12. Определение конструкционной пластичности материала

12. Определение конструкционной пластичности материала


Цель работы: изучение методики оценки конструкционной пластичности материала по результатам испытаний углеродистой стали на растяжение с учетом параметра жесткости напряженного состояния П, температуры Т и площади сечения F при растяжении и кручении элемента конструкции.
Материал имеет различную пластичность в зависимости от условий нагружения. Для произвольного вида напряженного состояния (линейного, плоского, объемного) характеристикой пластичности материала является разрушающая интенсивность пластических деформаций ε_f(П), которая зависит от параметра жесткости напряженного состояния где σ_i – интенсивность напряжений.
Элементы конструкций работают в широких диапазонах пониженных и повышенных температур. При понижении температуры пластичность материала ε_fT падает. Повышение температуры сказывается на пластичности ε_fT неоднозначно. Влияние температуры на пластичность материала устанавливается опытным путем.
Размеры элементов конструкций, как правило, больше размеров стандартных образцов. С увеличением размеров сечений F образцов пластичность материала ε_fF падает за счет влияния масштабного эффекта.
Элементы конструкций работают при различных параметрах жесткости напряженного состояния П, в условиях пониженных и повышенных температур Т, имеют, как правило, увеличенные по сравнению со стандартными образцами размеры сечений F, что в совокупности снижает конструкционную пластичность материала ε_fTF.
Постановка работы. На испытательной машине УГ-20 проведены испытания на растяжение стандартных образцов (F = 80 мм²; d₀ ≈ 10 мм) из углеродистой стали при комнатной температуре и определено относительное сужение в шейке ψ = 0,580. По литературным данным (табл. 12.2) для стандартного образца при заданной температуре испытаний Т = −196 ^оС получено ψ_Т = 0,140. Известна площадь сечения F = 90 мм² (d_min = 10,7 мм) рассматриваемого элемента конструкции с кольцевым надрезом (участок резьбы болта или шпильки).
Требуется: построить диаграммы конструкционной пластичности углеродистой стали: 1) для образца стандартных размеров при комнатной температуре; 2) стандартного образца при заданной температуре испытаний Т; 3) образца увеличенной площади сечения F при комнатной температуре; 4) образца увеличенной площади сечения F при заданной температуре Т. Оценить пластичность углеродистой стали при растяжении и кручении элемента конструкции с учетом влияния параметра жесткости напряженного состояния П, температуры Т и площади сечения F.
1. Вычисляем рассматриваемый диапазон изменения параметра жесткости напряженного состояния:


2. Определяем интенсивность пластических деформаций в шейке после разрыва стандартного образца при комнатной температуре:

3. Аналогичная характеристика пластичности стандартного образца при заданной температуре Т испытаний

4. Сужение в шейке после разрыва образца увеличенной площади сечения F при комнатной температуре

5. Соответствующая разрушающая интенсивность пластических деформаций образца увеличенных размеров

6. Сужение в шейке при разрыве образца увеличенных размеров сечения F при заданной температуре Т испытаний

7. Разрушающая интенсивность пластических деформаций при разрыве образца с увеличенной площадью сечения F при заданной температуре Т испытаний

8. Записываем модели конструкционной пластичности:
 образца стандартных размеров (F = 80 мм²) при комнатной температуре:
; (12.18)
 образца стандартных размеров при заданной температуре Т испытаний:
; (12.19)
 образца увеличенной площади сечения F при комнатной температуре:
; (12.20)
 образца увеличенной площади сечения F при заданной температуре Т испытаний:
. (12.21)
9. По уравнениям (12.18)…(12.21) вычисляем предельную пластичность углеродистой стали для характерных значений параметра −2,30 ≤ П ≤ 2,30 (табл. 12.3) и строим соответствующие графики (рис. 12.2).


Таблица 12.3. Конструкционная пластичность углеродистой стали для характерных значений параметра жесткости напряженного состояния П

П	2,30	1,73	1	0	−1	−1,73	−2,30
εf	0,424	0,580	0,867	1,502	2,606	4,331	5,336
εfT	0,0736	0,101	0,151	0,261	0,453	0,753	0,928
εfF	0,420	0,576	0,863	1,493	2,590	4,305	5,304
εfТF	0,0733	0,100	0,150	0,260	0,451	0,750	0,924

Рис. 12.2. Диаграмма конструкционной пластичности углеродистой стали
в зависимости от параметра жесткости П напряженного состояния (1),
с учетом температуры Т = −196 ^оС (2), площади сечения F образца (3)
и совокупного влияния П, T, F (4)

10. Используя данные табл. 12.3, получаем для параметров жесткости местного напряженного состояния в вершине надреза П_р = 1,73 и П_к = 0 значения конструкционной пластичности углеродистой стали при растяжении = 0,100 и кручении =0,260 рассматриваемого элемента конструкции в виде стержня с кольцевым надрезом. Такой элемент конструкции моделирует работу, например, участка резьбы болта при растяжении или шпильки при кручении.

11. Оцениваем снижение конструкционной пластичности при растяжении (П_р = 1,73) и кручении (П_к = 0) рассматриваемого элемента конструкции:
;
.
Резкое снижение конструкционной пластичности материала может приводить к хрупкому разрушению элементов конструкций.
Выводы:
1. Изучена методика оценки конструкционной пластичности материала по результатам испытаний углеродистой стали на разрыв.
2. Получено снижение конструкционной пластичности материала при растяжении и кручении с учетом влияния параметра жесткости напряженного состояния П_р = 1,73 и П_к = 0, температуры Т = –196 ^оС и увеличенной площади опасного сечения F = 90 мм², что повышает вероятность наблюдаемого на практике менее предсказуемого и более опасного хрупкого разрушения элементов конструкций.