文摘

首先,通过分析响应的夏比v形缺口试样影响摆,试样几何形状之间的关系,材料的属性,建立了冲击能量和简化,标本的数学模型评估冲击能量大小不同。然后,模型的有效性验证测试通过一系列的影响。理论分析和实验结果表明,韧带长度之间的关系和影响二次能源,而韧带厚度和冲击能量之间的关系是线性的。在推导过程中,内在冲击韧性是用来评估材料的韧性。数学模型可以评估标本的冲击能量大小不同和提供了一个理论依据评估结构的抗冲击性。

1。介绍

影响能源消费特征结构的能力通过冲击载荷下变形和断裂。能量的影响一个_k夏比冲击试验,测量值,主要用于冶金和热处理产品的质量控制和确定材料的延性脆性转变温度1]。然而,的决心一个_k值是需要使用特定的标准尺寸的标本。标本的冲击能量的比较不同大小或非标准尺寸是不赞成。因为它在一定程度上取决于样本的几何,影响能量不能被认为是材料本身的力学性能。同时,冲击能量和样本大小之间的关系不清楚,不能用于评估结构的承载力影响的大小不一样的标准的标本。

提出了几种方法来隔离在几何碰撞能量的影响。传统上,冲击韧性α_k商的冲击能量,切口的横截面积作为参数来评价材料的韧性。然而,对于塑性变形的材料,能源消耗并不只发生在切口部分,和能源消耗部分不均匀,表明冲击韧性不够相关和准确的机械参数的材料。米哈伊尔·et al。2)研究了不同的样本大小对测试结果的影响,提出了一个程序将数据从数据小尺寸试样尺寸的标本。Sokolove et al。3)之间的相关性研究延脆转变温度测量与标本大小不同的影响,开发了一个程序把数据从小尺寸和全尺寸的标本,并发现一个好的协议。Lucon et al。4)发现之间存在线性关系能源和样本大小的影响通过研究冲击试验的结果之间的小型标本和全尺寸试样。希尔et al。4]研究之间的关系一定能量的影响铁素体钢小型标本和一个全尺寸的标准影响标本和评估的评估影响各种转换公式。Konopik et al。5)建立小型的冲击试验结果之间的转换关系影响标本和全尺寸标准影响标本的基础上,测试结果。杨et al。6)使用GA-NN组合模型来预测夏比冲击能量,和r .马斯喀特et al。7)利用隶属函数建模预测热处理钢的夏比冲击能量更准确。Chaouadi和Fabry8]对之间的关系做了初步研究影响能源和简支矩形截面的大小结构在冲击载荷下,和研究的结果表明,影响能源部分弯曲模量成正比。Sreenivasan和甘露聚糖9]研究了冲击能量与不同横截面形状的标本。他进一步验证,冲击能量正比于矩形截面结构的截面抗弯模量,发现非矩形截面的规律性不明显。灵感来自总结现有的研究,我们试图找到之间的功能关系影响样本容量和能量测量结果的影响,以便估计样本的冲击能量大小。

在这项研究中,基于v形缺口试样的承载形式受到钟摆横向影响,和响应结构的变形和破坏的过程,一个包含冲击能量的数学模型,力学性能,建立了结构的几何参数。这样,标本提取几何影响能量的影响,和一个新的机械性能来描述定义材料承载能力的影响。最后,基于冲击试验结果的回归分析两种钢进行验证模型的合理性。

2。数学模型来评估影响能量

2.1。v形缺口试样的动态响应过程,横向的影响

v形缺口试样的变形模式,横向影响,如图1,可以被视为一个动态三点弯曲。摆的影响后,试样的动态响应过程完全打破了之前主要包括三个部分:弹性变形、塑性变形和裂纹扩展。基于平面假设和弯曲变形的应力应变状态的分析,在弹性变形,钟摆的动能转化为弹性势能,这是分布在整个标本。在塑性变形阶段,部分包含附近的局部塑性变形发生位置的影响。点的v形缺口最大拉应力和应变。弯曲变形发展到一定程度时,裂纹会发生。裂纹萌生后,裂缝将最有利于其传播方向传播,直到样品是完全坏了。

通过分析后的试样的动态响应过程的影响,它可以知道样品结构冲击载荷的抵抗能力与弹性和塑性变形阶段的抗弯强度和裂纹扩展时的能量吸收。

2.2。v形缺口冲击能量的数学模型

基于上述分析,可以得出结论,影响能量由三部分组成:弹性变形能量E_e塑性变形能量的结构E_p,和能源消耗在断裂裂纹扩展部分E_c。试样的冲击能量可以表示为这些能量的总和,也就是说,

在弯曲过程中,变形过程中能源消耗是弯矩和挠度角增量的产物。与此同时,材料的压力将会改变由于应变强化效应和应变率效应,这将导致的实时变化抵抗变形的弯矩。因此,弯矩可以被视为偏转角的函数米(θ)。裂纹扩展所消耗的能源消耗的能量的总和每个区域单元的断裂部分。单位面积的能耗可以表示为一个函数的位置γ(x,y)。总之,每一项的右边方程(1)可以表示为

其中,的实时弯矩标本在弯曲变形; 单位面积上的能量消耗在不同位置时的截面裂纹生长;的旋转角标本的弹性变形;标本的角度当裂缝发起背后的标本;的面积是裂纹扩展部分。

因此,方程(1)可以表示为

在弹性变形阶段,对简支矩形截面结构,横截面的弯矩

其中,截面上的最大应力,在弹性阶段;它的大小与弯曲变形;横截面的宽度的切口中心;横截面的厚度的切口中心。

用方程(6)方程(2)给

在弹性阶段,切口横截面上的最大应力和应变的增加线性偏转角度,直到达到弹性极限,所以它可以得到方程(7),

其中,材料的屈服强度。

根据材料力学,偏转角度的弹性变形阶段

其中,之间的跨度的两端简支结构的支持。是材料的杨氏模量。

用方程(9)方程(8),能量耗散在弹性阶段 在哪里是当材料达到弹性极限的压力。

关于α_e作为一个弹性指数反映了材料在弹性阶段中吸收能量的能力,

用方程(11)方程(10)给

当横截面上的最大应力达到材料的屈服强度,弹性变形通常转化为塑性变形。在进入塑性变形阶段,考虑应变强化效应和应变率效应,机械性能的材料表现出高度的非线性特性的动态变形过程中(10]。因此,真正的弯矩在弯曲部分实时变化,表现为偏转角的函数θ。实时截面的弯矩在塑性变形阶段可以写成修正系数的产物k_r(θ横截面)和最终的塑料的时刻米_p,也就是说,

最终的塑性弯矩米_p计算静态屈服强度的材料和几何尺寸的切口部分,反映了极限弯矩时的材料部分理论上收益率完全处于静态弯曲。米_p变形过程中不会改变。实际的变形过程的弯矩的变化被认为是乘以修正系数函数k_r(θ)。

用方程(13)方程(3),我们可以得到

很难得到解析形式的应变强化效应和应变率效应的材料塑性变形的过程,但积分结果可以被替换的平均值乘以总变形,也就是说,

其中,均值变化的过程中吗 。

用方程(15)方程(14),它给

一个矩形截面结构,最终时刻的部分

不同的弹性变形、塑性变形后试样的影响是有限的本地位置。矩形截面的塑性区标本被认为是两个对称分布的三角形,如图2。

当发生塑性变形时,偏转角增量之间的关系和曲率是 在哪里是塑料的最大长度区域,如图2。

应该注意的是,当地的塑性区长度l_h将改变在变形。然而,对于数学简单,一些固定的值l是推荐的。在矩形截面梁的情况下,l_h约等于弯曲部分的厚度(11,12]。

之间的关系在弯曲部分的最大应变和曲率 在哪里是中性面切口的距离。

如果ε_马克斯增加断裂应变ε_f、发生裂纹开裂和断裂应变ε_f是材料本身的力学性能。让ε_马克斯=ε_f;从方程(18)和(19裂纹萌生发生时),偏转角增量可以派生

从方程(16)∼(20.),可以推导出塑性变形所消耗的能量

让

因此,方程(21)可以写成

其中,是内在的冲击韧性,它被定义为方程(22),以反映韧性材料本身的动态过程。

同样,平均值是用来简化表达的能源消耗在裂纹扩展过程中,也可以写成产品的单位面积上的平均能量和骨折横截面积。因此,方程(4)可以简化如下:

其中,单位面积上的平均能源消耗在裂纹扩展过程中,反映材料抵抗裂纹扩展的能力。

用方程(12),(23)和(24)方程(5),影响的简化数学模型为矩形截面结构可以获得工作

局部塑性变形的长度 (11,12),我们用它来方程(25)和派生

3所示。实验验证数学模型的影响工作

描述的数学模型方程(26921)是影响实验的验证和Q235B钢。

3.1。冲击试验设备和测试材料

为了验证公式的有效性(26对矩形截面),一系列影响测试标本不同大小和冲击试验结果的回归分析。

冲击试验是在室温下进行,jb - 300 b摆锤式冲击试验机被选中试样进行冲击荷载。标本的几何形状如图所示3。支持之间的跨度l是40毫米;所有标本是55毫米的长度。控制裂缝的位置,观察的角度是45°和深度是2毫米,每个标本的中心。底部的曲率半径的等级是0.25毫米。韧带长度h是样品的宽度,真正参加暴露。所有标本被电火花线切割加工,抛光粗糙度满足ASTM A370标准要求。石油污染与丙酮去除。

超高强度钢921在本研究选择冲击试验;测量其基本力学性能如表所示1。

三个影响测试每个影响标本上进行了相同的大小和材料,和三个测试的平均值作为最终结果。

3.2。分析测试结果的影响

影响测试结果的标本采用921 a钢表所示2。

根据每个参数的物理意义在方程(26),边界条件的参数表3回归分析。内在冲击韧性α_t和平均单位面积上的能量消耗γ_大街必须是积极的。的价值α_e可以用计算每个材料的屈服强度、屈服应变方程(11)。

非线性双独立变量进行了回归分析数学与软件,并分析结果如表所示4。r平方值接近于1,说明拟合的效果。然而,的价值接近于0,值接近于1,表明的价值是极其微不足道。比能量消散在弹性变形和塑性变形能量,本研究中使用的材料的表面能比前两个小得多的数量级的差异(13]。因此,作为回归分析的结果,渺小的γ_大街是合理的,这表明γ_大街可能被忽略在低精度要求。

用大小的标本和拟合结果α_e和α_t方程(12)和(23),分别,我们发现与明显的塑性材料,塑性变形所吸收的能量远远大于弹性变形,由现有研究普遍接受(14]。

用921钢进入方程的拟合结果(26),我们获得之间的关系一个和H(图4(一))和之间的关系一个和(图4 (b))。同时,冲击试验结果也是在相应的坐标进行比较,如图4。

从图可以看出4影响测试的结果都是附近的分布曲线方程基础上(26)。之间的平均差异结果评估方程(26测试是10.54%)和获得的影响。考虑到相当大的冲击试验本身的不连续性,描述的数学模型的准确性和有效性方程(26)可以接受的。此外,韧带长度之间的关系h和冲击能量一个大约是二次能量和W厚度之间的关系和影响一个大约是线性的,这是在良好的协议与数学模型15]。

4所示。讨论

影响能量的数学模型照明材料本身的力学性能之间的关系,结构的几何尺寸,影响工作。因此,它是可能的估计不同尺寸结构的冲击能量与已知材料的力学性能参数。如果某一结构的冲击能量作为一个索引来评估影响结构的承载能力,这个模型可以作为设计基础或可靠性评估的工具16]。

此外,常用的参数一个_k和α_k影响试样的几何。因此,的比较一个_k或α_k标本之间不同的或非标准尺寸不能反映他们的韧性差17]。内在冲击韧性α_t本文没有与试样的几何关系,可以认为是材料本身的力学性能。此外,α_t可以通过回归分析的基础上,本文构造的数学模型(18]。考虑到方便冲击试验,α_t有可能被应用到评估等材料的韧性呢K_集成电路和K_Id。

值得注意的是,影响能量的数学模型,本文建立了材料明显的可塑性。材料的可塑性,在这项研究中提出的数学模型不适用(18]。在这项研究中提出的数学模型没有考虑结构的惯性效应在高速率的影响需要进一步的研究。

5。结论

(1)通过分析v型缺口减少的动态响应过程的横向冲击锤,可以建立一个数学模型来估计不同大小的冲击能量碎片。本研究揭示了影响能源缺口截面的宽度线性相关。相关规定厚度的第二次非线性缺陷验证了一系列影响。(2)固有的冲击韧性是独立的大小和几何形状的材料,可称为材料本身固有的冲击韧性。当比较不同材料的卷,它不再需要使用相同的标本为冲击试验标准尺寸。(3)当使用结构延性脆性转变温度以下,高速冲击载荷,在本研究中建立的数学模型不能用于理论,需要考虑的结构惯性。

数据可用性

标签数据集用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金青年项目(51605116)。