Вплив значення коефіцієнта тертя на діаграму продавлювання дискового мікрозразка з урахуванням процесу руйнування

Abstract

Визначення зміни механічних характеристик, зокрема границі текучості та міцності, матеріалів конструкцій впродовж строку їх служби під дією експлуатаційних навантажень та робочого середовища є дуже важливою задачею забезпечення надійної та безпечної експлуатації працюючого обладнання. Застосування для цього випробувань на одновісний розтяг не завжди можливе через обмеженість наявності матеріалу для виготовлення зразків та неминуче порушення цілісності конструкції. Через це розробляються непрямі методи контролю, одним з яких є метод продавлювання дискових мікрозразків. Суть методу полягає у продавлюванні індентором у формі кулі закріпленого певним чином зразка із записуванням діаграми процесу його деформування в координатах «навантаження»— «глибина продавлювання». За параметрами цієї діаграми з використанням кореляційних залежностей визначаються механічні характеристики. Для вдосконалення цього методу необхідно використовувати чисельне моделювання, одним з параметрів якого є значення коефіцієнта тертя в контактних парах. Метою роботи є дослідження впливу вибору коефіцієнта тертя на діаграму продавлювання під час чисельного моделювання процесу деформування дискового мікрозразка з урахуванням процесу руйнування. Для врахування процесу руйнування використано модель Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN). За результатами дослідження встановлено, що зі зміною коефіцієнта тертя від 0 до 0,36, діаграми продавлювання на стадіях пружного й пружно-пластичного деформування дискового зразка суттєво не відрізняються. З досягненням максимального навантаження перед руйнуванням спостерігається розбіжність в діаграмах. Встановлено, що збільшення коефіцієнта тертя призводить до зменшення максимального навантаження та глибини продавлювання під час руйнування. Різниця максимальних значень навантаження за зазначеної зміни величини коефіцієнта тертя складає 27 %, глибини продавлювання — 14 %. Визначено, що найближчою до експериментальної кривої «навантаження»—«глибина продавлювання» є крива, визначена чисельним моделюванням з коефіцієнтом тертя, який дорівнює 0,18.

Determining changes in mechanical characteristics, such as yield strength and tensile strength, of structural materials during their service life under the influence of operating loads and the working environment is a very important task of ensuring reliable and safe operation of working equipment. The use of uniaxial tensile tests for this purpose is not always possible because of the limited availability of material for the manufacture of specimens and the inevitable disruption of structural integrity. Therefore, indirect control methods are being developed, one of which is the small punch test method. The essence of this method consists in punching of a fixed specimen by a spherical indenter with recording the load-displacement curve. Mechanical characteristics are determined by the parameters of this diagram using correlation dependencies. In improving the methods for determining the mechanical characteristics of small punch test, there is a need to use numerical modeling, one of the parameters of which is the friction coefficient in contact pairs. The purpose of this work was to investigate the influence of the friction coefficient on the punching diagram in the numerical simulation of the disk microspecimen deformation process, taking into account the fracture process. The Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) model was used to account for the fracture process. According to the study results, it was found that when the coefficient of friction changes from 0 to 0,36, the punching diagrams at the stages of elastic and elastic-plastic deformation of the specimen do not differ significantly. When the maximum load value is reached, there is a discrepancy in the punching diagrams. It was found that an increase in the friction coefficient leads to a decrease in the maximum load and the punching depth upon failure. The difference between the maximum load values is 27 %, the penetration depth is 14 %. It was determined that the closest to the experimental loaddisplacement curve was the curve determined by numerical simulation with a friction coefficient equal to 0, 18.

Определение изменения механических характеристик, в частности предела текучести и прочности, мате- риалов конструкций в течение их срока службы под действием эксплуатационных нагрузок и рабочей среды является очень важной задачей обеспечения надежной и безопасной эксплуатации работающего оборудования. Применение для этого испытаний на одноосное растяжение не всегда возможно из-за ограниченности наличия материала для изготовления образцов и неизбежного нарушения целостности конструкции. Поэтому разраба- тываются косвенные методы контроля, одним из которых является метод продавливания дисковых микрооб- разцов. Суть метода заключается в продавливании сферическим индентором закрепленного определенным образом образца с записью диаграммы процесса его деформирования в координатах «нагрузка»—«глубина про- давливания». По параметрам этой диаграммы с использованием корреляционных зависимостей определяется механические характеристики. При усовершенствовании этого метода необходимо использовать численное моделирование, одним из параметров которого является значение коэффициента трения в контактных парах. Целью работы является исследование влияния выбора коэффициента трения на диаграмму продавливания при численном моделировании процесса деформирования дискового микрообразца с учетом процесса разрушения. Для учета процесса разрушения использована модель Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN). По результатам ис- следования установлено, что при изменении коэффициента трения от 0 до 0,36, диаграммы продавливания на стадиях упругого и упругопластического деформирования дискового образца существенно не отличаются. При достижении максимального значения нагрузки перед разрушением наблюдается расхождение в диаграммах. Установлено, что увеличение коэффициента трения приводит к уменьшению максимальной нагрузки и глубины продавливания при разрушении. Разница максимальных значений нагрузки при указанном изменении значений коэффициента трения составляет 27 %, глубины продавливания — 14 %. Определено, что наиболее близкой к экспериментальной кривой «нагрузка»—«глубина продавливания» является кривая, определенная численным моделированием с коэффициентом трения, равным 0,18.