RU2119153C1 - Method for determination of plastic and elastic components of constructional material hysteresis loop - Google Patents
Method for determination of plastic and elastic components of constructional material hysteresis loop Download PDFInfo
- Publication number
- RU2119153C1 RU2119153C1 RU96102149A RU96102149A RU2119153C1 RU 2119153 C1 RU2119153 C1 RU 2119153C1 RU 96102149 A RU96102149 A RU 96102149A RU 96102149 A RU96102149 A RU 96102149A RU 2119153 C1 RU2119153 C1 RU 2119153C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plastic
- hysteresis loop
- internal stresses
- elastic
- deformation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к испытаниям конструкционных материалов и может быть использовано при определении достоверных свойств металлов в упругой области деформации. The invention relates to tests of structural materials and can be used to determine the reliable properties of metals in the elastic region of deformation.
Известен способ определения гистерезисной и релаксационной составляющих петли гистерезиса, характеризующей внутреннее трение [1]. Релаксационное внутреннее трение возникает при пластических деформациях тела, изменяется во времени и зависит от температуры. Гистерезисное внутреннее трение не связано с временными процессами. Гистерезисные потери энергии вызваны дефектами структуры. A known method for determining the hysteresis and relaxation components of the hysteresis loop characterizing internal friction [1]. Relaxation internal friction occurs during plastic deformations of the body, changes in time and depends on temperature. Hysteretic internal friction is not associated with temporary processes. Hysteretic energy losses are caused by structural defects.
Связь между напряжением и деформацией при нагружении и разгрузке тела установить с удовлетворительной точностью довольно трудно из-за плавного перехода его от упругой к пластической деформации, а также из-за образования при деформации растяжения сжимающих, а при сжатии растягивающих внутренних напряжений. Это свидетельствует о том, что две ветви петли гистерезиса определяют различные состояния контролируемого материала, которые также изменяются в процессе испытаний и во времени. It is quite difficult to establish the relationship between stress and strain during loading and unloading of a body with satisfactory accuracy due to its smooth transition from elastic to plastic deformation, as well as due to the formation of tensile compressive stresses and tensile internal stresses during compression. This indicates that the two branches of the hysteresis loop determine different states of the material being monitored, which also change during the test and in time.
Известен способ определения ширины петли гистерезиса с выделением пластической деформации за цикл для определения внутренних напряжений [2]. Однако он обладает ограниченной точностью, так как не учитывает исходное состояние материала и изменение его свойств в процессе испытания. A known method for determining the width of the hysteresis loop with the release of plastic deformation per cycle to determine internal stresses [2]. However, it has limited accuracy, since it does not take into account the initial state of the material and the change in its properties during the test.
Известен также способ определения петли гистерезиса [3], который заключается в многократном экспериментальном измерении петли гистерезиса в течение нескольких десятков лет и на этой основе делается попытка установить связь напряжение - деформация, т.е. уточнить закон Гука. Обнаружена линейная система, т. е. материал, обладающий совершенной упругостью, и пластическая, т. е. материал, содержащий пластические внутренние напряжения в упругой области деформаций. Общим недостатком способа является нелинейность системы в упругой области деформаций материала и соответственно использование дифференциальных уравнений со всеми вытекающими последствиями - неприменимость принципа суперпозиции и гипотез теории упругости. There is also a known method for determining the hysteresis loop [3], which consists in the repeated experimental measurement of the hysteresis loop over several decades and, on this basis, an attempt is made to establish a stress – strain relationship, i.e. clarify Hooke's law. A linear system was discovered, i.e., a material with perfect elasticity, and a plastic one, i.e., a material containing plastic internal stresses in the elastic region of deformations. A common disadvantage of this method is the nonlinearity of the system in the elastic region of material deformations and, accordingly, the use of differential equations with all the ensuing consequences — the inapplicability of the principle of superposition and hypotheses of the theory of elasticity.
Известен способ измерения ширины петли гистерезиса [4], принятый в качестве прототипа. Сущность его заключается в том, что использованы упругие внутренние напряжения разного знака для упрочнения материала. A known method of measuring the width of the hysteresis loop [4], adopted as a prototype. Its essence lies in the fact that elastic internal stresses of a different sign are used to strengthen the material.
Выше были сделаны ссылки на источники информации, характеризующие уровень техники в рассматриваемой области. Above, references were made to sources of information characterizing the state of the art in this field.
1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1983, с. 37 - 45. 1. Zolotarevsky V.S. The mechanical properties of metals. M .: Metallurgy, 1983, p. 37 - 45.
2. Авт. свидетельство СССР N 664262, G 01 N 3/32
3. Кочнева Л.Ф. Внутреннее трение в твердых телах при колебаниях. - М.: Наука, 1972, с. 5 - 6, 30 - 36, 71 - 72, 90 - 92.2. Auth. USSR certificate N 664262, G 01 N 3/32
3. Kochneva L.F. Internal friction in solids during vibrations. - M .: Nauka, 1972, p. 5 - 6, 30 - 36, 71 - 72, 90 - 92.
4. Патент РФ N 2065500, C 21 D 1/55, 8/0. 4. RF patent N 2065500, C 21
Сущностью изобретения является ограничение случайных погрешностей деформационной характеристики конструкционного материала и определение упругой и пластической составляющих ее в упругой области. Поставленная задача достигается тем, что изготавливают образец-эталон из однородного материала без внутренних напряжений и снимают с него в упругой области нулевую деформационную характеристику; изготовляют два образца из того же однородного исходного материала, снимают с одного первую деформационную характеристику, стабилизируют состояние этих двух образцов отжигом до полного удаления пластических внутренних напряжений, снимают с того же образца вторую деформационную характеристику и определяют величину и знак внутренних напряжений по обоим образцам по пределу текучести при растяжении и сжатии, а для построения петли гистерезиса совмещают первую и вторую деформационные характеристики с нулевой деформационной характеристикой образца - эталона в одной системе координат, по величине и знаку внутренних напряжений, а также по углу наклона деформационных характеристик к оси абсцисс определяют общую ширину пластической и упругой составляющих петли гистерезиса при снятой нагрузке графически или из выражения
определяют ширину упругой составляющей петли гистерезиса для стабильного состояния конструкционного материала после снятия пластических внутренних напряжений из выражения
по полученным величинам определяют ширину пластической составляющей петли гистерезиса из выражения
εпл=ε1-ε2,
где
σ1- - величина пластических и упругих внутренних напряжений в исходном материале;
σ2- - величина упругих внутренних напряжений в материале после отжига;
E1 - модуль упругости исходного материала;
E2 - модуль упругости материала без пластических внутренних напряжений;
εпл- - ширина петли пластического гистерезиса.The essence of the invention is the limitation of random errors in the deformation characteristics of the structural material and the determination of the elastic and plastic components in the elastic region. The problem is achieved by the fact that they make a reference sample from a homogeneous material without internal stresses and remove from it in the elastic region a zero deformation characteristic; two samples are made from the same homogeneous starting material, the first deformation characteristic is taken from one, the state of these two samples is stabilized by annealing until the plastic internal stresses are completely removed, the second deformation characteristic is taken from the same sample and the value and sign of internal stresses are determined from both samples according to the limit yield strength under tension and compression, and to build a hysteresis loop combine the first and second deformation characteristics with zero deformation characteristic With the help of a sample - a standard in one coordinate system, the total width of the plastic and elastic components of the hysteresis loop at the removed load is determined graphically or from the expression by the magnitude and sign of internal stresses, as well as by the angle of inclination of the deformation characteristics to the abscissa axis
determine the width of the elastic component of the hysteresis loop for a stable state of the structural material after removing plastic internal stresses from the expression
the obtained values determine the width of the plastic component of the hysteresis loop from the expression
ε pl = ε 1 -ε 2 ,
Where
σ 1 - is the value of plastic and elastic internal stresses in the source material;
σ 2 - is the value of elastic internal stresses in the material after annealing;
E 1 is the elastic modulus of the starting material;
E 2 - the modulus of elasticity of the material without plastic internal stresses;
ε PL - - the width of the loop of plastic hysteresis.
На фиг. 1 изображена деформационная характеристика эталонного материала в упругой области деформаций, т.е. однородного по упругости, стабильного во времени, без внутренних напряжений, с переходом от упругих к пластическим деформациям в одной точке. In FIG. 1 shows the deformation characteristic of the reference material in the elastic region of deformations, i.e. uniform in elasticity, stable in time, without internal stresses, with the transition from elastic to plastic deformations at one point.
На фиг. 2 - деформационная характеристика реального однородного материала с плавным переходом от упругих к пластическим деформациям (ДХ1). In FIG. 2 - deformation characteristic of a real homogeneous material with a smooth transition from elastic to plastic deformation (DC1).
На фиг. 3 - деформационная характеристика реального однородного материала после стабилизации его состояния, с переходом от упругих к пластическим деформациям в одной точке (ДХ2). In FIG. 3 - deformation characteristic of a real homogeneous material after stabilization of its state, with the transition from elastic to plastic deformations at one point (DX2).
На фиг. 4 представлены первая и вторая деформационные характеристики, совмещенные с деформационной характеристикой эталонного материала в одной системе координат. In FIG. 4 shows the first and second deformation characteristics combined with the deformation characteristic of a reference material in one coordinate system.
На фиг. 5 - деформационные характеристики материала с совершенной упругостью и содержащего: а - внутренние напряжения сжатия, б - внутренние напряжения растяжения. In FIG. 5 - deformation characteristics of a material with perfect elasticity and containing: a - internal compression stresses, b - internal tensile stresses.
Все деформационные характеристики снимают в упругой области деформаций, а гистерезис измеряют при отсутствии внешней нагрузки, при нормальных условиях. All deformation characteristics are measured in the elastic region of deformations, and hysteresis is measured in the absence of an external load, under normal conditions.
Традиционные способы производства однородного по составу конструкционного материала и обработки деталей могут внести неоднородность по упругим свойствам, чем и обусловлен плавный переход от упругой к пластической составляющей деформации. Для обеспечения этого перехода в одной точке, т.е. всех локальных микрообъемов одновременно, используется однородный материал по упругим свойствам. Traditional methods of producing a structural material that is homogeneous in composition and processing parts can introduce heterogeneity in elastic properties, which is why a smooth transition from the elastic to plastic component of the deformation is caused. To ensure this transition at one point, i.e. of all local microvolumes at the same time, homogeneous material is used for elastic properties.
Обработка резанием сопровождается силовым и тепловым воздействием на материал, образованием дефектов структуры, внутренних напряжений разного знака и неоднородности по упругости. Чтобы исключить или ограничить образование измененного поверхностного слоя, подбирают параметры режима чистовой обработки материала, при котором практически не происходит приращения частоты его продольных собственных колебаний из-за взаимной компенсации силового и теплового воздействий. Так для стали 40Х13 параметры режима: V = 46 м/мин, t = 0,125 мм/ст, S = 0,09 мм/об. Резец из сплава T15K6 без охлаждения. При этом не образуется измененный поверхностный слой и соответственно неоднородность по упругим свойствам. Cutting is accompanied by force and heat exposure to the material, the formation of structural defects, internal stresses of different signs and heterogeneity in elasticity. In order to exclude or limit the formation of a changed surface layer, the parameters of the finishing mode of the material are selected, in which there is practically no increment in the frequency of its longitudinal natural vibrations due to the mutual compensation of power and thermal effects. So for steel 40X13 mode parameters: V = 46 m / min, t = 0.125 mm / st, S = 0.09 mm / rev. T15K6 alloy cutter without cooling. In this case, an altered surface layer and, accordingly, heterogeneity in elastic properties are not formed.
Для проверки однородности материала по объему снимают последовательно слои в режиме, исключающем образование дефектов структуры, при этом измеряют частоту продольных собственных колебаний образца. Линейность полученной зависимости характеризует однородность материала по упругости. To check the homogeneity of the material by volume, the layers are sequentially removed in a mode that excludes the formation of structural defects, and the frequency of longitudinal natural vibrations of the sample is measured. The linearity of the obtained dependence characterizes the homogeneity of the material in elasticity.
Стабилизация физических свойств конструкционного материала осуществляется известными способами, например по авт. свид. СССР N 230848, т.е. по прекращению приращения частоты собственных продольных колебаний при изменении температуры и определенном времени выдержки (2 ч). The stabilization of the physical properties of the structural material is carried out by known methods, for example by author. testimonial. USSR N 230848, i.e. to stop the increment in the frequency of natural longitudinal vibrations with a change in temperature and a certain exposure time (2 hours).
Величина и знак внутренних напряжений определяются из уравнения
σвн=-(σтр+σтс),
а величина и знак упругих внутренних напряжений определяются из уравнения
где
σвн,σвну- - суммарные пластические и упругие внутренние напряжения;
σтр, σтс, σтру, σтсу- пределы текучести при растяжении и сжатии соответственно исходного и упругого материала.The magnitude and sign of internal stresses are determined from the equation
σ bn = - (σ tr + σ tf ),
and the magnitude and sign of the elastic internal stresses are determined from the equation
Where
ext σ, σ VNU - - total plastic and elastic internal stress;
mp σ, σ are, σ labor, σ tsu - yield point in tension and compression, respectively, the source and resilient material.
Определение упругой и пластической составляющих гистерезиса позволяет более эффективно использовать конструкционные материалы. Пластические внутренние напряжения и их гистерезис непрерывно изменяются во времени, они вызывают рассеивание размеров и параметров деталей, т.е. возникают случайные погрешности; поэтому пластические напряжения необходимо удалять. Упругие внутренние напряжения как сжимающие, так и растягивающие можно использовать для повышения несущей способности конструкционного материала. Determination of the elastic and plastic components of hysteresis allows more efficient use of structural materials. Plastic internal stresses and their hysteresis continuously change over time, they cause dispersion of the sizes and parameters of parts, i.e. random errors occur; therefore, plastic stresses must be removed. Elastic internal stresses, both compressive and tensile, can be used to increase the bearing capacity of the structural material.
Пример. Использован прокат φ 10 мм Ст40Х13. Подобран образец, в котором отсутствуют внутренние напряжения; для этого удален измененный поверхностный слой толщиной h = 0,35 мм на сторону путем проточки в чистовом режиме V = 46 м/мин, t = 0,125 мм/ст, S = 0,09 мм/об без охлаждения. Для полного удаления пластических внутренних напряжений стабилизировано состояние материала отжигом T = 560oC, t = 110 мин при контроле скорости охлаждения до 400oC /Vохл≤120oC/ч/. Проверена однородность материала по упругости.Example. Used rolling φ 10 mm St40X13. A sample is selected in which there are no internal stresses; for this, the changed surface layer with a thickness of h = 0.35 mm per side was removed by grooving in the finishing mode V = 46 m / min, t = 0.125 mm / st, S = 0.09 mm / rev without cooling. To completely remove the plastic internal stress state of the material is stabilized by annealing T = 560 o C, t = 110 min at controlling the cooling rate to 400 o C / V OHL ≤120 o C / h /. Checked the uniformity of the material in terms of elasticity.
Изготовлены образцы-эталоны, один N17 ГОСТ 1497-79 для снятия деформационной характеристики эталонного материала и определения предела текучести при деформации сжатия, другой для определения предела текучести при деформации растяжения. Определены внутренние напряжения, которые составили σвну= = -0,3 кгс/мм2, что можно принять их практически равными нулю.Standard samples were made, one N17 GOST 1497-79 for measuring the deformation characteristics of the reference material and determining the yield strength during compression deformation, the other for determining the yield strength during tensile deformation. The internal stresses were determined , which amounted to σ out = = -0.3 kgf / mm 2 , which can be taken to be practically equal to zero.
В качестве контролируемого материала использован реальный образец без подбора материала, но в котором также удален измененный поверхностный слой. Изготовлен образец N17 ГОСТ 1497-79 и образец для определения предела текучести при деформации сжатия. As a controlled material, a real sample was used without material selection, but in which the altered surface layer was also removed. Sample N17 GOST 1497-79 and a sample for determining the yield strength during compression deformation were made.
Измерены предел текучести при растяжении и модуль упругости образца-эталона, предел текучести при растяжении и сжатии, модуль упругости до и после стабилизации образца, определены величина и знак внутренних напряжений и составляющие петли гистерезиса. Результаты сведены в табл. 1. The yield strength under tension and the elastic modulus of the reference sample, the yield strength under tension and compression, the elastic modulus before and after stabilization of the sample, the magnitude and sign of internal stresses and the components of the hysteresis loop are determined. The results are summarized in table. one.
Основные преимущества предлагаемого способа по сравнению с существующими. The main advantages of the proposed method compared to existing ones.
1. Установлена причина образования гистерезиса конструкционного материала. 1. The reason for the formation of hysteresis of the structural material is established.
2. Доказано, что переход от упругой к пластической деформации конструкционного материала после стабилизации происходит в одной точке, а пределы пропорциональности, упругости и текучести равны между собой. 2. It is proved that the transition from elastic to plastic deformation of the structural material after stabilization occurs at one point, and the proportionality, elasticity and yield limits are equal to each other.
3. Получена возможность эффективно учесть систематические погрешности параметров и свойств материалов, использовать принцип суперпозиции и истинное начало координат деформационной характеристики конструкционного материала. 3. The opportunity was obtained to effectively take into account the systematic errors of the parameters and properties of materials, to use the principle of superposition and the true origin of the coordinates of the deformation characteristics of the structural material.
4. Доказано, что для реального материала гипотезы теории упругости применимы со значительными погрешностями. 4. It is proved that for real material the hypotheses of the theory of elasticity are applicable with significant errors.
Claims (1)
определяют ширину упругой составляющей петли гистерезиса для стабильного состояния конструкционного материала после снятия пластических внутренних напряжений из выражения
а по полученным величинам определяют ширину пластической составляющей петли гистерезиса из выражения
εпл= ε1-ε2,
где σ1 - величина пластических и упругих внутренних напряжений в исходном материале;
σ2 - величина упругих внутренних напряжений в материале после отжига;
E1 - модуль упругости исходного материала;
E2 - модуль упругости материала без пластических внутренних напряжений;
ε1 - общая ширина петли гистерезиса;
ε2 - ширина петли упругого гистерезиса;
εпл - ширина петли пластического гистерезиса.A method for determining the plastic and elastic components of the hysteresis loop of a structural material, which consists in removing the deformation characteristics of a structural material by applying an external load and measuring the magnitude of internal stresses using several samples and constructing graphs in the form of a hysteresis loop relative to the coordinate axes, based on which plastic and elastic components of the hysteresis loop, characterized in that from the first reference sample of a homogeneous material b Without internal stresses, a zero deformation characteristic is removed in the elastic region, the second and third samples are made from the same homogeneous material, the first deformation characteristic is taken from the second sample, then the state of the second and third samples is stabilized by annealing until the plastic internal stresses are completely removed, and the same sample is removed the second deformation characteristic and determine the magnitude and sign of internal stresses from the second and third samples, and to build a hysteresis loop I combine the first and second deformation characteristics of the second specimen with the zero characteristic of the first reference specimen in one coordinate system, the magnitude and sign of internal stresses, as well as the angle of inclination to the abscissa axis determine the relative elongation - the total width of the plastic and elastic components of the hysteresis loop when the load is removed for the second sample graphically or from the expression
determine the width of the elastic component of the hysteresis loop for a stable state of the structural material after removing plastic internal stresses from the expression
and the obtained values determine the width of the plastic component of the hysteresis loop from the expression
ε pl = ε 1 -ε 2 ,
where σ 1 - the magnitude of the plastic and elastic internal stresses in the source material;
σ 2 - the value of the elastic internal stresses in the material after annealing;
E 1 is the elastic modulus of the starting material;
E 2 - the modulus of elasticity of the material without plastic internal stresses;
ε 1 is the total width of the hysteresis loop;
ε 2 is the width of the loop of elastic hysteresis;
ε PL - the width of the plastic hysteresis loop.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96102149A RU2119153C1 (en) | 1996-02-06 | 1996-02-06 | Method for determination of plastic and elastic components of constructional material hysteresis loop |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96102149A RU2119153C1 (en) | 1996-02-06 | 1996-02-06 | Method for determination of plastic and elastic components of constructional material hysteresis loop |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2119153C1 true RU2119153C1 (en) | 1998-09-20 |
| RU96102149A RU96102149A (en) | 1998-10-27 |
Family
ID=20176518
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96102149A RU2119153C1 (en) | 1996-02-06 | 1996-02-06 | Method for determination of plastic and elastic components of constructional material hysteresis loop |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2119153C1 (en) |
-
1996
- 1996-02-06 RU RU96102149A patent/RU2119153C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| JP, A, 02302647, 14.12.90. * |
| SU, A, 875262, 23.10.81. US, A, 3751977, 14.08.73. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Marshall et al. | Residual stress effects in sharp contact cracking: Part 1 Indentation fracture mechanics | |
| Andersson et al. | In-situ SEM study of fatigue crack growth behaviour in IN718 | |
| Becker | The effect of porosity distribution on ductile failure | |
| Marshall | Controlled flaws in ceramics: a comparison of Knoop and Vickers indentation | |
| Kalogiannakis et al. | Measurements of thermal properties of carbon/epoxy and glass/epoxy using modulated temperature differential scanning calorimetry | |
| EP2118635B1 (en) | Estimation of non-equibiaxial stress using instrumented indentation technique | |
| Lacarac et al. | Fatigue crack growth from plain and cold expanded holes in aluminium alloys | |
| Streit et al. | An experimental investigation of crack-path directional stability: A photoelastic and experimental study on the effect of crack-tip stress biaxiality with respect to directional stability and fracture toughness of Mode I crack extension | |
| Fett et al. | Correlation between long and short crack R‐curves in alumina using the crack opening displacement and fracture mechanical weight function approach | |
| Warren et al. | The influence of machining induced residual stress and phase transformation on the measurement of subsurface mechanical behavior using nanoindentation | |
| Lacarac et al. | The effect of cold expansion on fatigue crack growth from open holes at room and high temperature | |
| Becker et al. | An evaluation of the double torsion technique | |
| Pan et al. | Lattice strain and damage evolution of 9–12% Cr ferritic/martensitic steel during in situ tensile test by X-ray diffraction and small angle scattering | |
| Chau et al. | A new analytic solution for the diametral point load strength test on finite solid circular cylinders | |
| He et al. | Load transfer from broken fibers in continuous fiber Al2O3-Al composites and dependence on local volume fraction | |
| White et al. | Comparison of fatigue crack growth stress ratio effects under simple variable amplitude loading using fractographic and strain measurements | |
| Hutson et al. | Effect of sample thickness on local contact behavior in a flat-on-flat fretting fatigue apparatus | |
| Bisrat et al. | Residual stress measurement by Hertzian indentation | |
| Jacq et al. | On the influence of residual stresses in determining the micro-yield stress profile in a nitrided steel by nano-indentation | |
| RU2119153C1 (en) | Method for determination of plastic and elastic components of constructional material hysteresis loop | |
| Viana et al. | The use of texture data to predict the yield locus of metal sheets | |
| Lomakin et al. | Fracture properties of graphite materials and analysis of crack growth under bending conditions | |
| Lim et al. | Effect of ring indentation on fatigue crack growth in an aluminum plate | |
| Razavi et al. | Notched graphite under multiaxial loading | |
| Seifi et al. | Effects of tensile overload on crack initiation life and fatigue crack growth in notched specimens |