eng
Выпуск #1/2021
Д.К.Магомедова, А.А.Чуракова
Распределение напряжений при статическом растяжении цилиндрических образцов из мелко- и крупнозернистого алюминиевого сплава 6101
Распределение напряжений при статическом растяжении цилиндрических образцов из мелко- и крупнозернистого алюминиевого сплава 6101
Просмотры: 1841
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.30.34
Проблема расчета прочности и долговечности различных конструкций из металлов является одной из важнейших в современном мире. Для ее решения необходимо понимание определенных механических критериев материала, таких как прочность, пластичность и др. В данной работе приводятся данные расчета и указан характер распределения критических напряжений, которые определяют зарождение пор внутри материала, в данном случае в Al-6101, при статическом нагружении. Зарождение и слияние пор представляют собой первую стадию разрушения материала. При наличии данных о критических напряжениях материала можно спрогнозировать его дальнейшее разрушение.
Проблема расчета прочности и долговечности различных конструкций из металлов является одной из важнейших в современном мире. Для ее решения необходимо понимание определенных механических критериев материала, таких как прочность, пластичность и др. В данной работе приводятся данные расчета и указан характер распределения критических напряжений, которые определяют зарождение пор внутри материала, в данном случае в Al-6101, при статическом нагружении. Зарождение и слияние пор представляют собой первую стадию разрушения материала. При наличии данных о критических напряжениях материала можно спрогнозировать его дальнейшее разрушение.
Теги: aluminium alloy critical stress static loading алюминиевый сплав критические напряжения статическое нагружение
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ РАСТЯЖЕНИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ИЗ МЕЛКО- И КРУПНОЗЕРНИСТОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 6101
DISTRIBUTION OF STRESSES IN FINE- AND COARSE-GRAINED CYLINDRICAL ALUMINUM ALLOY 6101 SAMPLES SUBJECTED TO STATIC TENSION
Д.К.Магомедова1, мл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0002-1031-624X), А.А.Чуракова2, к.ф.-м.н., науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-9867-6997) / churakovaa_a@mail.ru
D.K.Magomedova1, Junior Researcher, А.А.Churakova2, Cand. of Sc. (Physics and Mathematics), Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.30.34
Получено: 03.12.2020 г.
Проблема расчета прочности и долговечности различных конструкций из металлов является одной из важнейших в современном мире. Для ее решения необходимо понимание определенных механических критериев материала, таких как прочность, пластичность и др. [1, 2]. В данной работе приводятся данные расчета и указан характер распределения критических напряжений, которые определяют зарождение пор внутри материала, в данном случае в Al-6101, при статическом нагружении. Зарождение и слияние пор представляют собой первую стадию разрушения материала. При наличии данных о критических напряжениях материала можно спрогнозировать его дальнейшее разрушение [3, 4].
Calculation of strength and durability of various metal structures presents one of the most significant tasks in the contemporary world. To achieve it, the different mechanical criteria of the material, such as strength, ductility, etc. [1, 2] should be known. The calculation data and t distribution pattern of critical stresses that define formation of pores in the material (in our case, Al-6101) under static loading are presented in this article. The first phase of material fracture is the pore formation and merging. Therefore, its subsequent fracture can be estimated using the data on the critical stresses of the material [3, 4].
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость разработки и внедрения простых и в то же время эффективных критериев разрушения, позволяющих достоверно оценить условия безопасной эксплуатации металлических конструкций, в особенности конструкций с концентраторами напряжений, является очевидной в связи с созданием и увеличением числа инженерных сооружений сложной геометрии. Данная проблема актуальна для многих отраслей промышленности.
Известно, что в процессе разрушения материалов происходит превышение предела прочности на некотором характерном расстоянии в течение некоторого характерного времени. Развитие теоретических моделей, учитывающих нелокальный характер процесса разрушения и алгоритмизированных для использования в стандартных вычислительных пакетах (ABAQUS, LS-DYNA, ANSYS, Comsol), позволяет повысить точность прогноза момента разрушения конструкции и сократить затраты на экспериментальное сопровождение практического внедрения разработки.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала использовался Al-6101 в виде цилиндрических образцов с различными диаметрами поперечного сечения. Часть исходных заготовок (крупнозернистый (КЗ) сплав) была подвергнута отжигу при температуре 550°С в течение двух часов и последующей закалке в воду комнатной температуры; после закалки они подвергались естественному старению (ЕС) в течение шести суток. Другая часть также подвергалась отжигу при температуре 550°С в течение двух часов и дальнейшему отжигу в течение 12 ч при температуре 170°С с последующей закалкой водой комнатной температуры – образцы с искусственным старением (ИС). Для получения ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры часть заготовок была обработана ИПД-методом равноканального углового прессования по схеме Конформ (РКУП-К) [2].
Из КЗ- и УМЗ-заготовок были изготовлены одинаковые образцы с цилиндрической рабочей частью диаметром 5,0 и 2,8 мм (на 5-мм диаметре сделана дополнительная выточка) и высотой 34 мм. Использование в работе образцов разной геометрической формы было обусловлено необходимостью увидеть влияние геометрии на прочность и пластичность материала. Подробно эксперимент и полученные данные представлены в работе [5].
Механические испытания образцов на одноосное растяжение проводили на испытательной машине Shimadzu AG-50kNX. Растяжение образцов проводили при комнатной температуре с постоянной скоростью деформации 1,4 · 10–4с–1. Растяжение проводилось до разрушения образцов. Поверхность образцов в долевом сечении исследовалась с помощью электронного микроскопа.
В основе методики расчета критических напряжений лежит статья [1]. Рассматриваем статическое нагружение при комнатной температуре и постоянной скорости растяжения. Самым широко используемым критерием является критическое значение напряжения на поверхности раздела металлическая матрица / частица (рис.1).
Расчет критического значения напряжения σr на поверхности раздела металлическая матрица / частица был впервые проведен группой Argon, Im и Needleman в [1], где критерий порообразования для стержней из крупнозернистой стали и меди с выточкой представлен как:
σm + σeq ≥ qr, (1)
где – гидростатическое напряжение, – эквивалентное напряжение, где σ1, σ2, σ3 – главные значения напряжений. Расчет для Al-6101 был проведен при использовании данного критерия.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Был произведен расчет распределения трехосных (сумма эквивалентных и гидростатических) напряжений, полученных с помощью пакета ANSYS 19.0. Расчет проведен согласно данным с видеоэкстензометра и испытательной машины для каждой геометрии КЗ всех типов старения и УМЗ-образцов.
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ распределения трехосных напряжений с учетом различия геометрий показывает, что выточка приводит к локализации значений напряжения в участке поперечного сечения, имеющего минимальный диаметр, при этом характер распределения трехосных напряжений зависит от геометрии выточки. Минимальные значения трехосных напряжений (220 МПа) относятся к КЗ-образцу ЕС (диаметром поперечного сечения 5 мм), в то время как максимальные значения трехосных напряжений (385 МПа) достигнуты в УМЗ-образце.
На прочность и пластичность материала влияет геометрия исследуемых образцов: образцы с более узкой рабочей частью оказываются наименее пластичными, но показывают более высокую прочность. На прочность и пластичность также влияет структура материала: при уменьшении размера зерна увеличивается прочность.
ВЫВОДЫ
Применение модели Argon и результаты теоретического исследования распределения трехосных напряжений в образцах в ходе испытаний позволили определить критические напряжения при возникновении пор для двух исследуемых состояний: σr ≈ 220 МПа для КЗ ЕС и σr ≈ 330 МПа для КЗ ИС. Качественный анализ экспериментальных и теоретических результатов позволяет предположить, что величина критического напряжения при образовании пор в УМЗ-материале имеет более высокие значения.
Авторы выражают благодарность гранту РНФ (№ 17-19-01311) и проекту СПбГУ Мероприятие 3 (id: 26130576).
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Argon A.S., Im J., Needleman A. Distribution of plastic strain and negative pressure in necked steel and copper bars. Metallurgical Transactions 824-volume 6A, April 1975.
Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.
Murashkin M.Yu., Sabirov I., Sauvage X., Valiev R.Z. Nanostructured Al and Cu alloys with superior strength and electrical conductivity // J. Mater. Sci. (2016) 51, 33–49.
Murashkin M., Medvedev A., Kazykhanov V., Krokhin A., Raab G., Enikeev N. and Valiev R.Z. Enhanced Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Ultrafine-Grained Al 6101 Alloy Processed via ECAP-Conform // Metals (2015) 5, 2148–2164.
Magomedova D.K., Gunderov D.V. and Efimov M.A. Mechanical behavior of coarse- and fine-grained Al-6101 samples of different geometry under tension IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 672 (2019).
Magomedova D.K. and Murashkin M.Yu. Influence of grain size and second phase particles on the process of void initiation IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 991 (2018).
Magomedova D.K., Murashkin M.Yu., Efimov M.A. Technique development for conducting mechanical tests to study the pore formation process in case of material fracture. AIP Conference Proceedings (1959), 2018.
DISTRIBUTION OF STRESSES IN FINE- AND COARSE-GRAINED CYLINDRICAL ALUMINUM ALLOY 6101 SAMPLES SUBJECTED TO STATIC TENSION
Д.К.Магомедова1, мл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0002-1031-624X), А.А.Чуракова2, к.ф.-м.н., науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-9867-6997) / churakovaa_a@mail.ru
D.K.Magomedova1, Junior Researcher, А.А.Churakova2, Cand. of Sc. (Physics and Mathematics), Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.30.34
Получено: 03.12.2020 г.
Проблема расчета прочности и долговечности различных конструкций из металлов является одной из важнейших в современном мире. Для ее решения необходимо понимание определенных механических критериев материала, таких как прочность, пластичность и др. [1, 2]. В данной работе приводятся данные расчета и указан характер распределения критических напряжений, которые определяют зарождение пор внутри материала, в данном случае в Al-6101, при статическом нагружении. Зарождение и слияние пор представляют собой первую стадию разрушения материала. При наличии данных о критических напряжениях материала можно спрогнозировать его дальнейшее разрушение [3, 4].
Calculation of strength and durability of various metal structures presents one of the most significant tasks in the contemporary world. To achieve it, the different mechanical criteria of the material, such as strength, ductility, etc. [1, 2] should be known. The calculation data and t distribution pattern of critical stresses that define formation of pores in the material (in our case, Al-6101) under static loading are presented in this article. The first phase of material fracture is the pore formation and merging. Therefore, its subsequent fracture can be estimated using the data on the critical stresses of the material [3, 4].
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость разработки и внедрения простых и в то же время эффективных критериев разрушения, позволяющих достоверно оценить условия безопасной эксплуатации металлических конструкций, в особенности конструкций с концентраторами напряжений, является очевидной в связи с созданием и увеличением числа инженерных сооружений сложной геометрии. Данная проблема актуальна для многих отраслей промышленности.
Известно, что в процессе разрушения материалов происходит превышение предела прочности на некотором характерном расстоянии в течение некоторого характерного времени. Развитие теоретических моделей, учитывающих нелокальный характер процесса разрушения и алгоритмизированных для использования в стандартных вычислительных пакетах (ABAQUS, LS-DYNA, ANSYS, Comsol), позволяет повысить точность прогноза момента разрушения конструкции и сократить затраты на экспериментальное сопровождение практического внедрения разработки.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала использовался Al-6101 в виде цилиндрических образцов с различными диаметрами поперечного сечения. Часть исходных заготовок (крупнозернистый (КЗ) сплав) была подвергнута отжигу при температуре 550°С в течение двух часов и последующей закалке в воду комнатной температуры; после закалки они подвергались естественному старению (ЕС) в течение шести суток. Другая часть также подвергалась отжигу при температуре 550°С в течение двух часов и дальнейшему отжигу в течение 12 ч при температуре 170°С с последующей закалкой водой комнатной температуры – образцы с искусственным старением (ИС). Для получения ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры часть заготовок была обработана ИПД-методом равноканального углового прессования по схеме Конформ (РКУП-К) [2].
Из КЗ- и УМЗ-заготовок были изготовлены одинаковые образцы с цилиндрической рабочей частью диаметром 5,0 и 2,8 мм (на 5-мм диаметре сделана дополнительная выточка) и высотой 34 мм. Использование в работе образцов разной геометрической формы было обусловлено необходимостью увидеть влияние геометрии на прочность и пластичность материала. Подробно эксперимент и полученные данные представлены в работе [5].
Механические испытания образцов на одноосное растяжение проводили на испытательной машине Shimadzu AG-50kNX. Растяжение образцов проводили при комнатной температуре с постоянной скоростью деформации 1,4 · 10–4с–1. Растяжение проводилось до разрушения образцов. Поверхность образцов в долевом сечении исследовалась с помощью электронного микроскопа.
В основе методики расчета критических напряжений лежит статья [1]. Рассматриваем статическое нагружение при комнатной температуре и постоянной скорости растяжения. Самым широко используемым критерием является критическое значение напряжения на поверхности раздела металлическая матрица / частица (рис.1).
Расчет критического значения напряжения σr на поверхности раздела металлическая матрица / частица был впервые проведен группой Argon, Im и Needleman в [1], где критерий порообразования для стержней из крупнозернистой стали и меди с выточкой представлен как:
σm + σeq ≥ qr, (1)
где – гидростатическое напряжение, – эквивалентное напряжение, где σ1, σ2, σ3 – главные значения напряжений. Расчет для Al-6101 был проведен при использовании данного критерия.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Был произведен расчет распределения трехосных (сумма эквивалентных и гидростатических) напряжений, полученных с помощью пакета ANSYS 19.0. Расчет проведен согласно данным с видеоэкстензометра и испытательной машины для каждой геометрии КЗ всех типов старения и УМЗ-образцов.
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ распределения трехосных напряжений с учетом различия геометрий показывает, что выточка приводит к локализации значений напряжения в участке поперечного сечения, имеющего минимальный диаметр, при этом характер распределения трехосных напряжений зависит от геометрии выточки. Минимальные значения трехосных напряжений (220 МПа) относятся к КЗ-образцу ЕС (диаметром поперечного сечения 5 мм), в то время как максимальные значения трехосных напряжений (385 МПа) достигнуты в УМЗ-образце.
На прочность и пластичность материала влияет геометрия исследуемых образцов: образцы с более узкой рабочей частью оказываются наименее пластичными, но показывают более высокую прочность. На прочность и пластичность также влияет структура материала: при уменьшении размера зерна увеличивается прочность.
ВЫВОДЫ
Применение модели Argon и результаты теоретического исследования распределения трехосных напряжений в образцах в ходе испытаний позволили определить критические напряжения при возникновении пор для двух исследуемых состояний: σr ≈ 220 МПа для КЗ ЕС и σr ≈ 330 МПа для КЗ ИС. Качественный анализ экспериментальных и теоретических результатов позволяет предположить, что величина критического напряжения при образовании пор в УМЗ-материале имеет более высокие значения.
Авторы выражают благодарность гранту РНФ (№ 17-19-01311) и проекту СПбГУ Мероприятие 3 (id: 26130576).
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Argon A.S., Im J., Needleman A. Distribution of plastic strain and negative pressure in necked steel and copper bars. Metallurgical Transactions 824-volume 6A, April 1975.
Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.
Murashkin M.Yu., Sabirov I., Sauvage X., Valiev R.Z. Nanostructured Al and Cu alloys with superior strength and electrical conductivity // J. Mater. Sci. (2016) 51, 33–49.
Murashkin M., Medvedev A., Kazykhanov V., Krokhin A., Raab G., Enikeev N. and Valiev R.Z. Enhanced Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Ultrafine-Grained Al 6101 Alloy Processed via ECAP-Conform // Metals (2015) 5, 2148–2164.
Magomedova D.K., Gunderov D.V. and Efimov M.A. Mechanical behavior of coarse- and fine-grained Al-6101 samples of different geometry under tension IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 672 (2019).
Magomedova D.K. and Murashkin M.Yu. Influence of grain size and second phase particles on the process of void initiation IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 991 (2018).
Magomedova D.K., Murashkin M.Yu., Efimov M.A. Technique development for conducting mechanical tests to study the pore formation process in case of material fracture. AIP Conference Proceedings (1959), 2018.
Отзывы читателей
