Оценка влияния надреза на поведение металлов при разрушении при растяжении

В процессе выплавки и формовки металлических материалов неизбежно образуются внутренние дефекты, такие как включения и сегрегация, которые могут привести к нарушению внутренней структуры.

Кроме того, форма ступеней пазов, позиционных отверстий, кромок и углов в механических компонентах и оборудовании также может влиять на целостность структуры внешней поверхности деталей.

Структурные разрывы могут приводить к концентрации напряжений в локальных местах деталей в процессе эксплуатации. Такие структуры часто считаются "выемками" в машиностроении.

Эти надрезы вызывают концентрацию напряжений в материалах и изменяют напряженное и деформированное состояние корня надреза. Например, при растяжении напряженное состояние в корне надреза меняется с однонаправленного растяжения на двунаправленное или трехнаправленное, а пластическая деформация вблизи вершины надреза существенно ограничивается.

Влияние надрезов на поведение материалов при разрушении различно из-за различий в пластичности материалов. Однако лишь немногие ученые непосредственно сравнивают поведение при разрушении образцов с надрезом из различных пластичных металлических материалов.

Таким образом, исследователи провели испытания на растяжение трех различных пластиковых металлические материалы сравнить прочность на растяжение и морфологию разрушения образцов с надрезами. Цель данного исследования - понять влияние надрезов на прочность при растяжении и разрушение различных пластических материалов.

1. Метод испытания

В испытании использовались три виды металла Материалы, а именно сталь 10CrNi3MoV, алюминиевый сплав 5083 и ковкий чугун 500-7, каждый из которых имеет различные уровни пластичности.

В соответствии с техническими требованиями, изложенными в разделе "Метод испытания при комнатной температуре". Металлические материалы Испытания на растяжение, часть 1 (GB/T 228.1-2010), R4 цилиндрические образцы для испытаний на растяжение были обработаны, и в центре параллельного участка каждого образца был сделан V-образный надрез.

Угол надреза составлял 60°, радиус вершины надреза - 0,1 мм, диаметр корня D надреза - 6 мм, 8 мм или 10 мм (с соответствующей глубиной надреза 2 мм, 1 мм и 0 мм, соответственно, и гладким образцом без надреза).

Форму и размеры образца для растяжения см. на рис. 1.

Рис. 1 Форма и размер образца на растяжение

Для проведения испытания на растяжение использовалась электронная универсальная испытательная машина со скоростью 1 мм/мин. В таблице 1 приведены результаты испытаний на растяжение гладких образцов трех материалов.

Из таблицы видно, что существует значительная разница в удлинении после разрушения A трех материалов. В частности, удлинение после разрушения стали 10CrNi3MoV больше, чем у алюминиевого сплава 5083 и ковкого чугуна 500-7.

В таблице 2 представлены данные по пределу прочности при растяжении гладких и надрезанных образцов из трех материалов. Из таблицы видно, что прочность на растяжение образцов с насечками из стали 10CrNi3MoV и алюминиевого сплава 5083 выше, чем у гладких образцов, а прочность на растяжение образцов с насечками из ковкого чугуна 500-7 ниже, чем у гладких образцов.

Таблица 1 Свойства при растяжении гладких образцов из трех материалов

Таблица 2 Прочность на растяжение гладких образцов и образцов с надрезом из трех материалов

2. Результаты испытаний

2.1 Прочность на разрыв

На рис. 2 показаны кривые глубины надреза при растяжении для трех различных материалов.

Как показано на рис. 2, прочность на разрыв стали 10CrNi3MoV и алюминиевого сплава 5083 увеличивается с увеличением глубины надреза.

В частности, увеличение в стали 10CrNi3MoV больше, чем в алюминиевом сплаве 5083.

Например, при глубине надреза 2 мм прочность на разрыв первого образца в 1,74 раза выше, чем у гладкого, а второго - в 1,31 раза.

Однако для ковкого чугуна 500-7 зависимость между прочностью на растяжение и глубиной надреза противоположна зависимости для стали 10CrNi3MoV и алюминиевого сплава 5083.

Другими словами, прочность на разрыв уменьшается с увеличением глубины надреза.

При глубине надреза 2 мм прочность на разрыв в 0,92 раза выше, чем у гладкого образца.

Рис. 2 Кривая зависимости между прочностью на растяжение и глубиной надреза для различных пластичных металлических образцов

2.2 Морфология излома

На рисунке 3 показана макроморфология поверхностей разрушения как гладких образцов из стали 10CrNi3MoV, так и образцов с насечками различной глубины.

Как показано на рисунке, поверхность излома гладкого образца имеет типичную форму чашеобразного конуса. Этот образец также демонстрирует хорошую пластичность с удлинением после разрушения 27,5% и уменьшением площади 78,1%.

Напротив, в образце с надрезом наблюдалось утолщение, и уменьшение площади составило 33% для образца с глубиной надреза 2 мм.

Рис. 3 Макроморфология гладких образцов и образцов с надрезом из стали 10CrNi3MoV

С увеличением глубины надреза площадь сдвиговой кромки у края излома постепенно уменьшается, а площадь центрального волокна постепенно увеличивается.

При глубине надреза 2 мм на центральную область волокна приходится 90% от общей площади, как показано на рис. 4a.

На рис. 4b показана СЭМ-морфология области, указанной стрелкой на рис. 4a.

На рисунке видно, что область волокон в сердцевине образца имеет ямочный характер разрушения с типичными характеристиками разрушения при растяжении. Это указывает на то, что начальное положение образца при растяжении находится в центральной части образца.

Рис. 4 СЭМ-морфология поверхности разрушения образца с глубиной надреза 2 мм из стали 10CrNi3MoV

На рисунках 5 и 6 представлены макро- и СЭМ-морфология поверхностей разрушения образцов алюминиевого сплава 5083, включая гладкие и с насечками образцы.

Поверхности разрушения гладких образцов демонстрируют типичные характеристики разрушения при сдвиге под углом 45°, с некоторой осевой деформацией и шейкой. Удлинение после разрушения составляет 16,4%, а уменьшение площади - 21,7%, как показано на рис. 5a.

Нагрузка на разрушение образца с надрезом глубиной 1 мм составляет 20,00 кН, что на 13,74 кН выше нагрузки текучести гладкого образца, что свидетельствует о явной пластической деформации на поверхности разрушения.

Поверхность разрушения зубчатая и имеет определенную направленность, а зарождение трещины происходит в краевой выемке. В основной части вблизи места зарождения трещины наблюдается разрушение волокон, а зубчатая область состоит из разрушения волокон и сдвигового разрушения под углом 45°, как показано на рис. 5b и рис. 6a.

Кроме того, как показано на рис. 6b и рис. 6c, видны четкие зоны разрушения при сдвиге и зоны волокон с нормальными характеристиками разрушения при растяжении.

В случае образца с надрезом глубиной 2 мм его разрушающая нагрузка составляет 12,83 кН, что ниже предела текучести гладкого образца. Уменьшение площади практически равно 0, а поверхность разрушения в основном волокнистая, как показано на рис. 5c, рис. 6d и рис. 6e. Только на краях видны явные участки разрушения при сдвиге, как показано на рис. 6e.

Рис. 5 Макроморфология гладкого образца и образца с надрезом из алюминиевого сплава 5083

Рис. 6 РЭМ-морфология образца с надрезом из алюминиевого сплава 5083

На рис. 7 показана макроморфология гладкого и надрезанного образцов из ковкого чугуна 500-7, а также SEM-морфология излома гладкого образца.

В гладком образце наблюдается определенная пластическая деформация без явного утолщения, с уменьшением площади на 7,4%, как показано на рис. 7a);

Образец с надрезом, напротив, практически не уменьшает площадь и не подвергается пластической деформации, как показано на рис. 7b) и рис. 7c);

Нет существенной разницы между поверхностями разрушения гладких образцов и образцов с насечками, в обоих случаях наблюдается расщепление, свидетельствующее о хрупком разрушении.

Рис. 7d) иллюстрирует морфологию расщепления гладких образцов.

Рис. 7 Макроморфология и РЭМ-морфология разрушения образца из ковкого чугуна 500-7 при растяжении

3. Анализ и обсуждение

Наличие надреза приводит к тому, что однородное одноосное напряженное состояние трансформируется в неоднородное трехосное напряженное состояние в процессе растяжения, что приводит к очевидной концентрации напряжений в корне надреза. Насечка также ограничивает кончик и ограничивает деформацию кончика насечки.

Из-за разной пластичности материалов надрезы могут вызывать различную степень концентрации напряжений и связывания в течение всего процесса пластической деформации, что приводит к различному влиянию на прочность при растяжении различных материалов.

Сталь 10CrNi3MoV обладает хорошей пластичностью, а гладкий образец для растяжения имеет хорошую способность к боковой и осевой деформации. Хотя образцы с надрезом испытывают эффект связывания надреза, в процессе растяжения все же происходит некоторая пластическая деформация, которая может смягчить концентрацию напряжений, вызванную надрезом.

Место зарождения трещины для образцов на растяжение с различной глубиной надреза находится в центре образца, где имеется большая зона волокон, проявляющая нормальные характеристики разрушения при растяжении с ямочным изломом. Когда осевое напряжение в центре превышает сопротивление нормальному разрушению при растяжении самого материала, образец трескается. Из-за ограничения надреза тангенциальная пластическая деформация вносит меньший вклад в снятие напряжения, и уровень напряжения во всей плоскости разрушения очень высок, когда происходит разрушение.

В процессе зарождения трещины и ее расширения наружу вся трещина представляет собой ямочное разрушение, вызванное превышением нормального сопротивления разрушению при растяжении, с небольшим количеством сдвиговых губ на краю, что характеризует тангенциальное разрушение.

Поверхность разрушения гладкого образца из алюминиевого сплава 5083 представляет собой типичную трещину сдвига под углом 45° с некоторой осевой деформацией и выемкой. Когда надрез образца составляет 1 мм, место зарождения трещины находится на краю образца.

Во время испытания на растяжение, если напряжение превышает предел текучести, вблизи надреза образца начинается деформация сдвига под углом 45°, и трещина продолжает сжиматься во время испытания. Деформация сдвига будет происходить по всему сечению надреза в направлении 45°, что приведет к снятию напряжения в месте, где происходит деформация сдвига.

Однако из-за концентрации напряжений вблизи вершины надреза и невозможности создать большой объем деформации сдвига осевое напряжение постепенно увеличивается.

Когда нагрузка на кромку надреза превышает сопротивление разрушению, происходит локальное нормальное разрушение при растяжении от кромки, и осевое напряжение передается на весь излом.

В процессе распространения трещины образец повреждается вдоль части, подвергшейся сдвиговой деформации под углом 45°, образуя зубчатую трещину.

Для образца с надрезом 2 мм место зарождения трещины находится на стыке пластической и упругой деформации участка надреза.

Поскольку напряжение в момент разрушения образца с надрезом не превышает предела текучести, образец не испытывает большой деформации в направлении сдвига под углом 45°.

Когда напряжение в корне надреза превышает предел текучести образца, возникает небольшая пластическая деформация из-за концентрации напряжений.

Однако из-за эффекта связывания надреза и особенностей движения системы скольжения алюминиевого сплава образец не может претерпеть значительную пластическую деформацию в радиальном направлении, а зона пластической деформации не может распространиться на центр образца. В результате максимальное усилие возникает на стыке зоны пластической деформации и зоны упругой деформации.

Если максимальное усилие превышает сопротивление материала разрушению, то при максимальном усилии происходит разрушение при нормальном растяжении, которое затем распространяется на весь участок надреза. Поверхность разрушения имеет форму ямки с характеристиками разрушения при нормальном растяжении.

С другой стороны, поверхность разрушения гладкого образца из ковкого чугуна 500-7 выглядит плоской, перпендикулярной направлению напряжения, и имеет четкие характеристики хрупкости. Гладкий образец испытывает определенные осевые и радиальные деформации в процессе растяжения, что является результатом максимального напряжения сдвига.

Образцы с надрезом создают концентрацию напряжения на краю, и напряжение при растяжении раньше достигает предела прочности, в результате чего образец начинает трескаться и быстро распространяется на все сечение.

Из-за связующего состояния надреза и склонности материала к хрупкости способность образца снимать концентрацию напряжений вблизи надреза путем пластической деформации невелика. Поэтому нормальное напряжение образца от надреза к центру будет значительно отличаться.

Как правило, разрывы формы приводят к концентрации напряжений.

В хрупких материалах концентрация напряжений может вызвать преждевременное разрушение образца, что приведет к снижению прочности.

С увеличением глубины надреза концентрация напряжений в корне становится выше, что приводит к более раннему разрушению образца и снижению прочности на растяжение.

Однако пластичный материал на вершине надреза может снять концентрацию напряжений, подвергаясь определенной степени пластической деформации и перераспределяя напряжение по сечению надреза.

На основе третьего теория прочностиМаксимальное напряжение сдвига является основным фактором, приводящим к пластической деформации и разрушению материалов, в то время как нормальное напряжение намного меньше максимального нормального напряжения, которое может вызвать разрушение материала.

В образцах с надрезом связующее состояние ограничивает деформацию материала вдоль направления максимального напряжения сдвига, что приводит к изменению режима разрушения с резания на вытягивание и, как следствие, к увеличению предела прочности при растяжении.

Для материалов с лучшей пластичностью пластическая деформация может привести к более равномерному распределению напряжения по всему надрезу, и участок, на котором расположен надрез, становится ближе к теоретическому пределу прочности материала на разрыв, что приводит к более значительному увеличению прочности на разрыв.

Предел прочности при растяжении образца с надрезом из стали 10CrNi3MoV значительно выше, чем у гладкого образца. Однако если пластичность недостаточна или связывание надреза значительное, и деформация не может распространиться к центру, то участок надреза может быть разрушен на стыке упругой и пластической деформации.

Часть межфазных сил остается в упругой зоне до разрушения. В результате прочность на растяжение образца с надрезом из алюминиевого сплава 5083 выше, чем у гладкого образца, но увеличение меньше, чем у стали 10CrNi3MoV.

Кроме того, чем глубже надрез, тем меньше пластическая деформация, которая может позволить сердцевине образца достичь теоретической прочности на растяжение. Следовательно, прочность вблизи надреза снижается меньше, что приводит к увеличению предела прочности образца с надрезом.

4. Заключение

(1) Насечка приводит к концентрации напряжений в материалах, находящихся под нагрузкой.

В материалах, обладающих хорошей пластичностью, концентрация напряжений в сечении надреза может быть снята путем пластической деформации вершины надреза. Этот процесс помогает равномерно распределить напряжение без ущерба для прочности материала.

Однако для хрупких материалов вершина надреза имеет ограниченную способность к пластической деформации, что затрудняет эффективное ослабление концентрации напряжений. В результате концентрация напряжений может привести к локальному разрушению материала, которое затем может распространиться по всему сечению, что в конечном итоге приведет к снижению общей прочности материала.

(2) Насечка изменяет напряженное состояние и режим разрушения пластичных материалов во время деформации.

Напряжение разрушения пластичных материалов изменяется от напряжения сдвига к нормальному напряжению, что приводит к изменению режима разрушения от сдвигового разрушения к осевому нормальному разрушению при растяжении. Это означает, что надрезы обычно увеличивают растяжение прочность материаловЧем выше пластичность, тем больше доля нормального разрушения при растяжении и тем заметнее увеличение прочности при растяжении.

Однако для хрупких материалов эффект концентрации напряжений в надрезе приводит к значительному градиенту нормального напряжения от корня надреза к центру образца при разрушении. В результате микротрещина первоначально образуется в корне надреза и быстро распространяется к центру, что приводит к снижению прочности на растяжение без изменения режима разрушения.