EXPERIMENTAL RESEARCH OF STRESS OF GRAINS AND INTER-GRAIN BOUNDS IN A MODEL OF HETEROGENEOUS STRUCTURE MATERIALS

Abstract

In this research physical modeling is applied to investigate stress condition of carbide cutting tools as heterogeneous structure using method of photo elasticity. The photogram pattern interpreted and reveals the overall stress distribution in elasto-plastic bounds of rigid grains of the material.

Full Text

Анализ проблем статической и динамической прочности современных материалов режущих пластин показывает, что существует общность механизмов их разрушения. Экспериментальные исследования статической и динамической прочности таких материалов показывают, что их разрушение происходит либо в результате отрыва высокопрочных зерен структуры от нагруженной поверхности, либо из-за образования микротрещин, которые путем слияния формируют поверхности скола или вырыва, приводящие к отделению блока зерен [1; 5; 6]. При рассмотрении этого явления с позиций особенностей строения структурнонеоднородных материалов предполагают, что независимо от конкретного физического состава причиной возникновения микротрещин является малоцикловая усталость материала связки и постепенное накопление усталостных разрушений. Математические модели описанного механизма весьма условны и ориентируются на определенные существующие методы решения и программы, в результате чего, как правило, дают только качественные оценки конкретных задач. На основе анализа выполненных ранее исследований [3; 4] была поставлена задача рассмотреть плоскую модель структурно-неоднородного материала, представляющую собой совокупность жестких элементов, соединенных между собой упругими связями. Для разработки математической модели необходимо было получить определенные данные, которые могли бы подтвердить обоснованность принятых допущений, а также обоснованно выбрать конкретные численные соотношения с целью анализа математической модели на компьютере. Такую задачу целесообразно решать путем исследования физической модели методами фотомеханики. Была разработана поляризационно-оптическая модель, которая имитирует зерна материала в виде квадратных пластин и связи между зернами методом создания прорезей в материале. Модель была изготовлена из материала 44 ЭД6-МТГФА в виде пластины 120 мм ´ 100 мм толщиной 5 мм. Физические характеристики: модуль упругости E = (2,5-3,5)·103 МПа, коэффициент Пуассона u = 0,36-0,37, предел пропорциональности sпц = 40-50 МПа. Эскиз модели, включающей 4 элемента, имитирующих зерна, а также схема одного такого элемента с его упругими связями, расположенного в вершине режущего клина, показана на рис. 1. Формирование жестких зерен и упругих связей между ними выполнялось путем высверливания отверстий по периметру моделей зерен. Тем самым образовывались упругие опоры, симметрично расположенные между зернами. В отличие от модели, описанной в работе [4], упругие связи в модели имитируются не прослойками, а совокупностью связей, каждая из которых представляет собой упругую опору, обладающую линейной податливостью по двум осям и угловой податливостью. 5 1 5 00 А А А - А 120 5 4 3 2 1 а б Рис. 1. Эскиз поляризационно-оптической модели: а - модель с четырьмя зернами; б - модель зерна в привершинной области режущей пластины Вид одной из опор показан на рис. 2. Фотограммы нагружения модели показывают, что нагрузка в элементах модели, имитирующих упругие связи, по мере удаления от места приложения нагрузки настолько резко уменьшается, что имеет смысл подробно анализировать и производить математическую обработку фотограмм только в связях первого (углового) жесткого элемента. В таблице представлены результаты расчетов максимальных касательных напряжений tmax в пяти сечениях (рис. 1б). Рис. 2. Опора 45 Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2008, № 2 2 Максимальные касательные напряжения tmax в Н/см в сечениях модели Таблица № сечения Схема нагружения 1 499 516 86 86 516 413 2 550 430 103 172 430 258 3 637 241 155 224 361 206 4 688 172 206 103 206 35 5 774 86 172 86 103 17 Распределение напряжений в сечениях представлено на рис. 3. Рис. 3. Диаграмма распределения напряжений в упругих связях физической модели (номера рядов соответствуют номерам сечений на рис. 1б) В заключение можно отметить, что напряжения в упругих связях между одинаковыми по форме и размерам зернами в значительной степени зависят от точки приложения действующего усилия. Характерно также, что максимальные напряжения наблюдаются в упругих связях, расположенных по краям зерен. Это свидетельствует о том, что зерна испытывают поворот, способствующий возникновению хрупкой формы разрушения. Методика исследования позволяет получить конкретные данные для использования их при компьютерном анализе математической модели.