книги / Характеристики прочности и пластичности конструкционных материалов при высоких скоростях деформации
..pdfБ
V
V
Рис. 2.3. Общая схема пневмо гидравлйческрй системы нагруже ния для испытаний материалов при повышенных скоростях деформиро вания.
Рис. 2,4. Схемы ударного нагружения при испытаниях материалов на сжатие;.
Проанализируем раздельно три типа .схем нагружения - с непрерывной работой привода, пневмогидравлических устройств и ударных схем нагружения.
31
1. |
Машины с непрерывной работой привода |
|
лР |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Жесткость машины определяется выражением |
|
” д Т |
||||
При постоянной величине нагрузки Р |
упругая деформация |
|||||
элементов цепи нагружения A L |
неизменяется, |
и ско |
||||
рость деформации, рабочей |
части |
образца длиной |
Р |
опре |
||
деляется поминальной скоростью |
1//у |
движения захвата |
||||
машины |
^ |
, |
|
|
|
|
При ’'вменении нагрузки на образец меняется деформа ция упругих элементов цепи нагружения и, следовательно, скорость деформирования рабочей части образца отклоняет ся от номинальной. Поскольку при изменении усилия на >
А р |
удлинение упругих элементов изменится на |
£ т |
«номинальному движению поршня машины (захвата) |
Др/у |
|
•соответствует деформация образца в его рабочей части
а/ -
( Л - плошадь сечения рабочей части образца). Отсюда,
принимая обозначение |
|
, приходим к мгновенной |
|
скорости деформации |
|
&/}* ZL) |
|
А |
- |
||
£ Cdt ~ |
Т " ёГ' |
( 2 .1 ) |
|
Как следует из выражения (2 .1 ), независимо от режима нагружения отклонение действительной скорости деформа ции от номинальной определяется отношением жесткостей пели нагружения и рабочей частр образца. В области упру гого поведения исследуемого материала модуль М соответ ствует модулю Юнга Е и, следовательно, действительная скорость деформирования наиболее сильно отклоняется в сторону уменьшения от номинальной. Отрицательная величина нодуля М ведет к возрастанию истинной скорости деформи-
32
рования по отношению к номинальной.» отклонение достигает
предельной |
e t |
величины при М = — ~ ~~~ . Отсюда следует, |
|
|
-V |
что участки резкого изменения скорости роста нагрузки |
|
(за зубом |
текучести, у точки разрушения) отличаются |
наибольшим нарушением закона нагружения, принятого для испытания. Чем больше жесткость цепи нагружения и чем выше податливость образна, тем меньше отклонение дейст вительного режима нагружения от номинального (номиналь ным назван закон деформирования при постоянной величи не упругой деформации цепи нагружения). Точное поддержа ние заданного закона нагружения или деформации требует применения системы со следящим приводом.
2. В гшевмогидравлических машинах при испытании с повышенными скоростями, позволяющими пренебречь инер цией поршня и других элементов цепи нагружения, действи тельная скорость деформирования исследуемого материала определяется его упрочнением в соответствии о, выраже нием (2 .1 ) C2Q7. Однако номинальная скорость в данном случае зависит от конкретной схемы устройства и его па раметров. Общая схема пневмо-гидравлического устройства для испытаний при повьтшенных скоростях представлена но рис. 2.3 (схема для испытаний на растяжение). В качество источника энергии для деформирования образца использует ся сжатый газ. Конкретные конструкции отличаются разно образием объемов , [ / j , [Л их связи с ресиве ром высокого давления и между с<хюй, сочетанием жидкос
ти и |
газа в объемах |
, Vt » Vi . Регулируемая по |
дача |
и выпуск газа( жидко'сти) по каналам I и И, управле |
|
ние клапаном 3 позволяют проводить испытания с различны ми параметрами.
3. Ударные схемы нагружения Могут быть разделены на три типа - растяжение (сжатие) образца исследуемого материала между массивными наковальней и движущимся грузом, между наковальней и стержнем и между двумя стержнями (рис. 2 .4).
Деформирование образца по схеме рис. 2.4,а между двумя массами обеспечивает наиболее высокую жесткость цепи нагружения, которая понижается введением упругих элементов для регистрации усилия и вследствие этого при водит к отклонению скорости деформирования от номиналь ной , соответствующей скорости соударения.
К этрй схеме нагружения относятся испытания на маят никовых, вертикальных и ротационных копрах при деформи ровании образцов с коротким динамометром. Принимая жест кость масс бесконечно высокой, при которой можно прене бречь их податливостью под нагрузкой, получаем, что жест кость цепи нагружения определяется жесткостью упругого
динамометра* При этом отклонение закона нагружения |
от |
|
параметра испытания |
£ = OOt?f£ определяется соотно |
|
шением податливостей |
динамометрической и рабочей |
час |
тей образца. Истинная скорость деформирования рабочей части образца С217
Здесь |
- скорость относительного движения масс; |
£ |
и А - длина и площадь поперечного сечения образца |
(рабочей части соответствует индекс ^0 , динамометри
ческой |
>• |
, , |
При модуле упрочнения ^ |
= A f ( £ ) скорость де |
|
формирования
Увеличение податливости динамометра ведет к'снижению скорости деформирования на. «участке повышении нагрузки и к ее повышению на участке спада нагрузки и, следователь но, к суцественному изменению скорости на участках рез ких изменений сопротивления материала деформации. Конеч
34
ное время, выравнивания напряжений по длине рабочей н динамометрической частей образца, которое не учитывает ся выражением (2 .1,а), приводит к некоторой неопределен ности в скорости деформации на участках резкого измене ния нагрузки, где особенно велико отклонение закона дефо[- мирования от номинального.
Деформирование образца между массой и стержнем по зволяет определить усилие и деформацию образца на основе регистрации упругой волны в стержне, что исключает влня-* ние волновых процессов в коротком динамометре, если вре мя нагружения меньше времени двойного пробега волны по стержню. Деформирование образца между двумя стержнями (рис. 2.4, в) имеет те же возможности, что и испытание материала при нагружении между массой и стержнем. Этот тип нагружения получил широкое применение для испыта ний на сжатие (так называемый метод разрезного стерж ня Гопкинсона ) ^"13, 27.7. Для испытанийна сдвиг и растя • жение используются модифицированные схемы нагружения.
Рис 2 .5 . Схема определения истинной скорости деформирования материала при растяжении (сжатии).
При испытании По схеме рис. 2.5,а скорость деформироваиия рабочей части образца определяется огносиТель-
35
иым смещением его концевых сечений
Поскольку напряжения в упругой волне, распротраняющейся
по динамометру, Sg ~ ^ ( f и *г ™ плотность и скорость звука в^материале динамометра), получим
1 - Л /V- *5L ).
( 2 . 2 )
Как следует из выражения (2 . 2 ) изменение скорости деформации в процессе испытания определяется только от ношением сечений в рабочей и динамометрической частях образца и номинальной скоростью деформирования
Сповышением скорости отклонение от закона деформации
£= C0/7ff уменьшается. Для; соотношения диаметров
|
при скорости |
= 25 м/сек в стальном образ- |
|
^ це при напряжении |
(3/* |
= 100 кГ/мм^ скорость деформа- |
|
ции |
£. = S y . |
0,74. С'.понижением уровня нагрузки на |
|
образец отклонение от номинальной скорости деформации
.понижается и, в отличие от рассмотренного выше случая
,испытания образца с коротким динамометром, отклонение скорости деформирования при нагрузке и разгрузке иден тично. Соответствующим выбором сечения динамометра можно обеспечить заданный допуск на отклонение скорости деформирования от номинальной в процессе всего испытания вплоть до разрушения. Следовательно, испытание образца с длинным динамометром, соответствующее деформированию образца йежду массой и стержнем, наиболее близко соот
ветствует испытанию образца с динамометров', податливость которого можно пренебречь по сравнению с податливостью рабочей части*.
При испытаниях с низкой скоростью ударного нагруже нии соблюдение постоянной скорости деформирования в про цессе п итании но 7>тй схеме гробупт значительного уве-
*ш|чеинн сечении динамометра, что приводит к возрастите влияния эффектов дисперсии упругой волны при ее распрос - гранении и затрудняет экспериментальную регистрацию упругого, импульса' низкой амплитуды.
В испытаниях по методу разрезного стержня Гоньинсипа (деформирование образна между двумя стержнями) скорость движения голоьки образин, воспринимающей. yq<jpшлй импульс,
|
_ 2 i |
•f? |
f c i ^ |
и, следовательно, -скорое/ь деформации |
|
ж |
|
7 >- г - |
eets) |
т.е. наблюдце тся удвоенное отклонение скороеm д«форм«- |
|
11НИ от поминальной по сравнению, с |
использованием одного - |
стержня. |
|
Таким образом, из. грех рассмотренных схем нагруже ния предпочтительной является схема деформирования образ ца между массой.и длинным стержнем-динамометром, обеспечивающая возможность получить наименьшее отклоне ние скорости деформировании от иомшшлыюЛ- в процессе возрастания и спада нагрузки л неискаженную регистрацию усилия деформирования вплоть до разрушения.
-Использование стержня-диплмомегра сечением близким к сечоиию испытуемого образна ведет к значительному отклонению закона деформирования от параметра
iipu низких скоростях деформации. Но мере возрастания скорости это отклонение снижается, следовательно, при испытаниях с различными скоростями деформации не рвали эуется единый параметр испытания,. что ограничивает воз можность сопоставления экспериментальных результатов без оценки влияния истории нагружения на сопротивления материала деформации.
37
2.4 . Анализ напряженного состояния образна.
При высоких скоростях деформации соблюдение необхо димой степени однородности требует упото волновых явле ний в образце, особенно в начальной стадии деформирования, и представляет значительные трудности. Анплнз напряжений п деформаций в образце в начальный период приложения на
грузки При ИСПМТЛННИХ С ППрПМеТрОМ £ " |
цро-v |
веден в рпботе ^ 22/, |
|
Пронебрегля податливостью (моментов нагружающей нопи, принимается, что один конец образна приобретает по стоянную спорость хЛ второй ОСТЛ'МТЯ НОНОПВИЖНЫМ (рис, 2 .0 ).
Рис, 2 .в. Изменение нагрузки на подвижном (а ) и закрепленном (5 ) концах образца (сплошные пинии сту пенчатое изменение скорости на подвижном конце образца, штриховые - линейное нарастание скорости о точение вро
**•» / - у |
• в - ^ |
>• |
Мгновенное приложение постоянной скорости переменноКИЯ К подвижной головке образца возбуждает распростране ние по образцу упругой волны с крутым! передним фронтом
амплитудой Л$ - f <*% ( d - стержневая скорость
звука в материале образца), Огражение прямой волны от закремлспиого конца образца (предполагается жесткая за делка ) возбуждает упругую волну с- противоположным на правлением распространения, которая в. результате взаимо действия с примой волной приводит одновременно к удвое нию напряжения (рис.2.7,а). Для концевых сечений образа ца процесс нарастании напряжений является ступенчатым
Рдс. 2.7; Распрсд. я- ипм напряжения и массовой скорос ти по длине рабочей части об разца: а, б - соответственно ступенчатое и линейной нарас тание скорости в области упру . того поведения материала; в - линейное нарастание ско
рости в области пластического поведения материала.
(рис. 2 .6 ,а, 2 .6 ,6 ). В промежуточных сечениях образца напряжение изменяется скачком в момент прохождения пря мой и отраженной волн на величину
Скорость движения материала (мйсоовая скорость)
равна скорости удара за фронтом прямой волны и уменьшает ся до нуля зб) фронтом1 отраженной волны.
39
Мри малой скорости деформирования иарпотанис1 напряжения на каждой ступени мало по сравнению с преде лом текучести ($ у материала, и его величина достигаете*» после многократного пробега волн по длине обрати.:!. Мри этом перепад давлений подлине рабочей части образца в момент начала пластического течения не превышает ам плитуды напряжений одной ступени 4 < Г , Так при ^
,т 1,0 см/сек |
в стальном |
образце |
(. ^ '«7 ,8 * 10~^кГ/сек^см - |
Q ь лг) , 0 Т |
0 ° см/сок) |
перепад |
напряжений 4 (3 “ 3,9 кГ/ |
см?, ч-jo находится в пределах погрешности эксперименталь ного измерения напряжений.
Таким, образом, при малых скоростях деформировании Ж Ъ т / С г а ) распространение волн напряжений в образ це не вызывает заметных отклонений .от равномерного рас пределения напряжений по длине рабочей части образна. Напряжение, хотя ,н осциллирует с частотой однако вследствие малой амплитуды колебаний достаточно однород но по длине образца.
При ударном приложении нагрузки амплитуда напряже ний на фронте упругой волны значительно выше. Так при
” 10 м/сек, * S " 3 9 00 кГ/см2, Высокий уровень напряжений в- первой волне нагрузки, сравнимый с пределом текучести материала, исключает возможность получения однородного напряженного состояния в образце при ступен чатом изменении скорости на его конце. При этом скорость деформирования тернала/за фронтом волны ниже номиналь ной величины £.# . соответствующей однородной деформации по всей длидерабочей части образца, и макси мальна при 'прохождении фронта полны.
Ступенчатое изменение напряжений в образце вызывает его нерв-номерную деформацию, что может явиться причиной разрушения вблизи головки вследствие исчерпания ресурса пластичности материала в прилегающей к ней области.
Этим объясняется малая величина удлинения до разрушения при растяжении стандартных образцов со скоростью выше критической //127.*
Неплоский удар, наличие пленки окислов, масла, шеро ховатость контактирующих при ударе поверхностей приводят
40