Исследование изгиба толстолистового проката с градиентом прочностных свойств по толщине

В работе исследуется изгиб пластины из толстолистовой судовой стали А32 с градиентом прочностных свойств по толщине. Градиент свойств достигался односторонним ускоренным охлаждением пластины из аустенитной области. Вследствие этого по толщине пластины формировался спектр микроструктур: от феррито-бейнитной на ускоренно охлаждаемой поверхности до феррито-перлитной на другой. При малом упругопластическом изгибе стальной пластины с однородной микроструктурой нейтральная плоскость деформации смещается в область сжатия, что объясняется большим сопротивлением материала сжатию, чем растяжению. Исследований смещения нейтральной плоскости при изгибе стальных пластин с градиентом прочности по толщине и SD-эффектом (различными пределами текучести на растяжение и сжатие) в литературе не найдено. Цель настоящей работы заключалась в разработке математической модели пластического изгиба стальной пластины с SD-эффектом и градиентом прочности по толщине при конечных прогибах для подтверждения целесообразности одностороннего термического армирования листового проката. Установлено, что смещение нейтральной плоскости при изгибе, обусловленное SD-эффектом, зависит от коэффициента разнопрочности и направлено в сторону сжатых волокон. Смещение нейтральной плоскости, вызванное градиентом прочности, зависит от абсолютной величины этого градиента и направлено в сторону градиента. Рассчитано, что величина предельного изгибающего момента при изгибе пластины из стали А32 с градиентом прочностных свойств по толщине не меньше аналогичной величины для нормализованного и термоупрочненного состояния при любом направлении градиента прочности относительно направления изгиба. Сделан вывод, что предложенная технология упрочняющей обработки толстолистового проката из углеродистых и низколегированных сталей с использованием ускоренного одностороннего охлаждения обеспечивает комплекс механических свойств не хуже, чем для термоупрочненного состояния. При этом экономия охлаждающей воды составляет до 40 %.

1. Подгайский М.С., Максимов А.Б., Наливайченко Т.М. Пластическое деформирование при циклическом знакопеременном изгибе // Физико-химическая механика материалов. 1983. № 1. С. 115–116.

2. Hill R. The Mathematical Theory of Plasticity. Oxford: Clarendom Press, 1950. 368 p.

3. Kulawinski D., Nagel K., Henkel S., Hubner P., Kuna M., Biermann H. Characterization of stress-strain behavior of a cast TRIP steel under different biaxial planar load rations // Engineering Fracture Mechanics. 2011. Vol. 78. No. 8. P. 1684–1695. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2011.02.021

4. N’souglo K.E., Rodríguez-Martínez J.A., Vaz-Romero A., Cazacu O. The combined effect of plastic orthotropy and tension-compression asymmetry on the development of necking instabilities in flat tensile specimens subjected to dynamic loading // International Journal of Solids and Structures. 2019. Vol. 159. P. 272–288. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2018.10.006

5. Павилайнен Г.В. Математическая модель задачи изгиба пластически анизотропной балки // Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия. 2015. Т. 2(60). Вып. 4. С. 633–638.

6. Alexandrov S., Hwang Y.-M. The bending moment and springback in pure bending of anisotropic sheets // International Journal of Solids and Structures. 2009. Vol. 46. No. 25–26. P. 4361–4368. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2009.08.023

7. Ahn K. Plastic bending of sheet metal with tension/compression asymmetry // International Journal of Solids and Structures. 2020. Vol. 204–205. P. 65–80. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2020.05.022

8. Максимов А.Б., Шевченко И.П., Ерохина И.С. Толстолистовой прокат с изменяющимися механическими свойствами по толщине // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 8. С. 587–593. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-8-587-593

9. Maksimov A.B., Erokhina I.S. Properties of rolled plate with strength gradient across thickness // Inorganic Materials: Applied Research. 2021. Vol. 12. No. 1. P. 172–176. http://doi.org/10.1134/s2075113321010251

10. Verguts H., Sorwerby R. The pure plastic bending of laminated sheet metals // International Journal of Mechanical Sciences. 1975. Vol. 17. No. 1. P. 31–51. https://doi.org/10.1016/0020-7403(75)90061-2

11. Majlessi S.A., Dadras P. Pure рlastic bending of sheet laminates under plane strain condition // International Journal of Mechanical Sciences. 1983. Vol. 25. No. 1. P. 1–14. https://doi.org/10.1016/0020-7403(83)90082-6

12. Ярцев Б.А. Введение в механику моноклинных композитов. Санкт-Петербург: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2020. 224 с.

13. Srividhya S., Raghu P., Rajagopal A., Reddy J.N. Nonlocal nonlinear analysis of functionally graded plates using third-order shear deformation theory // International Journal of Engineering Science. 2018. Vol. 125. P. 1–22. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2017.12.006

14. Ghayesh M.H., Farajpour A. A review on the mechanics of functionally graded nanoscale and microscale structures // International Journal of Engineering Science. 2019. Vol. 137. P. 8–36. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2018.12.001

15. Gholipour A., Ghayesh M.H. Nonlinear coupled mechanics of functionally graded nanobeams // International Journal of Engineering Science. 2020. Vol. 150. Article 103221. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2020.103221

16. Chen W., Yan Z., Wang L. On mechanics of functionally graded hard-magnetic soft beams // International Journal of Engineering Science. 2020. Vol. 157. Article 103391. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2020.103391

17. Зайдес С.А., Ву Ван Г., Доан Тхань В. Разработка установки для повышения поверхностной твердости цилиндрических деталей // iPolytech Journal. 2020. Т. 24. № 2. С. 262–274. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-262-274

18. Чукин М.В., Палецков П.П., Гущина М.С., Бережная Г.А. Определение механических свойств высокопрочностных и сверхпрочностных сталей по твердости // Производства проката. 2016. № 12. С. 37–42.

19. Falope F.O., Lanzonia L., Tarantino A.M. The bending of fully nonlinear beams. Theoretical, numerical and experimental analyses // International Journal of Engineering Science. 2019. Vol. 145. Article 103167. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2019.103167

20. Pinnola F.P., Faghidian S.A., Barretta R., Marotti de Sciarra F. Variationally consistent dynamics of nonlocal gradient elastic beams // International Journal of Engineering Science. 2020. Vol. 149. Article 103220. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2020.103220

21. Эйсмондт К.Ю. Разработка и внедрение в производство устройств термоупрочнения проката регулируемым охлаждением на основе анализа процессов теплообмена: Автореферат диссертации … кандидата технических наук. Екатеринбург, 2011.

22. Гуляев А.П. Металловедение. Москва: Металлургия, 1977. 600 с.

23. Pronina Y., Maksimov A., Kachanov M. Crack approaching a domain having the same elastic properties but different fracture toughness: Crack deflection vs penetration // International Journal of Engineering Science. 2020. Vol. 156. Article 103374. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2020.103374