ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗЕРНАХ И МЕЖЗЕРНЫХ СВЯЗЯХ МОДЕЛИ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация

Рассматривается моделирование привершинной области режущей пластины как структурнонеоднородного материала и результаты исследования модели с помощью метода фотомеханики. Фотограммы, полученные с применением цифровой фотокамеры, позволяют оценить распределение напряжений в упругопластичных связях жестких зерен материала.

Полный текст

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.