книги / Характеристики прочности и пластичности конструкционных материалов при высоких скоростях деформации
..pdfГ л а в а 11
Т1ЮРЕТ11ЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВЛЗИСТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПРИ ОДНООСНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ С ВЫСОКИМИ СКОРОСТЯМИ ДЕФОРМАЦИИ
2.1. Классификация кваанстатических испытании
Как показано и гл. 1, поведение материала иод нагру: кой - проявление функциональной связи напряжений и де формаций. Эта связь устанавливается по результатам экспериментальных исследований путем сопоставления, мгно венных значений напряжений и деформаций,соответствую щих определенному' объему материала.
Г.,н статнмискнх испытаниях для ограниченного обкома материала легдю сопоставить .напряжения и деформации. Несмотря на то, что непосредственное измерение напряже ний и деформащДд в однод.1 и xpfl же точке материала затруд нено, медледдое нзмедедне нагрузки во времени, допускаю щее пренебрежение нестационарным распределением напря жений в ценд нагружения,. связанным с волновыми процес сами, позволяет измерить нагрузку в интересующем*' объеме материала по ее величине в любой точке цепи нагружения;
■Повышение скорости деформации и связанное с этим появление нестационарного поля напряжений, отличного от поля, соответствующего статическому нагружению, по вышает сложность приведения напряжений и деформаций для заданного объема материала при их измерении в раз личных точках цепи нагружения. Такие испытания требуют разработки специальных методов экспериментальных иссле дований, поставленных таким образом, чтобы упростить анализ.
В кваанстатических испытаниях, представляющих расши рение статических Испытаний на область более высокой скорости деформации (меньшей длительности действия на грузки), регистрируемая нагрузка и деформация относится К определенному объему материале, который равномерно де формируется в процессе испытания, Поддержание равномвр-
21
ности деформаций на требуемом уровне позволяет устало - вить при реализуемом в процессе испытания законе нагру жения связь напряжений и деформаций для исследуемого материала.
В соответствии со скоростью деформации (длитель ностью нагружения) и связанными с ней особенностями нагружения и регистрации кваэистатическне испытания (статические испытания являются частным случаем квазистатическнх испытаний) можно разделить на четыре груп пы.
1. Длительные испытания. Используются при изучении ползучести и релаксации материала под нагруа'кой. Дли тельность испытаний в. зависимости от температуры имеет порядок от долей' часа до десятков тысяч часов. Скорость
.деформации ниже 10“ 4 сек~^. Обычно нагрузка на обра зец прикладывается через рычажную систему силой тяжес ти грузов. Регистрация нагрузки и. деформации осущест вляется приборами с высокой инерционностью. Сопротивле ние деформации контролируется процессами деформацион ного упрочнения и релаксации.
2. Кратковременные статические, испытания. Представ- . ляют основной вид испытаний для определения механичес ких характеристик материала. Длительность испытания на ходится в диапазоне десятки, секунд-минуты. Соответствую^, щая скорость деформации £ = 10“*4_Ю “ 2сек- 1 > Обра зец нагружается на машинах с механическим или гидравли ческим приводом непрерывного действия. Регистрация на грузки и деформации с использованием механической запи си дает достаточную точность (за исключением отдельных участков кривой деформирования, связанных с быстрым изменением нагрузки или деформации). В процессе пласти ческого течения при не очень высоких температурах прева лируют эффекты, связанные с деформационным упрочнением.
• 3, -Скоростные испытания. Определяют сопротивление материала при повышенных скоростях деформации, не свя занных с ударным приложением нагрузки. Длительность испытаний - секунды - десятки миллисекунд, что-соответ ствует скорости деформации порядка lf r - l - 10* сек~^
22
Использование механического или гидравлического привода непрерывного действия затруднено вследствие чрезмерного возрастания требуемой мощности. Как более рациональный используется метод нагружения образца в течение коротко го промежутка времени за счет запаса потенциальной энер гии газа (в пневмо-гидравлических установках if2 8 J ) или ударом через систему рычажного типа для снижения скорос ти. Регистрация напряжений и деформаций' возможна мало инерционной аппаратурой с равномерной частотной характе ристикой в диапазоне частот до нескольких килогерц. Необ ходимо учитывать возможность влияния на распределение деформаций по образцу и усилий в цепи нагружения волно^ вых процессов. Сопротивление деформации контролируется, деформационным упрочнением.
4. Высокоскоростные испытания. Характеризуют со^ противление материала деформации при высоких скоростях, имеющих место при ударном и взрывном действии нагруз ки, На фронте упруго-пластических и ударных волн /“ 14 7. Длительность действия нагрузки находится в пределах от. нескольких миллисекунд до микросекунды. Соответствую щая скорость деформации повышается до 10^сек~^, Обес печение необходимой точности регистрации напряжений и (деформаций требует использования электронной регистри рующей аппаратуры с частотой пропускания до нескольких мегагерц. Достоверная информация о сопротивлений мате риала деформации может быть получена только при анали зе результатов с учетом волновых процессов в образце н цепи измерения усилия. Для испытаний применяются спе циальные схемы нагружения с использованием энергии уда ра /7,13,27/, реже-взрыва /47, энергии электромагнит— лого поля / 37 и других импульсных источников энергии.
Кок и при статических испытаниях прп одноосном напряженном состоянии рбжнм нагружения обычно опреде ляется требуемой Информацией. В процессе испытания под держивается постоянная скорость пластической деформации или. нагружения, постоянны»! уровень нагрузки или режим нагружения более сложного, вида.
Далее будут рассмотрены основные требования к мето.
пике испытаний при одноосном'напряженном, состоянии, про анализированы схемы нагружения и регистрации, описана и обоснована предложенная методика испытаний на растя жение, установлены границы её применения.
2.2. Постановка высокоскоростных механических испытаний материалов
В опубликовойнЬос'методических рекомендациях по вы- coKOCKtip'ocTlibiM испытаниям материалов / 7, 13./ недоста
точно' рассмотрены вопросы обеспечения заданного закона
нагружений' обрьзна в исследуемом скоростном диапазоне,
атакже качественной связи с ним ожидаемой информации
омеханическом поведении материала, что приводит к серьезным затруднениям при анализе и обобщении экспери ментальных результатов.
Рассмотрим особенности испытаний материалов при одноосном.растяжении (или сжатии), отличающихся реали зуемым .законом нагружения образца, и проведем анализ ряда известных экспериментальных методик.
Зависимость механических свойств материала от ско рости нагружения связана, как показано в гл. 1, с изме нением структурного состояния материала и вязкой сос тавляющей сопротивления, так что поведение материала под нагрузкой в общем виде может быть представлено в виде функции
если структурное состояние может быть определено вели чиной эквивалентной деформации , зависящей от пути нагружения и величины пластической деформации «2*,.
При проведен, и серии испытаний с целью выяснения зависимости сопротивления деформации от скорости нагру жения (деформации) необходимо обеспечить возможность сопоставления результатов с целью выяснения влияния скорости, не искаженного влиянием изменения пути негру.- жения,- поскольку последний изменяет структуру материала
24
и, следовательно, сопротивление деформации. Для такого сопоставления необходимо провести всю серию испытаний, связанную с изучением влияния скорости нагружения так, чтобы величина последней являлась единственным парамет ром, определяющим изменение деформаций (напряжений) во времени. Соответствующий этому-условию закон деформиро вания назовем параметром испытания.
Поддержание во всей серии экспериментов одного пара |
|
метра испытания вида (ЗГ ( t ) или £ |
( t ) позволя |
ет обобщить результаты зависимостями |
|
£ ,£ )-a , S f r |
*) -<? |
Такие функции изображаются в пространстве ( (Т , £ , £ ) или ( $ , £. i ) в виде криволинейных поверхностей деформирования, образованных семейством кривых,' получен ных в серии экспериментов с определенным параметром испытания.
Рис. 2 Д . Поверх ность деформирования армко-железа.
25
Но рис. 2.1. приведена схематически поверхность деформи рования. построенная по результатам испытания с парамет ром = СО/Тf t для армко-железа.
Непосредственное получение интересующей информации о механических характеристиках материала обеспечиваете* если .параметр испытания, задаваемый образцу испытатель ной машиной или устройством, представляет наиболее близ кую аппроксимацию характера нагружения или деформирова ния материала при его эксплуатации.
При высокоскоростных (динамических) испытаниях ма териалов принципиально может быть реализован произволь ный параметр испытания. Однако методические трудности, связанные с волновыми эффектами в образцах, ограничен ные возможности экспериментальной техники, необходимость обеспечить корректную трактовку и привязку к результатам статических испытаний ограничивают высокоскоростные испытания наиболее простыми параметрами
(5 « e o n r f ; <$ - С г w r f . & ~ е & *г/
Методики динамических испытаний,* реализующие каж дый из указанных параметров, позволяют получить специ фическую информацию о механическом поведении материала
под нагрузкой. Рассмотрим их кратко. |
. |
1. При испытании с параметром (5 “ СОМТ |
материал |
нагружают прямоугольным импульсом напряжений различ ной длительности. Для нагружения, образна обычно исполь зуется удар длинного стержня, скорость которого опреде ляет амплитуду, а длина-длительность импульса L 10J .
Указанному параметру испытания в пространстве |
) |
|||
соответствует |
плоскость . (S’ = CAfftf , параллельная |
плос |
||
кости |
£{?С |
. в которой |
может быть зарегистрирована |
|
кривая |
£ {Г |
). По своему |
характеру эта кривая аналогич |
|
на обычной кривой ползучести и нос оляет выявить особен ности зарождения и развития пластической деформации в импулъсно нагруженном материале. Испытания с таким па раметром широко применяются для * исследования явления 'задержки текучести* и закономерностей распространении
26
упруго-пластических воли в стержнях. Вместе, с тем оче видно, что такие испытания не позволяют получить данные
. о сопротивлении материала деформации в виде характерис
тик прочности. |
|
2. Параметр испытании 6 |
определяет линей |
ный закон нарастания напряжений в образце. Для нагруже ния чаще всего используется удар массивного груза по го ловке образца C1J через специальный волновод с демпфи рованием. удара за счет контактных явлений. Величина ско рости нагружения определяется по осциллограмме <5ТУ/ регистрируемой в сечении, прилегающем к рабочей части
образца. В пространстве ( & , £ , |
& ) |
этому параметру |
|||
испытания соответствует плоскость, |
проходящая под углом |
||||
к плоскости |
$ 0 £ , |
что указывает |
на возможность реги-. |
||
страции двух |
кривых |
£ ( / ) и |
S |
( £ |
). Поскольку |
существующие методики обеспечивают линейный закон на гружения (близкую аппроксимацию действительного измене ния напряжений во времени) только в упругой области, за верхним пределом текучести начальный параметр испытания G = не выдерживается. Величина нижнего пре дела текучести, предела прочности и другие характеристики
сопротивления пластической деформации, |
определенные'в та |
|||
ких испытаниях, соответствуют |
не |
параметру (3** “ Со#чх |
||
а некоторому другому, близкому |
£ ш |
в пластиче |
||
ской области |
C U . Реакция материала на внешнее силовое |
|||
воздействие |
выражается кривой |
£ |
( с |
), позволяющей |
вполне корректно оценить значение верхнего предела теку чести и, таким образом, построить начальный участок кри вой деформировании (Г ( £ ). В некоторых исслодогулших нагружение с постоянной скоростью используется для изу чения "задержки текучести", Для сопоставления получае
мых при |
этом данных е-результатами 'определения |
време |
||||
ни задержки в испытаниях с постоянной нагрузкой |
($“ |
*• |
||||
=* CO/fft |
требуется привлечение критериев текучеети. |
|
||||
Очевидно, |
что в упругой области между параметрами |
<j |
«- |
|||
« СО/7Ы |
и |
£ |
имеет место одно тачное COOT- |
|||
ветствие, |
которое дает основание для прямого |
сопоставле |
||||
нии экспериментальных |
результатов но пределу |
1екуч<ччн. |
||||
27
3. Параметр испытания £ = CC/7f£ наиболее часто реализуется при исследованиях, поскольку обеспечи
вает регистрацию кривой деформирования |
<S ( £ ) |
и |
определение'основных прочностных и деформационных |
ха |
|
рактеристик материала - пределов текучести, прочности, сопротивленйя отрыву, удлинения и поперечного сужения. Непрерывное возрастание скорости в серии экспериментов позволяет провести сопоставление с результатами стати ческих испытаний.
При одноосном напряженном состоянии в процессе испытания образцу задается постоянная скорость удлиненияскорость деформирования. Наиболее распространенной являети. ся схема нагружения образца ударом по одной из его го ловок массивным бойком. Если, масса бойка и его кинети ческая' энергия таковы, что потери на деформирование и разрушение образца существенно не изменяют скорость бойка, последняя определяет скорость Деформирования и остается неизменной в процессе испытания. При условии
обеспечения равномерного напряженного состояния |
по длине |
||
образца постоянная скорость деформирования определяет |
|||
постоянную скррость деформации |
£ |
= |
( I f - |
скорость движения головки образца; |
£ |
-длина |
образца), |
,В пространстве ( S ♦ <Г , £ |
) параметру испытания |
||
£* CO/Tft соответствует плоскость, параллельная ко
ординатной плоскости |
G 0 £ |
. В пространстве & , £ , £ |
||||
плоскость |
£ |
*=■Coffft |
расположена под углом к коор |
|||
динатным плоскостям |
G o 1 |
и |
£ o t , в которых лежат |
|||
кривые |
6 ( t |
) и |
|
£ |
( £ |
) (рис. 2 .2 ). |
Исходя из линейного закона возрастания деформации во |
||||||
времени кривую |
$ |
( t |
) |
можно рассматривать как кри |
||
вую деформирования |
(S '(<£*. ) |
с изменением масштаба. |
||||
Это позволяет отказаться от методически сложной регистра
ции зависимости |
£ ' ' ( £ |
) |
и ограничиться измерением |
|
скорости деформирования |
£ |
и нагрузки |
($" ( £ ). |
|
Не останавливаясь на рассмотрении методик, в которых не выдерживается определенный параметр испытания при нагружении с различными' скоростями, заметим, что дан ные таких испытаний связаны с конкретными условиями на-
28
Рис. 2 .<L. 1 ьометрическое представление испытаний с Достоянной скоростью деформации
гружения,и их интерпретация, и сопоставление с реаультата ми других экспериментальных исследований требуют боль шой осторожности.
На основании изложенного следует, что при высокоско ростных испытаниях необходима регистрация двух из зави симостей <5* ( 6 ), £ ( £ ), & ( £ ) ■ . Выбор параметра испытания определяет характер информации о механичес ком поведении материала при скоростном нагружении. Обеспечение определенного параметра Испытания является непременным условием получения достоверных и сопоста вимых данных при различных скоростях нагружения (дефор мации).
29
2.3.Влияние жесткости цепи нагружения
Жесткость цепи нагружения испытательной машины, включающей образец из исследуемого материала, динамо метр и соединительные элементы, в зависимости от со противления материала и его изменения в процессе испы- . тания оказываетразличное влияние на закон нагружения (деформации) материала в объеме рабочей части образца. Связанное с этим отклонение параметра испытания от ном нального налагает ограничения на допустимую жесткость цепи нагружения. Влияние жесткости особенно ощутимо npi резком изменении скорости деформации или нагрузки, имей
щих место при' переходе |
от упругого к упруго-пластическо |
му поведению материала, |
вблизи верхнего и нижнего пре |
делов текучести, предела |
прочности, у точки разрушения. |
В связи с этим рассмотрим влияние жесткости нагружения
на закон деформирования. Основное внимание |
уделим |
рас |
смотрению отклонения, от параметра испытания |
£ «* |
' |
В испытательных машинах с непрерывной работой при вода, мощность которого достаточна для поддержания постоянной скорости движения захватов при деформирова нии образца ( механические и гидравлические испытатель ные машины), скорость деформации обычно не превышает
- 2 - 1 10 сек , что соответствует скорости деформирования
Порядка нескольких см/мин. Верхний диапазон скоростей деформирования ограничивается установленной мощностью привода, .поскольку с возрастанием скорости пропорциональ но возрастает потребляемая мощность,
В испытаниях с повышенными скоростями деформации Наиболее рациональным является использование для дефор мации запаса потенциальной энергии’ сжатых газов. Такой Метод нагруженияосуществлен в пневмо-гидравлических системах, общая схема которых соответствует представленЙРЙ на рис. 2 ,3 .. Высокоскоростные испытания связаны с использованием для нагружения энергии удара и реализует ся в соответствии со схемами, представленными на рис. 2.4.
30