прочность алюминиевой прослойки значительно ниже и ее разрушение может но-
сить скорее квазистатический характер. Однако, при дальнейшем нагружении распространение трещины прекратилось и только после ~5*104 циклов произошло зарождение усталостной трещины и ее дальнейшее распространение в стальном слое (рис. 4 участок от точки «б» до точки «в»). Таким образом, можно считать, что в наибольшей степени эффект торможения усталостной трещины реализуется при ее переходе из центрального алюминиевого во внешний стальной слой. Наблюдаемое поведение усталостной трещины в слоистом материале вызвано отсутствием в новом стальном слое концентратора напряжений, на формирование которого требуется дополнительное число циклов нагружения.
Рис. 4. — Кривая живучести композита «09Г2С-АМц-09Г2С» 1 — длина оптически определяемой трещины, 2 — изменение частоты колебаний
Полученные результаты испытаний композиционных материалов позволяют сделать вывод о том, что на характеристики прочности и трещиностойкости полученных деформационным методом слоистых композитов оказывают влияние, как механические свойства составляющих слоев, так и особенности технологии изготовления и конструкции композитов (наличие пластичных прослоек, характер чередования и соотношение толщины слоев). На примере сталеалюминиевого композита, полученного пакетной прокаткой, выявлены особенности распространения фронта усталостной трещины в слоистом материале и эффект ее торможения при переходе от центрального пластичного к внешнему стальному слою.
Авторы выражают благодарность к.т.н. Бородину Е. М. за помощь в проведении ударных испытаний.
Исследования проведены с использованием оборудования ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Программы президиума РАН № 25, проекта молодых ученых УрО РАН № 13−1-НП-680 и гранта РФФИ в рамках научного проекта № 12−03−31 374 мол_а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трыков Ю. П., Гуревич Л. М., Шморгунов В. Г. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов. -М.: Металлургиздат, 2004. — 230 с., илл.
2. Голованенко С. А. Сварка прокаткой биметаллов. М.: «Металлургия», 1977. 160 с.
3. Астров Е. И. Плакированные многослойные металлы. М.: «Металлургия», 1965. 239 с. с ил.
4. Каракозов Э. С. Соединение металлов в твердой фазе. М.: «Металлургия», 1976. 264 с. с ил.
5. Гладковский С. В., Трунина Т. А., Коковихин Е. А., Смирнова С. В., Каманцев И. С., Горбунов А. В. // Слоистые сталеалюминиевые композиты конструкционного назначения на основе сверхнизкоуглеро-дистой стали 006/Ш. «Металловедение и термическая обработка металлов». № 1 (691). 2013 г. С. 3−7.
6. Гладковский С. В., Трунина Т. А., Коковихин Е. А., Смирнова С. В. // Технология получения и свойства слоистых сталеалюминиевых композитов. «Производство проката». № 12. 2011 г. с. 25−29.
7. Гладковский С. В., Трунина Т. А., Коковихин Е. А., Смирнова С. В., Каманцев И. С., Бородин Е. М. // Механические свойства и структура слоистых сталеалюминиевых композитов на основе стали 09Г2С, полученных пакетной прокаткой. «Производство проката». № 4. 2012 г. с. 32−37.
8. Ботвина Л. Р. Разрушение. Кинетика, механизмы, общие закономерности. Ин-т металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН.- М.: Наука, 2008. — 334 с.
STRENGTH AND FRACTURE RESISTANCE OF LAYERED METAL COMPOSITES AT DIFFERENT MODES OF LOADING
(c)2013
S.V. Gladkovsky, doctor of technical sciences, head of laboratory Deformation and Fracture I.S. Kamantsev, engineer of laboratory Deformation and Fracture IES Ural branch RAS, Yekaterinburg (Russia)
Keywords: composite materials- cyclic and dynamic fracture toughness- crack kinetics.
Annotation: The results of mechanical tests of layered composite materials based on steel with layers of ductile metals are obtained and analyzed. It is shown that these materials possess higher strength properties and fracture resistance as compared to the base metal. According to the results of dynamic and cyclic tests the influence of composite construction on kinetics of crack formation was studied and the values of dynamic fracture toughness characteristics were estimated.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой