Влияние масштабного фактора на модуль нормальной упругости стали, определяемый растяжением образцов

Модуль нормальной упругости считается достаточно устойчивой физико-механической характеристикой материалов, мало зависящей от их состава и структуры. Среди факторов, влияющих на модуль нормальной упругости, выделяют температуру и анизотропию. Сведения о влиянии масштабного фактора на модуль нормальной упругости весьма ограничены, а иногда и противоречивы. Цель данной работы — исследование влияния масштабного фактора на модуль упругости стали 45, определяемый растяжением геометрически подобных образцов с разным исходным диаметром. Испытания образцов проводили на универсальной машине Instron 8801 со скоростью деформирования 0,1 мм/мин при комнатной температуре. Упругие деформации при растяжении измеряли двумя способами — с помощью навесного экстензометра и методом корреляции цифровых изображений. Оба метода показали достаточно близкие результаты при испытании образцов одинакового диаметра. Однако метод корреляции цифровых изображений позволил выполнить измерения упругих деформаций на образцах малого диаметра, на которых нельзя было закрепить экстензометр. Установлено снижение модуля упругости с увеличением исходного диаметра образца. Получены графические зависимости модуля упругости от диаметра образца и площади его поперечного сечения. Изложены возможные причины снижения модуля упругости под влиянием масштабного фактора. Среди этих причин основными можно считать уменьшение удельной поверхности и удельной поверхностной энергии, увеличение деформируемого объема, снижение скорости деформации при постоянной скорости деформирования. Уменьшение модуля упругости под воздействием масштабного фактора необходимо учитывать в расчетах на прочность и при оценке остаточного ресурса деталей и конструкций с относительно большими сечениями и толщинами стенок.

1. Husain A., La P., Hongzheng Y., Jie S. Influence of temperature on mechanical properties of nanocrystalline 316L stainless steel investigated via molecular dynamics simulations / Materials. 2020. Vol. 13. N 12. P. 2803. DOI: 10.3390/ma13122803

2. Wang W., Liu B., Kodur V. Effect of temperature on strength and elastic modulus of high-strength steel / Journal of Materials in Civil Engineering. 2013. Vol. 25. N 2. P. 174 – 182. DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000600

3. Tromans D. Elastic anisotropy of HCP metal crystals and polycrystals / Int. J. Recent Res. Appl. Stud. 2011. Vol. 6. N 4. P. 462 – 483.

4. Gol’dshtein R. V., Mokryakov V. V., Chentsov A. V., et al. Anisotropy of the effective elastic modulus of a steel plate with a lattice of circular holes / Russian Metallurgy (Metally). 2017. P. 838 – 841. DOI: 10.1134/S0036029517100068

5. Rozanski A., Rajczakowska M., Serwicki A. The influence of microstructure geometry on the scale effect in mechanical behaviour of heterogeneous materials / J. Composite Mater. 2017. Vol. 24. N 4. P. 557 – 571. DOI: 10.1515/secm-2015-0007

6. Petrova Y., Perez-Juste J., Zhang Z., et al. Crystal structure dependence of the elastic constants of gold nanorods / J. Mater. Chem. 2006. Vol. 16. P. 3957 – 3963. DOI: 10.1039/B607364F

7. Vogl L. M., Schweizer P., Richter G., Spiecker E. Effect of size and shape on the elastic modulus of metal nanowires / MRS Advances. 2021. Vol. 6. P. 665 – 673. DOI: 10.1557/s43580-021-00103–3

8. Sutton M. A., Orteu J. J., Schreier H. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. — NY: Springer New York, 2009. — 322 p.

9. Griffith A. A. The phenomena of rupture and flow in solids / Proc. Roy. Soc. Lond. 1921. Vol. 221. P. 163. DOI: 10.1098/rsta.1921.0006

10. Александров А. П., Журков С. Н. Явление хрупкого разрыва. — М.: Гос. техн.-теоретич. изд-во, 1933. — 52 с.

11. Шевандин Е. М., Маневич Ш. С. Эффект масштаба при хрупком разрушении стали / Журнал технической физики. 1946. Т. XVI. С. 1223 – 1234.

12. Чечулин Б. Б. Масштабный фактор и статистическая природа прочности твердых тел. — М.: Металлургиздат, 1963. — 120 с.

13. Матюнин В. М. Индентирование в диагностике механических свойств материалов. — М.: Издательский дом МЭИ, 2015. — 288 с.

14. Atkinson M. J. Phenomenology of the size effect in hardness tests with a blunt pyramidal indenter / J. Mater. Sci. 1998. N 33. P. 2937 – 2947.

15. Федосов С. А., Пешек Л. Определение механических свойств материалов микроиндентированием. — М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2004. — 98 с.

16. Головин Ю. И. Наноиндентирование и его возможности. — М.: Машиностроение, 2009. — 312 с.

17. Матюнин В. М., Марченков А. Ю., Казанцев А. Г. и др. Статическая, динамическая и циклическая прочность металла шпилек крупных гидроагрегатов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 9. С. 59 – 66.