книги / 830
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
ВЕСТНИК ПНИПУ
МЕХАНИКА
PNRPU
M E C H A N I C S B U L L E T I N
№ 2
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2013
УДК 620.1 В38
Освещены актуальные проблемы экспериментального исследования механических свойств материалов: металлов, полимеров, композитов и горных пород. Рассмотрены вопросы экспериментальной механики разрушения, моделирования процессов деформирования и разрушения материалов при квазистатических, циклических и динамических нагружениях.
Предназначено для научных сотрудников, специализирующихся в области механики деформируемого твердого тела и материаловедения.
Редакционная коллегия: |
А.А. Ташкинов– профессор, д-рфиз.-мат. наук |
Главный редактор |
|
Заместители |
В.Э. Вильдеман– профессор, д-рфиз.-мат. наук |
главногоредактора |
Ю.В. Соколкин– профессор, д-р физ.-мат. наук |
|
П.В. Трусов – профессор, д-р физ.-мат. наук |
|
Н.А. Труфанов – профессор, д-р техн. наук |
Членыредколлегии |
Х. Альтенбах – профессор, д-р наук (Галле, Германия) |
|
Б.Д. Аннин– академикРАН, д-р физ.-мат. наук(Новосибирск, |
|
Россия) |
|
А.К. Беляев – профессор, д-р физ.-мат. наук(Санкт-Петербург, |
|
Россия) |
|
Р.А. Васин – профессор, д-р физ.-мат. наук (Москва, Россия) |
|
А.Г. Князева – профессор, д-р физ.-мат. наук (Томск, Россия) |
|
М. Курода – профессор, д-р наук (Ямагата, Япония) |
|
Я. Краточвил – профессор, д-р наук (Прага, Чешская |
|
республика) |
|
Р.Е. Лаповок – профессор, д-р наук (Клайтон, Австралия) |
|
А.М. Липанов– академик РАН, д-ртехн. наук(Ижевск, Россия) |
|
Е.В. Ломакин – чл.-корр. РАН, д-р физ.-мат. наук (Москва, |
|
Россия) |
|
С.А. Лурье – профессор, д-р техн. наук (Москва, Россия) |
|
В.П. Матвеенко – академик РАН, д-р техн. наук (Пермь, |
|
Россия) |
|
Е.А. Митюшов– профессор, д-рфиз.-мат. наук(Екатеринбург, |
|
Россия) |
|
Б.Е. Победря– профессор, д-рфиз.-мат. наук(Москва, Россия) |
|
В.П. Радченко– профессор, д-р физ.-мат. наук(Самара, Россия) |
|
С.Б. Сапожников – профессор, д-р техн. наук (Челябинск, |
|
Россия) |
|
Н.Г. Чаусов – профессор, д-р техн. наук (Киев, Украина) |
|
С. Форест – профессор, д-р наук (Эври, Франция) |
Редакция:
Ответственный секретарь – канд. физ.-мат. наук П.С. Волегов Ответственный за выпуск – А.В. Ипатова
© ПНИПУ, 2013
СОДЕРЖАНИЕ
Бажуков П.С., Вильдеман В.Э., Ильиных А.В., Третьяков М.П. |
|
Влияние жесткости нагружающей системы на равновесный |
|
рост трещин при квазистатическом нагружении.......................................... |
7 |
Банников М.В., Федорова А.Ю., Терехина А.И., Плехов О.А. |
|
Экспериментальное исследование фрактальных закономерностей |
|
роста усталостной трещины и диссипации энергии в ее вершине .......... |
21 |
Березин И.М. |
|
Создание экспериментальной установки для гидростатического |
|
сжатия пористых материалов...................................................................... |
37 |
Блехман Л.И. |
|
Вибрационное взвешивание твердых тел в жидкости |
|
и сыпучей среде............................................................................................ |
52 |
Гаришин О.К., Морозов И.А., Шадрин В.В. |
|
Экспериментальные исследования полимер-силикатных |
|
нанокомпозитов с помощью атомно-силового микроскопа....................... |
84 |
Лобанов Д.С., Темерова М.С. |
|
Особенности квазистатических испытаний нитей и тканей...................... |
96 |
Рычков Б.А., Комарцов Н.М., Лужанская Т.А. |
|
О пределах упругости и прочности горных пород.................................... |
110 |
Сафонов И.В., Третьяков М.П., Вильдеман В.Э. |
|
Экспериментальное исследование усталостной долговечности |
|
алюминиевого сплава при растяжении с кручением............................... |
124 |
Семенов Н.В., Труфанов А.Н., Труфанов Н.А. |
|
Остаточные напряжения в силовых стержнях для оптического |
|
волокна «Панда» с учетом технологических несовершенств |
|
формы легированной зоны ........................................................................ |
133 |
Словиков С.В. |
|
Совершенствование экспериментального метода исследования |
|
диссипативных и прочностных свойств полиуретана.............................. |
145 |
|
3 |
Соковиков М.А., Чудинов В.В., Уваров С.В., Плехов О.А., Ляпунова Е.А., |
|
Петрова А.Н., Баяндин Ю.В., Наймарк О.Б., Бродова И.Г. |
|
Неустойчивость пластического сдвига и локализация пластической |
|
деформации при динамическом нагружении как результат |
|
структурно-кинетических переходов в системе мезодефектов.............. |
154 |
Сьянов C.Л. |
|
Численное и экспериментальное исследование потерь напора |
|
в трубе переменного сечения.................................................................... |
176 |
Третьякова Т.В., Спаскова Е.М. |
|
Экспериментальное исследование предельных напряженно- |
|
деформированных состояний квазихрупкого материала |
|
с использованием метода корреляции цифровых изображений............ |
186 |
4
CONTENTS |
|
Bazhukov P.S., Vildeman V.E., Ilinyh A.V., Tretyakov M.P. |
|
Effect of stiffness loading system on the equilibrium of the crack growth |
|
under quasi-static loading................................................................................. |
7 |
Bannikov M.V., Fedorova A.Y., Terekhina A.I., Plekhov O.A. |
|
Experimental study of fractal properties of fatigue crack growth |
|
and energy dissipation in crack tip.................................................................. |
22 |
Berezin I.M. |
|
Development of experimental equipment for hydrostatic compression |
|
of porous materials ......................................................................................... |
38 |
Blekhman L.I. |
|
Oscillation-induced suspension of solids in fluid and loose media................. |
53 |
Garishin O.K., Morozov I.A., Shadrin V.V. |
|
Experimental studies of polymer-silicate nanocomposites using |
|
an atomic force microscope............................................................................ |
84 |
Lobanov D.S., Temerova M.S. |
|
Features of quasistatic tests of threads and fabrics ....................................... |
96 |
Rychkov B.A., Komartsov N.M., Luzhanskaya T.A. |
|
About elastic and strength limits of rocks ..................................................... |
110 |
Safonov I.V., Tretyakov M.P., Vildeman V.E. |
|
Experimental study of fatigue life of aluminum alloy in tension |
|
with torsion.................................................................................................... |
124 |
Semenov N.V., Trufanov A.N., Trufanov N.A. |
|
Residual stresses in preform of stress applying part for Panda type |
|
optical fiber with considering of technological imperfections of doping ....... |
133 |
Slovikov S.V. |
|
Improvement of the experimental method of research and the strength |
|
of the dissipative polyurethane ..................................................................... |
145 |
5
Sokovikov M.A., Chudinov V.V., Uvarov S.V., Plekhov O.A., Lyapunova E.A., |
|
Petrova A.N., Bayandin Y.V., Naimark O.B., Brodova I.G. |
|
Instability of plastic shear and plastic deformation localization caused |
|
by structural kinetic transitions in mezodefect ensembles under dynamic |
|
loading conditions ......................................................................................... |
155 |
Syanov S.L. |
|
Numerical and experimental research the pressure drop in a pipe |
|
of variable cross section ............................................................................... |
176 |
Tretyakova T.V., Spaskova E.M. |
|
Experimental study of limit stress-strain state quasi-brittle material |
|
using correlation techniques digital images .................................................. |
186 |
6
В Е С Т Н И К П Н И П У
2013 Механика № 2
УДК 620.172
П.С. Бажуков, В.Э. Вильдеман, А.В. Ильиных, М.П. Третьяков
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ НАГРУЖАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ НА РАВНОВЕСНЫЙ РОСТ ТРЕЩИН
ПРИ КВАЗИСТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
Рассматриваются вопросы экспериментального изучения поведения алюминиевого сплава Д16Т в зависимости от режимов нагружения и жесткости нагружающей системы. Показаны особенности роста трещины при кинематическом и силовом нагружении. Производилось одноосное нагружение плоских образцов с предварительно пророщенной усталостной трещиной и разной длиной рабочей части. Приведены диаграммы деформирования. Испытания выполнены на сервогидравлической испытательной машине Instron 8850, определены условный предел текучести и предел прочности для исследуемого материала. Для замера длины трещины использовал-
ся цифровой микроскоп Dino-Lite Dicital Microscope AM4013MTL Series. Показано существенное влияние жесткости нагружающей системы на механическое поведение алюминиевого сплава Д16Т при квазистатическом нагружении.
Ключевые слова: одноосное растяжение, плоские образцы с центральным надрезом, жесткость нагружающей системы, силовое и кинематическое нагружения.
P.S. Bazhukov, V.E. Vildeman, A.V. Ilinyh, M.P. Tretyakov
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
EFFECT OF STIFFNESS LOADING SYSTEM ON THE EQUILIBRIUM OF THE CRACK GROWTH
UNDER QUASI-STATIC LOADING
The problems of the experimental study of the behavior of aluminum alloy D16T, depending on the mode of loading and stiffness of the loading system. The features of the crack growth in the kinematic and force loading. Produced uniaxial loading of flat samples with pre-germinated fatigue crack and different length of the working part. Shows stress-strain diagram. Tests performed on the servohydraulic testing machine Instron 8850, identifies yield strength and ultimate strength of the material. To measure the crack length was used Digital Microscope Dino-Lite Dicital Microscope AM4013MTL Series. A significant effect of the rigidity of the loading system on the mechanical behavior of an aluminum alloy D16T under quasi-static loading.
Keywords: uniaxial stretching, flat samples with a central notch, toughness of loading system, the force and kinematic loading.
7
П.С. Бажуков, В.Э. Вильдеман, А.В. Ильиных, М.П. Третьяков
Для обеспечения живучести конструкций необходимо исследование закономерностей роста дефектов в них, в частности трещин. Экспериментальные исследования характеристик роста трещин в твердых телах связаны с рядом технических трудностей. Важные методологические особенности экспериментальной механики разрушения твердых тел отражены, в частности, в работах [1–4]. Важным представляется изучение влияния различных факторов на характер роста трещин, в частности на условия перехода от равновесного роста дефекта к динамическому разрушению. В данной работе рассматривается влияние режимов нагружения и нагружающей системы на равновесный рост трещин. Важность понятия «нагружающая система» с точки зрения исследования процессов деформирования и разрушения была отмечена в [5, 6]. При этом в ряде работ отмечена ключевая роль нагружающей системы в переходе от стадии равновесного накопления повреждений к неравновесной, лавинообразной стадии [7–10].
Сопротивление разрушению на закритической стадии деформирования, соответствующей ниспадающей ветви диаграммы деформирования, зависит от жесткости нагружающей системы [11]. Процессы структурного разрушения и трещинообразования отражаются на диаграмме деформирования, приводя к ее нелинейности, а на заключительной стадии являются причиной разупрочнения [12, 13].
Экспериментальные исследования зависимости предельных состояний от жесткости нагружающей системы, а также экспериментальные данные о механизмах развития трещин в частности, описаны в [14].
1.Особенности роста трещины при кинематическом
исиловом нагружениях
Для проведения испытаний по исследованию особенностей роста трещин выбран тип образцов в соответствии с ГОСТ 25.506–85 «Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении». Эскиз образца представлен на рис. 1.
Необходимо отметить, что для дальнейших испытаний длина рабочей части образца менялась. В испытаниях использовались образцы с рабочей частью 50,100, 150, 200 и 300 мм и, как следствие, менялась общая длина образца 130, 180, 230, 280 и 380 мм. Два отверстия диаметром 4 мм созданы в образцах с целью крепления навесных призм, на которые ставится датчик раскрытия трещины. Для определения
8
Влияние жесткости нагружающей системы на равновесный рост трещин
стартовой нагрузки при проращивании исходной усталостной трещины проведены испытания образцов на растяжение в соответствии с ГОСТ 1497–84 «Металлы. Методы испытаний на растяжения».
Рис. 1. Образец для испытаний на трещиностойкость с длиной рабочей части 50 мм
Испытания проведены на электромеханической системе INSTRON 5882. Эскиз образцов на растяжение представлен на рис. 2.
Рис. 2. Образец для испытаний на растяжение
9
П.С. Бажуков, В.Э. Вильдеман, А.В. Ильиных, М.П. Третьяков
Диаграмма деформирования представлена на рис. 3, где ε – деформация, определенная с использованием навесного экстензометра
INSTRON 2620-603.
Рис. 3. Диаграмма деформирования при испытании плоских образцов
Врезультате испытаний определены условный предел текучести
ипредел прочности для исследуемого материала: 393 МПа и 453 МПа соответственно. Половина условного предела текучести в соответствии с ГОСТ 25.506–85 определяет нагрузку для инициации роста исходной усталостной трещины. Проращивание трещины делилось на три этапа,
при переменном растяжении с коэффициентом асимметрии цикла R = 0,1. С каждым этапом коэффициент интенсивности напряжений уменьшался. Результаты испытаний серии с рабочей частью 100 мм приведены в таблице, где 2l0 – общая длина трещины, l0 R, l0 L – длины трещин с каждой стороны от концентратора.
ПророщенныетрещинысоответствуюттребованиямГОСТ25.506–85
и ASTM E647-05. Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates. В ГОСТе требования регламентируются следующим образом: разница между трещинами с одной и с другой стороны образца не более 10 % от длины наименьшей трещины. ASTM устанавливает следующие требования: измерения проводятся по осевой линии образца для двух трещин (для каждой трещины используется среднее по замерам с передней и с задней поверхности), и они не должны отличаться более чем на 0,025 W, где W = 50 мм, ширина образца. В соответствии со стандартами были замерены и углы отклонения усталостной трещины от осевой линии, линии симметрии образца, По требованиям ГОСТа угол не должен превышать 10° от горизон-
10