Ползучесть материалов в специальных конструкциях

Введение

В элементах специальных контейнеров при транспортировке опасных грузов под воз­действием нагрузок и температур, изменяю­щихся во времени, у конструкционных материалов можно обнаружить новое свойство - ползучесть. Явление ползучести зависит от множества факторов, как внешних, так и вну­тренних (старение материала, размер зерна). Как известно, ползучесть материалов описы­вает кривая ползучести, которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянной температуре и приложенной нагрузке (или напряжении). Зависимость де­формации ползучести от времени имеет не­линейный характер и в значительной степени определяется приложенной нагрузкой. Вре­мя действия нагрузки исчисляется от долей секунды до нескольких лет. Механические свойства материалов в зависимости от указан­ных обстоятельств проявляются по-разному. Возникновение деформаций ползучести в специальных контейнерах может привести к нарушению конструкторской схемы изделия. Исследование характеристик ползучести ма­териалов для обоснования прочности и на­дежности специальных конструкций является актуальным.

Постановка задачи

Обобщающий анализ свойств материалов с учетом времени действия нагрузки и темпера­туры очень сложен и не всегда его можно уло­жить в экспериментально полученные данные. Из-за изгибного характера деформирования материалов внутри специального контейнера при испытаниях на ползучесть необходимо использовать аналогичные схемы нагружения образцов из исследуемого материала.

В настоящей работе на основе численного метода рассмотрено поведение материалов при комнатной температуре и низких уров­нях нагружения. Верификация предложенной методики выполнена на основе экспериментов на образцах из инертных материалов.

В ходе экспериментальной работы ис­следованы образцы из инертных материалов, проведены испытания на изгиб с определени­ем разрушающей нагрузки F_р и исследованы характеристики ползучести материала при по­стоянной нагрузке в интервале 0,1-0,6 от зна­чения разрушающей нагрузки F_р.

Экспериментальное исследование образцов из инертных материалов на изгиб и ползучесть

Для верификации результатов численных расчетов проведены исследования на изгиб и ползучесть. Для отработки нагружения ис­пользованы образцы из алюминиевого спла­ва Д16 ГОСТ 4784-97 (далее - сплав Д16) и меди М1 ГОСТ 859-2001 (далее - медь М1).

Выбор и обоснование характеристик ма­териалов при исследовании на изгиб осущест­влен в соответствии с ГОСТ 14019-2003 [1].

Согласно ГОСТ 14019-2003 при испы­тании образцов на изгиб использовано изги­бающее устройство с тисками (рис. 1). После проведения предварительного численного рас­чета были определены форма и размеры об­разца: длина - 55 мм, толщина - 2 мм, шири­на - 10 мм с прямоугольным сечением. Такая форма более удобна для проведения измерений перемещений, деформаций образца.

Исследуемые образцы закреплены с по­мощью оправки и тисков. Материал оправки, тисков и пуансона - сталь Х12М по ГОСТ 5950-73. К тискам применена поджимающая сила F₁ (ее уровень в ГОСТ 14019-2003 не регламентирован), к пуансону - нагрузка F_н.

Исследуемый образец доведен до разрушения. Скорость нагружения образцов ≈1 мм/мин. В ходе исследований было проведено измерение прогиба исследуемых образцов и разрушаю­щей нагрузки F_p

Для проведения экспериментальных ис­следований на ползучесть была разработана оснастка (рис. 2). Ее конструкция позволяет нагружать статической силой исследуемый об­разец из инертного материала. Уровень воздей­ствующей на образец нагрузки определяет мас­са груза, входящего в состав оснастки. Образец нагружают с помощью пуансона, конструкция которого позволяет передавать нагрузку от со­ставного груза к образцу. Усилие распределяют с помощью резьбовых шпилек, вкрученных в тело пуансона и опоры грузов.

Численное исследование образцов из инертных материалов на изгиб и ползучесть

Численные расчеты на образцах из инертных материалов проведем в последовательности, аналогичной опытам:

• расчет на изгиб образца по опреде­лению уровня нагрузки F_p, при которой до­стигается предельное значение деформаций в исследуемом образце (для выбора уровней нагружения при расчетах на ползучесть);
• расчеты на ползучесть при постоян­ном усилии на образец в интервале значений 0,3F_p - 0,5F_p с выдержкой по времени.

По результатам численных расчетов построим зависимости изменения прогиба образцов, нагруженных постоянной силой, от времени проведения испытания, а также зависимость изменения деформации от времени.

Численный расчет проведен по прог­рамме конечно-элементного анализа в нели­нейной упругопластической постановке с ис­пользованием двухмерной симметричной модели. Расчетная симметричная конечно­элементная модель схемы нагружения образцов из инертных материалов на изгиб и ползучесть представлена на рис. 3.

Узлы, попадающие в плоскость симме­трии, имеют соответствующие ограничения по перемещениям по оси OY. Узлы, лежащие в основании оправки, жестко закреплены во всех направлениях. Узлы, находящиеся на тор­це оснастки, ограничены по оси ОХ.

Взаимодействие между элементами сбор­ки «образец - оснастка» и «образец - пуан­сон» задано контактными элементами. Коэф­фициент трения для контактирующих деталей принят равным 0,3 [2]. В численных расче­тах осевое усилие F_u равномерно приложено к верхней плоской поверхности пуансона. В расчет принимали значения физико-механи­ческих свойств материалов [3, 4], представлен­ные в табл. 1.

В [4] были проведены исследования ползучести материалов (меди М1 и сплава Д16) при комнатной температуре и уровнях нагружения, соответствующих 0,7-1,1 σ0,2.

Экспериментальные значения скорости ползучести для исследованных материалов в зависимости от напряжения представлены в табл. 2.

Проведена аппроксимация данных (см. табл. 2) и построены степенные зависи­мости скорости ползучести материалов от на­пряжения (рис. 4).

Значения физико-механических свойств материалов, представленные в табл. 1, и степенные законы ползучести для каждого ис­следуемого материала (см. рис. 4) используют в численных расчетах на ползучесть.

Результаты и анализ численного исследования

Для определения критической нагрузки F_р проведены численные исследования образцов из инертных материалов на изгиб при комнат­ной температуре Т_к. В расчетах в качестве критерия прочности образцов принимали до­стижение деформациями предельного значе­ния, равного относительному удлинению ма­териала в испытаниях на растяжение [5].

На рис. 5 представлен характер распреде­ления напряжений и деформаций в образце из меди М1 при нагружении силой F_li. Результаты приведены на момент действия нагрузки, при которой деформации в исследуемом образце достигают предельного значения.

Как видно из рис. 5, максимальные на­пряжения и деформации при нагружении об­разца из меди М1 локализованы на нижней по­верхности образца под пуансоном (точка 1) и в области заделки (точка 2). При нагружении об­разца из сплава Д16 проявляется аналогичный вид напряженно-деформированного состоя­ния (НДС), различаются уровни напряжений и деформаций. Результаты расчетов НДС для точек 1 и 2 исследуемых образцов представ­лены в табл. 3.

Из табл. 3 следует, что наибольшая вели­чина напряжений и деформаций при нагруже­нии образцов проявляется на нижней поверх­ности образца под пуансоном (точка 1).

Будем считать, что разрушение иссле­дуемого образца должно произойти в точке 1.

На рис. 6 приведены графики зависимо­сти деформаций в точке 1 от уровня приложен­ной нагрузки при исследованияхна изгиб, на рис. 7 - графики зависимости прогибов в точке 1 от уровня приложенной нагрузки.

Численные расчеты показывают, что до­стижение уровня предельной деформации в образце из меди М1 происходит при нагруз­ке F_p ≈ 1200 Н, в образце из сплава Д16 - при нагрузке F_p ≈ 1500 Н. Проведенные числен­ные расчеты позволяют дать предварительную оценку величин прогибов и НДС в исследуе­мых образцах во всем диапазоне изменения усилий вплоть до критических нагрузок.

При исследовании на ползучесть НДС образцов рассматривали при комнатной тем­пературе Т_к и уровнях нагрузки 0,3,F_p - 0,5F_p, с выдержкой по времени в течение 96 ч. Расчетная схема аналогична использованной в ис­следовании образцов из инертного материала на статический изгиб.

На рис. 8 показаны распределения напря­жений и деформаций ползучести в образце из меди М1 для уровня нагружения 0,5Fj, (600 Н) с выдержкой в течение 96 ч при комнатной температуре.

Как следует из рис. 8, максимальные на­пряжения и деформации ползучести в образ­це из меди М1 локализованы на нижней по­верхности образца под пуансоном (точка 1) и в области заделки (точки 2). Данные по рас­четным параметрам, полученные в точках 1 и 2 исследуемых образцов для разных уровней нагрузки, представлены в табл. 4.

Как видно из табл. 4, наибольшая величи­на напряжений и деформаций ползучести при нагружении образца из меди М1 проявляется на нижней поверхности образца под пуансоном (точка 1). При различных уровнях прикладыва­емой нагрузки (от 0,3F_p, до 0,5F_p) у разных ма­териалов характер распределения напряжений и деформаций ползучести существенно не ме­няется, изменился только их уровень.

На рис. 9 приведены графики зависимо­сти деформации ползучести в исследуемых образцах в точке 1 (см. рис. 8) от времени про­ведения испытаний при различных уровнях нагружения.

Графики зависимости прогибов в образ­цах в точке 1 (см. рис. 8) от времени проведе­ния испытания при различных уровнях нагру­жения представлены на рис. 10.

Прогибы при действующем в течение 96 ч усилии, равном 0,3F_p - 0,5F_p, составляют: образца из меди М1 - от 2,0 до 3,3 мм, образца из сплава Д16 - от 1,7 до 2,9 мм соответственно.

Заключение

Численные расчеты образцов из инертных материалов на ползучесть показали, что изме­нение уровня нагрузки на 20 % влияет на ско­рость ползучести материала. Максимальные значения напряжений и деформаций локали­зованы на нижней поверхности исследуемого образца под пуансоном. Вид распределения деформаций и напряжений при различных уровнях прикладываемой нагрузки (от 0,3F_p до 0,5F_p) у разных исследуемых материалов (медь М1 и сплав Д16) существенно не изме­нился, т. е. области локализации максималь­ных деформаций и напряжений в исследуе­мых образцах не сместились, изменился толь­ко их уровень.

Проведенные численные расчеты на об­разцах из инертных материалов дают ожи­даемые уровни нагрузок при исследованиях на ползучесть при длительном нагружении и на изгиб при кратковременном нагружении, величины перемещений, деформаций и вре­мени проведения испытаний в эксперимен­тах. В дальнейшем будут рассмотрены другие материалы и в соответствии с требованиями МАГАТЭ иные диапазоны эксплуатационных температур.