Тепловое излучение при пластическом деформировании и разрушение конструкционных материалов и элементов конструкций

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 620. 172. 224. 2
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ И РАЗРУШЕНИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ
© Е. С. Лукин, А.М. Иванов
Lukin E.S., Ivanov A.M. Radiation оГ Heal under (he Plastic Deformation and the Failure of the Structural Materials and Structure Elements. The results of the investigation of the radiation of heat changes regularities in the plane specimens of the steels 18Г2С, Ст10кп5 and 10ХСНД, acquired by the thermal imaging measurements under single axis tension are presented. Tlicre is revealed that by the evolution of thermal field can be judged about the nature of the plasticity zone evolution and the localization of the plastic deformations in the deformable specimen under conditions of the homogeneous and heterogeneous stressedly-deformed states.
Деформирование и разрушение материалов сопровождаются явлениями различной природы, в том числе тепловой (инфракрасной) эмиссией.
Изучение тепловых явлений в твердых телах берет свое начало с опытов Томсона (Кельвина). Им был проведен анализ тепловых явлений в упругих телах (1855 г.). В последующем явление изменения температуры при приложении механической нагрузки в разные годы было обнаружено в опытах Джоуля (1857 г.), Хорта с коллегами (1907 г.), Раш (1908 г.), Надаи (1911 г.) [1].
При адиабатическом объемном расширении (сжатии) упругого твердого тела происходит поглощение (выделение) тепла, если рассматриваемая среда имеет положительный температурный коэффициент объемного расширения. Пластические деформации сопровождаются выделением тепла.
Нагрев образца существенно зависит от скорости деформирования, а при заданной скорости нагружения -от энергии деформации в единицу времени, теплофизических характеристик материала, геометрических параметров образца, вида напряженного состояния, способа охлаждения. Повышение температуры с увеличением скорости деформации становится все больше. С некоторой критической скорости деформации процесс становится адиабатическим.
В работах [2−5] приводится объяснение механизмов излучений, сопровождающих процессы деформирования и разрушения образцов из металлов и сплавов при различных способах нагружения. Было установлено возникновение инфракрасного излучения и излучения в видимом диапазоне при деформировании и разрушении металлов, а также сделано объяснение механизма их возбуждения.
Были разработаны методы определения распределения температуры по образцу [6], оценки неоднородности распределения напряжений в зоне концентрации напряжений [7], анализ полей напряжений [8], определения удельной работы разрушения образца с трещиной и коэффициента интенсивности напряжений [9], исследования кинетики деформаций и разрушения материалов [10, 11 ] по тепловому излучению. Для оп-
ределения температуры применялись термопары и тепловизионные средства. Следует отметить, что полнота получаемой информации зависит от возможностей применяемой техники и точности измерений.
В настоящей работе рассмотрены закономерности изменения теплового режима в плоских образцах из конструкционных сталей 18Г2С, Ст10кп5 и 10ХСНД.
Д Т, К
Рис. 1. Эволюция распределения температуры по рабочему участку плоского образца из стали 18Г2С
д т, К
Рис. 2. Эволюция распределения температуры по опасному сечению плоского образца с центральным круговым отверстием из стали ЮХСНД
дт, К
Рис. 3. Эволюция распределения температуры, но опасному сечению плоского образца с центральным круговым отверстием из стали 10кп5
Кадр 1940
Рис. 4. Термограммы плоского образца с центральным круговым отверстием из стали 10кп5
В качестве измерительного средства использовался тепловизор ТКВр-ИФП (ИФГ1 СО РАН, Новосибирск) с термочувствительностыо ±0,03 К. Механические испытания на одноосное растяжение проводились на универсальной машине «Инстрон-1195» при комнатной температуре.
Подробное изложение результатов анализа кинетики развития температурного поля и изменения максимальной температуры для материала образца представлено в [10, II]. Особенности в изменении теплового режима, такие как термоупругий эффект, выделение тепла при пластической деформации, резкое тепловыделение при разрушении, продвижение теплового фронта и, соответственно, эволюция температурного поля при зарождении и росте полос деформации, интенсивное тепловыделение при макролокализации деформации в шейке и др. соответствуют физическим процессам, происходящим в упругопластическом материале. В данной работе на рис. I в качестве примера приведен график распределения приращения температуры вдоль продольной оси гладкого образца из стали 18Г2С размером 65×18,3×2,5 мм. Скорость деформирования составляла 1,28−10 5 с '-. Кривые соответствуют различным стадиям деформирования образца. По мере роста нагрузки происходит смещение пика (максимальной температуры) на кривой изменения температуры вплоть до того момента, пока окончательно не сформируется шейка. Как видно из графика, локализация деформаций в месте образования шейки в образце сопровождается повышением температуры в данном очаге разогрева и сужением кривой изменения температуры. Максимальное приращение температуры в шейке образца перед разрушением составило порядка 8,48 К (без учета температурного всплеска при разрыве образца). Разрушение образца произошло на кадре № 3765 при усилии 20 кН.
Представленные на рис. 2 и рис. 3 графики демонстрируют типичный характер распределения температуры по опасному сечению образцов с центральным круговым отверстием при различных уровнях нагружения. Характер распределения температуры для обоих образцов (рис. 2 для образца размером 118×33,1×2.1 мм и с отверстием диаметром 6 мм из стали 10ХСНД: рис. 3 для образца размером 239×99,9×1,5 мм и с отверстием диаметром 21,4 мм из стали 10кн5), изготовленных из разных материалов, качественно одинаковый. Различия заключаются в значениях приращений температур. Образец из стали ЮХСНД разрушился (скорость нагружения — 8,3−10 5 м-с '-) на кадре № 2395 при усилии 32,5 кН, а образец из 10кп5 (1,67−10 4 м-с '-) — на кадре № 2053 при 40 кН.
На рис. 4 представлены термограммы образца из стали 10кп5 с отверстием. Приведенные термограммы соответствуют заключительным стадиям деформирования и разрушения образца. Появление на кадре № 1809 трещины с контура отверстия приводит к смещению пика, соответствующего максимальной температуре (сравнить кривые 5 и 4 на рис. 3).
Таким образом, по тепловому излучению деформируемого образца можно судить об особенностях эволюции температурного поля при пластическом деформировании и разрушении в условиях однородного и неоднородного напряженно-деформированного состояний, о характере распространения теплового фрон-
та при развитии полос пластичности и локализации пластических деформаций. Представленные графики распределения температуры по сечениям образцов с центральными круговыми отверстиями и термограммы, соответствующие различным стадиям деформирования, могут быть использованы для оценки форм и размеров зон пластических деформаций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Падай, А Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Мир. 1969. 864 с.
2. Тупик A.A. Валуев П П., Манегин Б. В. Временная корреляция процессов фотонной эмиссии и разрушения железа и сплава Ni-Сг Mo // Докл. АН СССР. 1983. Т. 272. № 4. С. 858−860.
3. Абрамова К. Б. Перегуд Б.П., Щербаков П. П. Исследование меха-нолюмннесцснции металлов при квазистатнческом нагружении // Журн. техн. физики. 1990. Т. 60. № 8. С. 80−84.
4. Михайлова Г. В., Зуев Б. К. Новиков П.П. и др. Некоторые особенности физических процессов механического разрушения // Докл. АН СССР. 1987. Т. 295. № 6. С. 1324−1329.
5. Абрамова К Б. Пахомов А. Б. Пе[куд Б. П и & lt-)р. Инфракрасное излучение, возникающее при деформации и разрушении металлов // Журн. техн. физики. 1988. Т. 58. № 4. С. 817−82*1.
6. Даль П. Бельхе П. Диаграмма деформации // Статическая прочность и механика разрушения сталей: Сб. науч. тр.: Пер. с нем. / Под ред. В. Даля, В. Антона М.: Металлургия, 1986. С. 51−133.
7. Пустовой В. Н. Метод электромагнитной и инфракрасной эмиссии для исследования концентрации напряжений // ДАН УССР. Сер. А. 1988. № 8. С. 37−40.
8. Оливер Д. Анализ полей напряжений с использованием теплового излучения // Экспериментальная механика: В 2 кн. Кн. 2: Пер. с англ. / Под ред. А. Кобаясн. М.: Мир, 1990. 552 с.
9. Реморов В. Е. Методика и некоторые результаты исследования трещиностойкости металла и сварных соединений методом теплового импульса // Заводская лаборатория. 1992. № 5. С. 27−40.
10. Иванов А. М., Лукин Е С., Ларионов В. П. К исследованию деформирования и разрушения твердых тел // Докл. РАН. 2002. Т. 384. № 4. С. 469−472.
11. Иванов А. М., Лукин Е. С. Методика исследования кинетики деформирования и разрушения по инфракрасному излучению // Актуальные проблемы прочности: Сб. науч. тр. Ч. II. Витебск, 2000. С. 586−589.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой