книги / Характеристики прочности и пластичности конструкционных материалов при высоких скоростях деформации
..pdf3t * ^ а
Рис. 3 .1 . Вертикальный копер для испытания образцов на растяжение со скоростями до 6 м/сек.
расточкой в.наковальне 14, глубиной не меньше ожидаемо го удлинения образца, и на другом - специальной шайбой. При помощи гайки 12 выбирают люфты в резьбовых соеди - нениях образца со стержнем-динамометром и наковальней, которая прижимается к торцу направляющей. Точное изго товление деталей нагружающего устройства обеспечивает плоский аксиальный удар, необходимый для получения на дежных результатов.
Подъем и установку, на заданной высоте |
втулки 9 с |
подвешенной к ней на крюке 8 бабой осуществляют с по |
|
мощью ручного механизма подъема. При повороте педали 3, |
|
связанной тросом 4 с крюком, последний |
выходит из за |
цепления с бабой, обеспечивая ее свободное падение. |
|
Для гашения остаточной энергии бабы и предохранения |
|
от повреждения наковальни с отлетающей |
после разрыва |
частью образца предусмотрена подставка 2 с резиновым кольцом 13, воспринимающая удар бабы после разрушения образца.
|
При испытаниях в условиях низких температур в фикса |
тор |
16 вставляют стакан 19. с хладагентом - аэрт 18 или |
его |
пары (рис. 3.1, в). |
|
Для испытания, при повышенных температурах образец с |
наковальней нагреваются в электрической печи сопротивле |
|
ния |
(см. рис. 3.1, г ). |
|
Для испытаний'на растяжение со скоростями до 25 м/; |
сек на вертикальном копре используется эффект изменения |
|
интенсивности упругой волны при ее распространении по стерж ню со ступенчатым изменением сечения. Схема такого коп ра представлена на рис 3.2.
Образец 4 посредством резьбовых головок соединяется с динамометром 2 и ступенчатым стержнем-волноводом 5, который оканчивается легкой наковальней 8, воспринимаю
щей удар, падающей под действием собственного веса бабы 7. Баба годнимается на требуемую высоту подъемным меха низмом ( на рисунке не показан) посредством трбсов 6.
Сооскос'гь приложения усилия к головкам образца при растяжении и исключение изгиба обеспечивается точным изготовленном гнезд под головки в динамометре и волново
де, наличием шаровой опоры 1 для динамометра в поперечине рамы копра 3 и направлением волновода поперечиной 11 на одном конце и направляющим пальцем, входящим-в гнездо подкладной плиты 9, укреплен ной на фундаментной плите 10.
При уДаре бабы по наковаль не в волноводе возбуждается упругая волна, идущая по стерж ню - волноводу. При ее отра жении от конца волновода, свя занного с головкой образца, последняя приобретает ско рость Движения, которая опре деляется скоростью удара ба бы по наковальне и размерами волновода.
. Амплитуда упругой волны в волноводе, вызванная соуда рением бабы с наковальней,
Рис. 3.2. Схема вертикаль ного копра для испытаний а растяжение со скоростью до 24 м/сек.
после короткого начального периода установления достигает величины (рис. 3 .3)
в , - |
|
где р - плотность материала |
стержня-волновода; С - |
стержневая скорость звука; |
- скорость бабы в момент |
удара. |
|
53
Рис. 3.3. Схема нагружения образца (при испытаниях на растяжение) через упругий стержень-волновод гладкий (а ), с одной ступенью (б) и с двумя ступенями (в ).
Пренебрегая искажением упругого импульса, обуслов ленным его дисперсией при распространении, т.е. на основе элементарной теории распространения продольных волн в стержне со ступенчатым изменением сечеНия,' при переходе волны из первой ступени во вторую напряжение и массовая скорость меняются в соответствии с зависимостями
4 / V ? |
><$*~/*«* * 9” 1Г' |
При наличии |
/Ь ступеней в последней ступени |
“ /7
При выходе волны на конец стержня-волновода скорость движения материала волновода удваивается,- I f 5512 1/л- для случая, когда площадь поперечного сечении последней ступени волновода значительно больше сечения испытуемого
54
образца, |
так что |
его влиянием на интенсивность волны мож |
но пренебречь). |
Номинальная скорость деформирования для * |
|
гладкого, |
одно- |
и двухступенчатого стержня-волновода со |
ответственно следующая:
*%
Вконкретном случае падения бабы с высоты 2 м при испытании оиразиов малого поперечного сечения (но срав нению с сечением последней ступени волновода) гладкий, одно- и двухступенчатый стержень-волновод обеспечивают номинальную скорость деформирования, соответственно рявiyro .12,5; 21,9; 26,5 м/сек.
Действительная скорость деформирования, определяемая скоростью относительного движения головок образна, ниже
номинальной |
на величину, определяемую т:уммрй ско |
||
рости движения конца динамометра |
|||
и скорости |
движения конца |
волновода, связанной с усилием |
|
в образце |
( Д ( Г |
F 2 J }L |
), так что |
'fC £ * .
/. Гдги - сечение образца, динамометра и по следней ступени стержня волновода).
Малый рост скорости деформирования при повышении '
. числа ступеней'выше1двух и увеличение уровня напряжений в последней ступени при распространении упругой волны до предела текучести ограничивает применение метода ис пользованием волновода, с одной-двумя ступенями.
Время испытания с постоянной скоростью деформирова ния ограничено временем двойного пробега упругой волны но длине последней ступени стержня-волновода. Скорость деформирования за это время снижаетоя вследствие умень шения скорости движения бабы. По одномерной теории р .с- простраиения упругой волны в гладком стержне скорость, в материале* стержня определяется эксноненигчльной зави
симостью /Ю'.
55
ГДв£ |
еt |
j. £ |
- время от момента |
соударе |
|
ния; WJC |
« координата рассматриваемого сечения, |
отсчиты |
|||
ваемая от поверхности, удара; |
£ |
, S0 , /71 |
-соот |
||
ветственно длина, площадь сечения и марса стержня волно
вода, /У |
- масса бабы^# |
^ & 1/CJ* |
Таким образом, скорость деформирования образца в |
||
процессе |
испытания изменяется |
в Соответствии с эави - |
if
н, следовательно, точность поддержания постоянной скорос ти деформирован^ в процессе испытания определяется вы- •
бором массы бабы, сечений волновода |
и се |
чений образца S*p и динамометра^ |
. |
Для испытаний со скоростями деформирования до |
|
250 м/се'к разработай цневмо-пороховой |
копер (рис. 3 .4 ). |
Образец 6, соединенный с динамометром 3, вставляется в жесткую трубу 1, находящуюся в стволе. Одним концом эта труба закреплена в воздухораспределителе 2, а на другой надевают наковальню 7, при помощи которой труба центри руется относительно канала ствола.
Боек-снаряд 4 разгоняется по каналу ствола сжатым газом и не соприкасается с трубой 1, предназначенной для защиты динамометра и размещенных на нем датчиков от действия газов и вибраций.
Боек и наковальня с частью образца, отлетающие после разрушения образца попадают в ловитель 8, в котором те ряют свою скорость,
В ^вязи с существенным влиянием на результаты экспериментов неплоскоссности соударения бойка и наковаль ни особое внимание обращено на сохранение параллельности их поверхностей соударения. Для центровки наковальни и установления ее параллельно торцу бойка используется
5(>
п 5
Рис. 3 .4. Схема пйевмо-порохового копра для испытаний материалов, на растяжение со скоростью до 250 м/сек.
сп
вставляемый в канал ствола специальный шаблон - |
цилиндр, |
|
по которому производится центровка и установка с |
помощью |
|
гаек 10 опор»к>й поверхности фланца 5 параллельно торцу |
||
снаряда по индикатору с точностью до 0,01м м |
(рис. 3 .4,6). |
|
Для проведения испытаний при высоких и низких |
температу |
|
рах к опорному фланцу присоединяется электропечь либо |
||
криогенная камера с жидким азотом или его «арами, |
||
' Приведенные экспериментальные установки обеспечива ют проведение -испытаний со скоростями растяжения от 2 до 230 м/сек с поддержанием постоянной .скорости дефор мирования в процессе испытания при соблюдении заданного закона нагружений п начальный период растяжения, опреде ляемый взаимодействием бойка и наковальни.
Коночное время повышения скорости наковальни, а -сле довательно^ и головки образна до номинальной, возможность отскока наковальни и некоторые другие эффекты влияют на точность заданного параметра испытания,
При испытании по верткальном копре "отскочипигоя от бабы наковальня деформирует обрпзеи, терпя при этом спою кинетическую энергию и понижая свою скорость движения, пока не произойдет повторное соудлрепие бабы п наковаль ни п т, д, В связи с этим но начальном участке деформи рования образца нарушается параметр испытания. Началь ный участок диаграммы деформирования в этом случае опре деляется замедлением отскочившей наковальни.
Отскок наковальни от бабы устраняется демпфированием ударатаким образом, чтобы обеспечить необходимую для
ь -
Длительность нарастания скорости определяется эксперимен тально по скорости роста нагрузки в образце до предела текучести.
При высоких скоростях деформирования пневмо-по роховом копре боек п наковальня имеют сравнимые разме ры Я энергия последней намного превышает энергию netjiopмироваяия обдозиа до разрушения, так что процесс деформи рования полностью контролируется движением отскочившей наком льни. lfeirn>anbtia« часть наковальни, связанная с об-
Рис. 3.4, в , Схема передачи скорости бойке головке образца.
разном, приобретает скорость движения, близкую к скорос ти движения наковальни в результате распространенна по перечных волн. Конечное время выравнивания скорости по объему наковальни при высоких скоростях приводит к повы шенному времени нарастания скорооти на начальном участ ке деформирования образца и, следовательно, к заниженной скорости дэформйравания. Для уменьшения эт^ого эффекта при высоких скоростях деформирования требуется уменьшение области наковальни, не воспринимающей удар бойка. Для вы полнения этого условия использована схема ударного нагру жения (рис. 3.4, в), в которой наковальня, связанная с го ловкой образца, воспринимает удар бойка через промежуточнов кольцо, внутреннее отверстие в котором близко к диа метру головки образца. За время прохождения пути £ Д° соударения с наковальней скорость по объему материала промежуточного кольца успевает выравняться.
50
.J.2. Схемы регистрации усилия в образце
Напряжения в образце :измеряют- с помощью тензодат чиков сопротивления по деформации упругого динамометра. Их малая инерционность при базе в несколько миллиметров обеспечивает неискаженную регистрацию импульса нагрузки в спектре частот до нескольких сот килогерц. Фактически разрешающая способность датчика по частоте при регистра ции возмущения ограничена только базой датчика.
Дисперсия волны при ее распространении по динамомет ру приводит к удалению из импульса высокочастотной части спектра. Принимая за рабочее правило равенство базы дат чика диаметру стержня, получим частотную характеристику регистрации, совместимую с другими ограничениями меха нической системы.
Частотные* характеристики регистрирующей системы должны быть лучше, чем частотные характеристики механи ческой системы, так что появление высокочастотных оспина пяций будет -зарегистрировано.
При использовании тензодатчиков обычно предусматри вается температурная компенсация. Для ударных испытаний вследствие короткого времени измерений можно не учиты вать влияние температуры на величину сигнала, поскольку коэффициент тензочувствителыюсти слабо зависит от темпе ратуры.
Принятая для регистрации напряжений в рабочей части. образца схема намерений собрана на базе электронного
осциллографа |
С'1-15 или С 1 -1 7 с дифференциальными Пред |
|
усилителями |
С1-15/4, |
обеспечивающими чувствительность т 4 |
на см отклонения луча |
при полосе пропускаемых частот до |
|
1 мегагерца, и включает два моста постоянного тока и схему запуска (рис«_3.5).
Для регистрации деформации динамометра использоваиы два тензодатчика сопротивления типа. ПКП с номинальным сопротивлением 2 0 0 ом (или четыре датчика сопротивлением 100 ом),, наклеенные на динамометр симметрично относи тельно его оси и соединенные последовательно для устране ния возможного влияния иагибных волн. Датчики гоставля-
60