Устойчивость сжатых стержней в зависимости от повышения физико-механических свойств упрочненных конструкционных материалов

На правах рукописи

Клименко Владимир Иванович

УСТОЙЧИВОСТЬ СЖАТЫХ СТЕРЖНЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

УПРОЧНЕННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.23.17 – Строительная механика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель:	Доктор технических наук, профессор Кукса Лев Владимирович
Официальные оппоненты:	Доктор технических наук, доцент Харланов Владимир Леонтьевич, профессор кафедры «Строительные конструкции, основания и надежность сооружений» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»; Кандидат технических наук, доцент Белов Андрей Анатольевич, доцент кафедры «Сопротивление материалов» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО Тверской государственный технический университет (ТвГТУ), г. Тверь.

Защита состоится «17» декабря 2013 года в 10-00 часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.026.01 при ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан " " ноября 2013 г.

Ученый секретарь Пшеничкина

диссертационного совета Валерия Александровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Основной целью расчета сооружений является выполнение требований прочности, жесткости и устойчивости. Выполнение этих расчетов невозможно без наличия информации о материале конструкции и её элементов (физическая модель и т.д.).

Большинство материалов, применяемых для изготовления элементов конструкций и сооружений, работают в широком диапазоне нагрузок, деформаций, скоростей. Требования, предъявляемые к материалам обширны: элементы конструкций должны удовлетворять условиям прочности, жесткости, устойчивости, также необходимо обеспечить их надежную работу. Это обуславливает необходимость прогнозировать свойства материалов для выполнения предъявляемых к ним требований. Для получения заданных свойств материалов необходимо применять различные методы упрочнения.

Рассмотрение вопросов повышения прочностных свойств материалов приводит к необходимости изучения макро- и микромеханизма деформации материалов, а также установление микроособенностей и закономерностей деформации упрочненных материалов.

Настоящая работа посвящена исследованию устойчивости сжатых стержней в зависимости от повышения физико-механических свойств упрочненных конструкционных материалов.

Для обеспечения надежной работы конструкции при различных условиях нагружения недостаточно выполнения только условия прочности, необходимо также обеспечить выполнение условия устойчивости, как для отдельных элементов, так и для всей конструкции.

Проблема устойчивости элементов конструкций является одной из наиболее актуальных проблем строительной механики. Несущая способность конструкций, повышение их прочности, надежности, снижение материалоемкости во многих случаях определяются их устойчивостью. Гибкость элементов конструкций часто оказывается такой, что потеря устойчивости стержней, пластин и оболочек происходит за пределом упругости. Поэтому является важным рассмотрение вопросов устойчивости элементов конструкций при работе материала не только в упругой области, но и в упругопластической.

В основе современной концепции устойчивости, ее методологии лежит исследование процессов нагружения конструкций и их элементов, а также история нагружения. Процесс нагружения упругой и упругопластической системы считается неустойчивым, если сколь угодно малому продолжению этого процесса отвечает катастрофическое развитие перемещений и деформаций.

В настоящее время зависимость критического напряжения от гибкости , состоит из трех участков. При этом значения предела пропорциональности и физического предела текучести для сталей существенно отличаются друг от друга, в действительности для сталей, деформирующихся с образованием площадки текучести, имеет место равенство пределов пропорциональности, упругости и текучести.

Представляет большой интерес исследование устойчивости сжатых стержней с разной гибкостью после применения различных способов упрочнения конструкционных материалов.

Поэтому тема диссертации, направленной на повышение сопротивляемости потере устойчивости упрочненных сжатых стержней, является актуальной.

Цель диссертационной работы является исследование устойчивости упрочненных сжатых стержней после применения различных способов упрочнения, установление действительного вида зависимости критического напряжения от гибкости для упрочненных стержней.

Для достижения поставленной цели были в работе решены следующие задачи:

- разработка метода упрочнения стальных стержней с целью повышения сопротивляемости потере устойчивости на основе применения многократной механико-термической обработки (ММТО);

- разработка экспериментальной установки и методики деформирования сжимающей нагрузкой металлических образцов большой гибкости до больших степеней пластической деформации без потери устойчивости;

- сравнительные исследования физико-механических свойств стали в зависимости от количества циклов деформационного старения, а также после применения различных способов упрочнения;

- установление зависимости критического напряжения от гибкости стальных стержней после различных способов упрочнения в сравнении с неупрочненными стержнями.

Методы исследования. Поставленные задачи решались аналитическими методами устойчивости сжатых стержней, экспериментальными методами исследованиями и статистическими методами обработки полученных данных.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

- разработана экспериментальная установка для испытания на устойчивость, позволяющая производить сжатие образцов большой гибкости без потери устойчивости до степеней деформации, необходимых для упрочнения с помощью применения многократной механико-термической обработки с целью исключить влияние эффекта Баушингера и для упрочнения с помощью наклепа;

- разработан способ повышения сопротивляемости потере устойчивости сжатых стальных стержней на основе применения многократной механико-термической обработки;

- получены зависимости критического напряжения от гибкости для стальных стержней, упрочненных различным количеством циклов механико-термической обработки;

- исследованы механизмы деформации стальных образцов на площадке текучести, объясняющие упрочнение материала после проведения деформационного старения;

- проведено исследование изменения упругих свойств после пластического деформирования и после проведения деформационного старения;

- получены зависимости критического напряжения от гибкости для стальных стержней, упрочненных различными способами.

Практическое значение результатов исследований:

- разработанный способ упрочнения стали, может быть использован на практике для повышения сопротивляемости потере устойчивости сжатых стальных стержней и при разработке методов расчета на устойчивость с учетом физико-механических свойств упрочненных конструкционных материалов;

- разработанная экспериментальная установка для испытания на устойчивость, позволяет проводить сжатие металлических образцов большой гибкости до больших степеней деформации без потери устойчивости с целью упрочнения, а также позволяет значительно расширить варианты концевых и промежуточных закреплений стержня при испытаниях на устойчивость, что вносит вклад в развитие экспериментальных методов исследования сооружений и их элементов.

Достоверность основных полученных результатов подтверждается применением поверенных приборов и оборудования, планированием эксперимента, сравнением полученных результатов с теоретическими значениями.

Внедрение результатов исследований

Материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре «Сопротивление материалов» ВолгГАСУ при проведении практических и лабораторных занятий по курсу «Сопротивление материалов».

На защиту выносятся:

- принципиальная схема экспериментальной установки для испытания на устойчивость и методика испытания на сжатие металлических образцов большой гибкости без потери устойчивости на основе применения промежуточных закреплений;

- способ повышения сопротивляемости потере устойчивости стальных стержней на основе применения многократной механико-термической обработки;

- результаты исследования физико-механических свойств и установления особенностей деформирования упрочненных металлов на площадке текучести после применения многократной механико-термической обработки;

- сравнительные исследования устойчивости сжатых стальных стержней с целью выбора оптимального способа упрочнения для конкретных условий применения;

- зависимости критического напряжения от гибкости после различных способов упрочнения;

- определение уточненного коэффициента продольного изгиба для расчета упрочненных центрально-сжатых стержней на устойчивость.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XVI и XVII региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области «Архитектура, градостроительство и экологические проблемы» (Волгоград, 2011, 2012 г.г.); Международной научно-практической конференции «Строительство 2012» (Ростов-на-Дону, 2012 г.); научных конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (2011, 2012, 2013 г.г.); научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (2011, 2012, 2013 г.г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в список ВАК РФ, 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержание работы изложено на – 128 страницах текста, включая 45 рисунков, 11 таблиц, список литературных источников из 124 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований диссертационной работы, определены цели и основные задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен обзор исследований по установлению зависимости критического напряжения от гибкости. В современных курсах сопротивления материалов используется зависимость, состоящая их трех участков, а значения предела пропорциональности и предела текучести сильно отличаются между собой.

В действительности для металлов, в частности для стали, деформирующейся с образованием площадки текучести, значения предела пропорциональности , предела упругости и предела текучести одинаковы. На основании этого действительный вид зависимости критического напряжения от гибкости состоит из двух участков. Для стержней, работающих в упругой области, когда гибкость , критическое напряжение определяется по формуле Эйлера и зависит от модуля Юнга . Для стержней с гибкостью значение критического напряжения принимается равным пределу текучести. Поэтому, для участка с гибкостью для повышения значения критического напряжения и сопротивляемости потере устойчивости сжатых стальных стержней необходимо увеличить предел текучести .

Одним из способов повышения сопротивляемости потере устойчивости является применение концепции Ильюшина-Зубчанинова. В разгружающих системах можно осуществить искусственное удержание стержня или системы в целом от выпучивания с помощью специальных поддерживающих элементов, называемых временными поддерживающими связями, которые впоследствии можно удалить из конструкции. Другим способом является метод упругопластической тренировки В.Г. Зубчанинова. Согласно этому методу элемент подвергается сжатию до заданной нагрузки тренировки, большей значения приведено-модульной нагрузки Кармана на специальном стенде с поддерживающими связями, а затем, что важно, также при поддержке полностью разгружается.

Приведены результаты разработки метода повышения сопротивляемости потере устойчивости сжатых стальных стержней, основанного на применении деформационного старения, заключающегося в деформировании образца до полного прохождения пластических деформаций на площадке текучести, последующем нагреве до заданной температуры и выдержке при этой температуре. Применение разработанного метода возвращает материалу способность повторно деформироваться с образованием площадки текучести, что позволяет проводить деформационное старение и, соответственно, упрочнение, в несколько циклов, в результате чего значительно повышается статическая прочность при сохранении удовлетворительной пластичности.

Приведены результаты разработки экспериментальной установки для испытания на устойчивость, защищенной патентом РФ. Экспериментальная установка позволяет производить сжатие образцов большой гибкости до больших степеней деформации без потери устойчивости, а также позволяет значительно расширить варианты закреплений стержня при испытаниях на устойчивость. Для выполнения поставленной задачи используются концевые закрепления образца в виде жесткой заделки, а также промежуточные опоры, что позволяет повысить жесткость системы и существенного снизить гибкости стержня.

Разработанная экспериментальная установка (рис.1), состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого в нижней его части расположена опора 2, выполненная в виде неподвижного основания, а в верхней его части расположена подвижная опора, выполненная в виде нагружающего поршня 3 с возможностью его вертикального перемещения для приложения сжимающей нагрузки. На внутренних торцевых плоскостях опор выполнены углубления 4 под сферические шарниры 5, расположенные по вертикальной геометрической оси цилиндра для обеспечения центрального приложения сжимающей нагрузки. Для уменьшения гибкости образца установка имеет промежуточную опору 6, которая устанавливается непосредственно на испытуемый образец 7. Испытуемый образец имеет на торцевых сторонах углубления 4 под сферические шарниры 5, для обеспечения центрального приложения сжимающей нагрузки. Промежуточная опора (рис. 1 б,в) выполнена в виде металлической квадратной рамы 8 с округленными углами. По двум взаимно перпендикулярным линиям А-А, расположенным параллельно сторонам рамы 8, выполнены четыре цилиндрических отверстия 9 с резьбой под крепежные болты 10, предназначенные для установки и крепления рамы непосредственно на образце 7. Также, по двум взаимно перпендикулярным диагоналям Б-Б на раме 8 выполнены четыре цилиндрических отверстия 11 с резьбой для установки опорных винтов 12, с помощью которых металлическая рама 8 жестко фиксируется внутри цилиндра 1 нагружающего устройства.

Рис. 1. Экспериментальная установка для испытания на устойчивость: а – общий вид в разрезе; б – горизонтальный разрез промежуточной опоры; в - вертикальный разрез промежуточной опоры по линии АОБ

Приведено описание методики измерения деформаций на малых базах с применением метода реперных точек для изучения неоднородности деформации поликристаллических металлов. С помощью микротвердомера с автоматическим опусканием индентора, установленного на независимый фундамент, уколами алмазной пирамиды на поверхности рабочей части образца наносится реперная линия длиной до 300 микроучастков. Деформирование образца осуществляется последовательными ступенями нагружения. Определяется деформация -го микроучастка на ступенях нагружения:

, и т.д. (1)

где , - относительные деформации на 1, 2-й ступенях нагружения -го микроучастка; , , - длина -го микроучастка (расстояние между реперными точками), соответственно до деформации, после 1-й, после 2-й ступеней.

Для количественной оценки микронеоднородной деформации на отдельных микроучастках и построения графиков определяется параметр .

, (2)

где - средняя деформация образца на длине реперной линии, определяемая по формуле: где - общее число исследованных микроучастков.

Во второй главе приведено описание типов структур и факторов, влияющих на микронеоднородную пластическую деформацию металлов. Приведены результаты исследования развития локальной неоднородности деформации для сталей с различным химическим составом (разные марки стали) и для стали 45 после различных режимов термической обработки. На микрокартине деформации наблюдается постоянство очагов повышенной и уменьшенной пластической деформации, указывающее на то, что при пластическом деформировании стали имеющее место локальное упрочнение по микрообластям оказывается не в состоянии перебросить очаг деформации на новое место. Исследование микроинтерференционной картины поверхностного рельефа показывает, что усиление рисунка сдвиговых процессов в полосах скольжения происходит в основном в тех же направлениях, что и при начальной стадии пластического деформирования.

Исследовано изменение механических свойств - предела прочности, предела текучести и относительного остаточного сужения в зависимости от процентного содержания структурных составляющих феррита и перлита. С увеличением содержания углерода повышаются прочностные свойства и уменьшаются пластические за счет перехода от разрушения по ферритным зернам к разрушению по перлитным зернам.

Исследовано изменение механических свойств, пластических свойств и ударной вязкости KCU стали 45 после закалки и различных температур отпуска. С повышением температуры отпуска происходит увеличение размера микрочастиц, что приводит к снижению прочностных и увеличению пластических свойств за счет более высокой деформации ферритных зерен.

На основе результатов выполненных экспериментов по испытанию на устойчивость получены зависимости критического напряжения от гибкости для сталей после различных режимов термической обработки и с различным химическим составом (рис. 2 а,б).

В третьей главе описывается способ повышения сопротивляемости потере устойчивости сжатых стальных стержней на основе применения многократной механико-термической обработки.

Способ заключается в следующем: сначала необходимо провести деформирование образца статической сжимающей нагрузкой до степени пластической деформации равной полному прохождению площадки текучести, или немного превышающей это значение. Сжимающая нагрузка используется, как при упрочнении, так и при дальнейших испытаниях на устойчивость, чтобы исключить влияние эффекта Баушингера. Эффект Баушингера заключается в том, что происходит снижение прочностных свойств материалов при изменении знака нагружения, если первоначальная нагрузка вызывает появление пластических деформаций. Затем образец необходимо нагреть до заданной температуры и выдержать при этой температуре в течение 60 минут, времени необходимого для прохождения полного старения. Нагрев и выдержка при заданной температуре возвращают материалу способность повторно деформироваться с образованием площадки текучести, что позволяет проводить деформационное старение в несколько циклов.

Для объяснения эффекта упрочнения были изучены макромеханизм и микромеханизм деформации на площадке текучести. Деформирование стали на площадке текучести протекает путем массового параллельного внутризеренного сдвигообразования, проходящего через все сечение, под действием максимальных касательных напряжений. В результате наличия ориентированной деформации круглое поперечное сечение образца переходит в эллиптическое. Выявление «эффекта эллиптичности» проводилось при растяжении цилиндрических образцов с начальным диаметром =10 мм, и длиной рабочей части =100 мм. Отклонение от начального размера диаметра в исходном состоянии не превышали ±1 мкм. Установлено, что образование эллиптичности круглого поперечного сечения происходит только при первом пластическом деформировании в исходном состоянии. Несмотря на то, что после старения наблюдается площадка текучести, приблизительно равная по длине первоначальной площадке, дополнительного образования эллиптичности не происходит (рис. 3). Только полный отжиг при 8800 С возвращает способность стали деформироваться с образованием эллиптичности поперечного сечения после пластического деформирования.

Механизм продвижения линий Чернова-Людерса при прохождении пластической деформации до и после деформационного старения также отличается. Если для материала в исходном состоянии развитие пластически деформированной зоны идет преимущественно под углом =450 к оси образца, охватывая все поперечное сечение, то после старения фронт пластической деформации движется по длине образца, составляя угол 900 (рис. 4).

Изменение механизма продвижения фронта начальной пластической деформации после старения и сохранения нового механизма после нагрева до определенных температур указывают на высокую стойкость полученных искажений в структуре, не допускающих прохождения ориентированных процессов сдвиговой деформации сразу по всему наклонному сечению. Новый механизм вызывает переход к сдвигам по новым, более коротким плоскостям в результате упрочнения, что требует приложения больших усилий.

Изучен микромеханизм деформации на площадке текучести после проведения деформационного старения. Проведены сравнительные исследования микромеханизма и микроособенностей деформации на цилиндрических образцы из технического железа (диаметром 10 мм и длиной 100 мм) с предварительно подготовленной поверхностью. Графики микронеоднородной деформации, полученные при растяжении образцов из железа (рис. 5 а) в ходе трех последовательных ступеней нагружения, показывают достаточно высокое постоянство и закрепление очагов повышенной и уменьшенной деформации в ходе всего процесса пластического деформирования. После деформирования образцов из железа растяжением на величину площадки текучести с промежуточными старениями при температуре 1500 С наряду с некоторой повторяемостью микроочагов повышенной и уменьшенной деформации имеет место переброс очагов локальной деформации на другие микроучастки (рис. 5 б), чего при обычном растяжении практически не наблюдается.

Значительное упрочнение микрообластей, переброс микроочагов деформации, изменение макромеханизма деформации обуславливают повышение уровня напряжений, необходимых для деформирования металла.

Для стержней с гибкостью критическое напряжение определяется по формуле Эйлера и определяется значением модуля Юнга . Интенсивность неупругих процессов может изменяться с ростом напряжения. Мгновенный модуль упругости может быть определен по диаграмме или как первая производная:

, (3)

где - ступень приращения напряжения; - относительное удлинение, соответствующее ступени нагружения .

Для пластичных сталей кривые деформации, полученные в опытах на растяжение и сжатие, имеют одинаковый вид (рис. 6), поэтому значение модуля Юнга при растяжении и сжатии можно принять одинаковыми.

Проведены исследования изменения мгновенного модуля упругости стали 20 в зависимости от уровня напряжения - в исходном состоянии, в состоянии после прохождения фронта пластических деформаций на площадке текучести и после деформационного старения.

В исходном состоянии значение модуля упругости и не изменяется в процессе нагружения, если напряжение в образце не превышает значение предела текучести (рис. 7, прямая 1). При нагружении образца до напряжения, не превышающего предел текучести, наблюдается прямолинейная зависимость (рис.8, позиция 1).

После прохождения фронта пластической деформации на площадке текучести наблюдается значительное изменение модуля упругости в процессе нагружения. В этом состоянии модуль зависит от степени напряженности в образце и уменьшается с в начале нагружения при напряжение близком к нулю до при напряжении (рис. 7, прямая 2), а для зависимости наблюдается петля упругого гистерезиса (рис. 8, позиция 2).

После проведения неполного старения при температуре 1500 С в течение 15 минут наблюдается частичное повышение значения мгновенного модуля упругости (рис. 7, прямая 3) и уменьшение петли упругого гистерезиса (рис. 8, позиция 4). После проведение полного старения при температуре 1500 С в течение 60 минут упругие свойства материала полностью восстанавливаются до исходных значений (рис. 7, прямая 4), а петля упругого гистерезиса исчезает (рис. 8, позиция 5).

Получены зависимости критического напряжения от гибкости для стали 20 после одного цикла деформационного старения, после двух циклов и для неупрочненной стали в исходном состоянии (рис. 9 а,б). Исследования проводились на образцах длиной от до .

Рис. 9. Зависимость критического напряжения от гибкости для стали 20: прямая 1 - в исходном состоянии; прямая 2 - после одного цикла деформационного старения; прямая 3 - после двух циклов деформационного старения; кривая 4 – кривая Эйлера

В исходном (неупрочненном) состоянии значение критического напряжения для образцов с гибкостью составило (рис. 9 а,б прямая 1), при этом предельное значение гибкости равно . Для образцов с гибкостью значение критического напряжения после одного цикла деформационного старения составило , (рис. 9, прямая 2), а после двух циклов - (рис. 9, прямая 2), . Прирост критического напряжения после одного и двух циклов упрочнения составил ~10 % и~20 % соответственно.

Экспериментальные данные подтверждают, что зависимость критического напряжения от гибкости для упрочненных образцов состоит из двух участков. Полученные результаты показывают, что является эффективным применение деформационного старения для упрочнения стальных стержней и повышения их сопротивляемости потере устойчивости.

Для определения предельного количества циклов деформационного старения была получена кривая упрочнения при сжатии в истинных координатах. При значительной степени истинной деформации происходит насыщение упрочнением, а напряжению приближается к 1000 МПа (рис. 10), что превышает значение предела текучести при первой площадке более чем в 3 раза. Полученный данные показывают, что напряжение значительно меньше 1000 МПа, а значит, количество циклов может быть большим.

Показана возможность применения полученных результатов в практических расчетах центрально-сжатых элементов конструкций.

Применение ММТО позволяет повысить значение предела текучести стали и, соответственно, расчетного сопротивления растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести :

, (4)

где - предел текучести стали, принимаемый равным значению предела текучести по государственным стандартам и техническим условиям на сталь; - коэффициент надежности по материалу.

Определяется условная гибкость стержня :

, (5)

где - гибкость стержня; - модуль упругости при растяжении, сжатии.

Определяется уточненный коэффициент продольного изгиба :

(6)

Коэффициент вычисляется по формуле:

, (7)

где и коэффициенты, зависящие от типа сечения.

Например, для типа сечения а - трубчатого и коробчатого при , получаем (табл. 1).

Таблица 1

Коэффициенты продольного изгиба для расчета центрально-сжатых элементов с сечением типа а.

Для Ст.3 в неупрочненном состоянии, при расчетном сопротивлении 300 МПа				Для Ст.3 после двух циклов упрочнения расчетном сопротивлении 359 МПа
Гибкость стержня	Условная гибкость	коэффициент продольного изгиба	Произведение расчетного сопротивления на коэффициент продольного изгиба, МПа	Гибкость стержня	Условная гибкость	коэффициент продольного изгиба	Произведение расчетного сопротивления на коэффициент продольного изгиба, МПа
15	0,567	0,996	299	15	0,620	0,993	356
20	0,756	0,984	295	20	0,827	0,979	351
25	0,945	0,972	291	25	1,034	0,965	347
30	1,134	0,958	288	30	1,240	0,950	341
35	1,323	0,944	283	35	1,447	0,934	335
40	1,512	0,928	278	40	1,654	0,915	329
45	1,701	0,911	273	45	1,861	0,894	321
50	1,890	0,890	267	50	2,067	0,869	312
55	2,079	0,867	260	55	2,274	0,840	302
60	2,268	0,841	252	60	2,480	0,807	290

В четвертой главе проведены сравнительные исследования повышения сопротивляемости потере устойчивости сжатых стальных стержней после проведения ММТО и применения различных способов повышения физико-механических свойств.

Получены зависимости критического напряжения от гибкости для стали 20 после различного количества циклов деформационного старения (рис. 11).

После проведения четырех циклов деформационного старения значение критического напряжение для образцов с гибкостью повысилось с 330 МПа до 510 МПа, что составило более 50 %. Применение ММТО приводит к повышению прочностных свойств и сопротивляемости потере устойчивости сжатых стержней, при этом не происходит значительного снижения пластических свойств.

Получены зависимости критического напряжения от гибкости для стали 45 после закалки и отпуска при температурах 3500 С, 7000 С и 9000 С. Самое большое значение критического напряжения – 1480 МПа наблюдается в состоянии закалка+отпуск 3500 С, однако в данном состоянии сталь практически не обладает пластическими свойствами, а также сильно уменьшается значение предельной гибкости до = 37. В состоянии закалка+отжиг 9000 С значение критического напряжения составило 375 МПа, такое же как и в исходном состоянии после нормализации, поэтому ее применение не имеет смысла. В состоянии закалка+отпуск 7000 С наблюдается увеличение критического напряжения до 540 МПа, что больше исходного на 44 %. Экспериментальные данные показывают, что необходимо правильно выбирать режимы термообработки, чтобы получить значительный прирост критического напряжения и сохранить при этом достаточную пластичность.

Получены зависимости критического напряжения от гибкости для различных марок стали. Для стали 20, стали 45 и стали У8 значения критического напряжения для стержней с гибкостью составили 330 МПа, 375 МПа и 420 МПа соответственно. По сравнению со сталью 20 значение критического напряжения для стали 45 и стали У8 увеличивается на ~13 % и ~27 % соответственно.

Исследовано упрочнение сжатых стержней с помощью наклепа. Упрочнение при наклепе связано с измельчением структуры, увеличением угла разориентировки зерен и созданием упругих неоднородных микронапряжений, что приводит к увеличению препятствий для перемещения дислокаций. Характерной особенностью наклепа является увеличение предела текучести и приближение его к пределу прочности. Результаты проведенных экспериментов образцов из стали 20, упрочненных с помощью наклепа, представлены в таблице 2. Максимальное увеличение критического напряжения при наклепе составило ~27 %.

Таблица 2

Упрочнение сжатых стержней с помощью наклепа

Предел текучести в исходном состоянии, МПа	Напряжение при наклепе, МПа	Прирост напряжения по сравнению с пределом текучести, %	Критическое напряжение , МПа	Прирост критического напряжения по сравнению с пределом текучести, %
330	380	15,2	382	15,8
	430	30,3	400	21,2
	480	45,4	409	23,9
	530	60,6	418	26,7

Следует отметить, что применение ММТО для упрочнения стержней с гибкостью с целью увеличения критического напряжения дает больший результат по сравнению с упрочнением наклепом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе приведены результаты всестороннего исследования устойчивости сжатых стержней после проведения ММТО и применения различных способов упрочнения. Предложен способ повышения сопротивляемости потере устойчивости сжатых стержней на основе разработки и применения экспериментальной установки.

1. Показано, что для металлов, в частности для стали, деформирующихся с образованием площадки текучести значения предела пропорциональности , предела упругости и предела текучести одинаковы. Зависимость критического напряжения от гибкости состоит из 2-х участков. Для стержней, работающих в упругой области, критическое напряжение определяется по формуле Эйлера и зависит от модуля Юнга . Для стержней, работающих в упругопластической области, критическое напряжение может быть принято равным пределу текучести . В этом случае для увеличения сопротивляемости потере устойчивости сжатых стержней необходимо увеличить предел текучести .

2. Разработан способ повышения сопротивляемости потере устойчивости сжатых стальных стержней на основе использования многократной механико-термической обработки, основанный на деформационном старении, позволяющий повысить сопротивляемость потере устойчивости сжатых стальных стержней с гибкостью за счет увеличения предела текучести при сжатии. При проведении упрочнения используется сжимающая нагрузка, как и при испытаниях на устойчивость, чтобы исключить влияние эффекта Баушингера.

3. Изучен макромеханизм деформации стали на площадке текучести после деформационного старения. Показано, что при прохождении первой площадки текучести круглое поперечное сечение образцов переходит в эллиптическое. Установлено, что после деформационного старения не происходит дополнительного образования эллиптичности, а продвижение фронта линий Чернова-Людерса при прохождении пластических деформаций существенно изменяется. Изменение механизма продвижения фронта начальной пластической деформации после старения и сохранение нового механизма после нагрева указывают на высокую стойкость полученных искажений в кристаллической структуре, что вызывает переход к сдвигам по новым, более коротким плоскостям в результате упрочнения, требующим приложения больших усилий, что объясняет эффект упрочнения.

4. Исследован микромеханизм деформации на площадке текучести после деформационного старения. Установлено, что при наличии некоторой повторяемости микроочагов повышенной и уменьшенной деформации имеет место переброс очагов локальной деформации на другие микроучастки, однако общий уровень неоднородности деформации не получает существенного изменения. Показано, что упрочнение микрообластей и переброс микроочагов деформации, а также изменение макромеханизма деформации в результате упрочнения приводят к повышению уровня напряжений, необходимых для деформирования металла и, следовательно, к увеличению прочностных свойств и повышению сопротивляемости потере устойчивости.

5. Показано, что после прохождения фронта пластической деформации на площадке текучести наблюдается значительное изменение модуля упругости , на значение которого влияет уровень напряженности в стержне. Неполное старение в течение 15 минут приводит к повышению модуля упругости , а полное старение в течение 60 минут приводит к полному восстановлению упругих свойств до исходных значений. Вследствие полного восстановления значения модуля Юнга , для стержней с гибкостью не происходит снижения сопротивляемости потере устойчивости, когда критическое напряжение определяется по формуле Эйлера.

6. Получены зависимости критического напряжения от гибкости для стальных стержней после упрочнения многократной механико-термической обработкой на основе деформационного старения. Экспериментальные данные подтверждают, что зависимость состоит из 2-х участков. Исследовано влияние количества циклов деформационного старения на значение критического напряжения . При увеличении количества циклов для стержней с гибкостью происходит увеличение критического напряжения и сопротивления потере устойчивости. Повышение критического напряжения после двух циклов деформационного старения составило порядка 20 %, а после четырех циклов - порядка 50 %. Количество циклов деформационного старения может быть увеличено более четырех, так как при достигнутой степени деформации еще не происходит насыщения упрочнением при сжатии.

7. Показана возможность применения полученных результатов в практических расчетах центрально-сжатых элементов конструкций. Применение ММТО приводит к повышению расчетного сопротивления по пределу текучести и увеличению значения расчетной сжимающей силы.

8. Разработана экспериментальная установка для испытания на устойчивость, позволяющая производить сжатие металлических образцов большой гибкости до больших степеней деформации без потери устойчивости, а также позволяет значительно расширить варианты концевых и промежуточных закреплений стержня при испытаниях на устойчивость. Установка имеет промежуточные опоры, которые закрепляются непосредственно на образце и позволяют существенно снизить его гибкость, простую и мобильную конструкцию и может быть использована на стандартной испытательной машине. Показано, что применение разработанной установки с использованием промежуточных опор приводит к увеличению напряжения, выдерживаемого образцом при пластическом деформировании без потери устойчивости, что позволяет осуществить упрочнение с помощью наклепа и ММТО.

9. Получены зависимости критического напряжения от гибкости для сталей различных марок. Показано, что путем изменения химического состава можно повысить прочностные свойства стали и критическое напряжение для стержней с гибкостью . Для стержней с гибкостью значение критического напряжения зависит от модуля Юнга .

10. Получены зависимости критического напряжения от гибкости для стали после различных термических обработок. Показано, что с помощью изменения режимов термической обработки можно повысить прочностные свойства стали и критическое напряжение для стержней с гибкостью . Для стержней с гибкостью значение критического напряжения зависит от модуля Юнга .

11. Исследовано влияние химического состава (марки стали) на физико-механические свойства. Получено, что с увеличением процентного содержания углерода существенно снижаются пластические свойства и значительно увеличиваются прочностные свойства стали - предел прочности , предел текучести .

12. Исследовано влияние термической обработки на физико-механические характеристики. Показано, что с увеличением температуры отпуска уменьшаются прочностные характеристики сталей - временное сопротивление (предел прочности) , истинное сопротивление разрыву и микротвердость H и увеличиваются пластические характеристики – относительное остаточное удлинение и относительное остаточное сужение и повышается ударная вязкость KCU.

Разработка метода упрочнения и установление зависимости критического напряжения от гибкости для стержней, упрочненных различными способами, вносят вклад в развитие общих принципов расчета сооружений и их элементов на устойчивость. Разработка экспериментальной установки для исследования устойчивости сжатых стержней при различных условиях закрепления концевых и промежуточных сечений вносит вклад в развитие экспериментальных методов исследования сооружений и их элементов. Полученные данные по методу упрочнения и разработке способа сжатия стержней без потери устойчивости позволяют производить упрочнение реальных элементов конструкций трубчатого и коробчатого сечения и, следовательно, повысить значение критической силы для сжатых стержней.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Кукса, Л.В. Сравнительные исследования устойчивости сжатых стальных стержней в состоянии после нормализации и механико-термической обработки / Л.В. Кукса, В.И. Клименко // Известия ВолгГТУ. Серия: Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. – 2012. - Вып. 6. - № 9 (96). - С. 109-113.

2. Кукса, Л.В. Устойчивость сжатых стержней в зависимости от повышения физико-механических свойств упрочненных конструкционных материалов / Л.В. Кукса, В.И. Клименко // Вестник ВолгГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. – 2012. - Вып. 28 (47). - С. 67-75.

3. Кукса, Л.В. Повышение сопротивляемости потере устойчивости стальных стержней упрочненных различными способами / Л.В. Кукса, В.И. Клименко // Известия ВолгГТУ. Серия: Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. – 2013. - Вып. 7. - № 6 (109). - С. 85-90.

4. Кукса, Л.В. Сопротивляемость потере устойчивости сжатых стальных стержней в зависимости от изменения физико-механических свойств / Л.В. Кукса, В.И. Клименко // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. 2013. Вып. 2 (27). URL: http://vestnik.vgasu.ru/attachments/KuksaKlimenko-2013_2(27).pdf

Патенты:

5. Пат. 2492445 Рос. Федерация. Устройство для испытания на устойчивость : МПК[51] G01N 3/02 / Л. В. Кукса, В. И. Клименко ; - № 2212115009/28 ; заявл. 16.04.2012 ; опублик. 10.09.2013 Бюл. № 25.

Публикации в других изданиях:

6. Кукса, Л.В. Формирование матрицы упругих свойств конструкционных материалов с учетом текстуры / Л.В. Кукса, В.И. Клименко // Известия ВолгГТУ. Серия: Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. – 2008. - Вып. 2. - № 10 (48). - С. 123-126.

7. Клименко, В.И. Сопротивляемость потере устойчивости сжатых стержней в зависимости от физико-механических свойств конструкционных материалов / В.И. Клименко // XVI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области : тез. докл. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2011. - С. 13-14.

8. Клименко, В.И. Повышение сопротивляемости потере устойчивости сжатых стальных стержней в зависимости от количества ступеней деформационного старения / В.И. Клименко // XVII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области : тез. докл. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2012. - С. 24-25.

9. Кукса, Л.В. Устойчивость упрочненных сжатых стальных стержней / Л.В. Кукса, В.И. Клименко // Строительство 2012 : материалы Междунар. науч.-прак. конф. – Ростов-на-Дону – 2012. - С. 141-143.

В опубликованных работах диссертанту принадлежит: разработка способа повышения сопротивляемость потере устойчивости сжатых стальных стержней на основе применения ММТО; разработка экспериментальной установки для испытания на устойчивость; исследование макромеханихма и микромеханизма деформации и изменения упругих свойств упрочненных стержней; установление зависимости критического напряжения от гибкости для упрочненных стержней.

Клименко Владимир Иванович

УСТОЙЧИВОСТЬ СЖАТЫХ СТЕРЖНЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

УПРОЧНЕННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.23.17 Строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Подписано в печать 08.11.2013. Заказ № Тираж 100 экз.

Печ. л. 1,0

Формат 60 х 84 1/16

Бумага писчая. Печать плоская.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

400074, Волгоград, ул. Академическая, 1.

Отдел оперативной полиграфии.