книги / Скоростное деформирование конструкционных материалов

1,Г1)а

сдвига, соответствующие двум различным значениям скорости де­ формации сдвига даны на рис. 1.7. В процессе статического дефор­ мирования (у = 5-10"4 с-1) скорость деформации на разных стадиях упрочнения менялась скачком до значения у = 103 с-1.

Следует отметить, что методика Г. Кольского при испытаниях тонкостенных трубчатых образцов на кручение свободна от пере­ численных выше недостатков, выявленных при испытаниях стержне­ вых образцов на сжатие.

Изменение температурного режима испытаний существенно влияет на скоростную чувствительность. Как отмечено выше, при понижении температуры это свойство утрачивается. При повышении температуры металлы, не проявляющие скоростной чувствительности при комнатной температуре даже в широком диапазоне изменения скоростей деформации, в значительной степени становятся чувстви­ тельными к изменениям скоростей деформации. Рассмотрим данные испытаний стержневых образцов из чистого алюминия в диапазоне изменения скоростей деформации 10-4—1(Н с-1 и температур 495—

При высоких температурах активизируются процессы аннигиля­ ции дислокаций, приводящие к восстановлению дислокационной структуры и «залечиванию» дефектов.

При умеренных температурах реологическое поведение металлов обусловлено двумя процессами: упрочнением и процессом отдыха деформированного материала, характеризующимся возвратом меха­ нических свойств.

На рис. 1.9 приведены статические и динамические зависимости напряжения сдвига от деформации сдвига образцов из алюминия, при разных температурах.

В испытаниях ряда конструкционных металлических материалов при температурах, превышающих значение 0,5Тт (Тт — темпера-

11

Тодноосного деформированного состояния (пластина). Разработаны многочисленные ме-

о 1 тоды инициирования плоских ударных волн в условиях одноосного деформированного состояния. Наиболее при­ менимыми являются методы, основанные на использовании наклад­ ного заряда взрывчатого вещества (ВВ) и плоского удара с большой скоростью пластины-ударника о пластину-мишень. При использо­ вании накладного заряда ВВ заряд находится в непосредственном контакте с металлом. Для избежания разрушения образца в резуль­ тате поперечных волн разгрузки образцы закладывают в цилиндри­ ческие обоймы, сделанные из того же материала. Максимальное давление, развиваемое в образце, определяем по формуле

Рт = 2Pd9sCil{9sCx + р А ),

где Pd — давление детонации ВВ; ps — плотность образца; ct — продольная скорость звука в образце; ре — плотность ВВ; Dd — скорость детонационной волны в ВВ.

Метод, основанный на использовании кинетической энергии быстро летящей пластины, позволяет создавать импульсы давления, более высокие по амплитуде и продолжительности, чем при ини­ циировании ВВ. При этом скорость летящей пластины может дости­ гать 9 км/с, а максимальные давления на фронте ударной волны составляют десятки тысяч ГПа. Одна из возможных схем такой установки приведена ниже (см. рис. 1.43). Здесь лишь отметим, что изменение толщины ударника позволяет в широких пределах варь­ ировать продолжительность импульса давления в мишени. Такая возможность открывает широкую перспективу для исследования влияния продолжительности ударного импульса на физико-химиче­ ские процессы в твердых телах при ударно-волновом воздействии, а использование слоистых ударников с различной акустической жесткостью составляющих слоев позволяет исследовать распростра­ нение догрузочных импульсов и волн разгрузки.

С помощью методики плоского соударения пластин во многих экспериментальных работах отечественных и зарубежных авторов исследуются закономерности ступенчатого нагружения образцов в условиях одноосного деформированного состояния (пластина), затухание амплитуды упругого предвестника, релаксация напря­ жений за его фронтом, разрушение материалов отколом, фазовые, в том числе мартенситные, превращения. Одним из несомненных

12

преимуществ этого метода является Ьозможиость полного устранения поперечной инерции материала.

Накоплен большой экспериментальный материал по изучению распространения упругой волны в пластинах моно- и поликристаллических металлов и ионных кристаллов. Установлено, что распро­ странению упругой волны сопутствуют эффекты релаксации напря­ жений за фронтом и затухания его амплитуды, особенно ярко выра­ женного вблизи от поверхности формирования ударной волны. Отметим, что основным недостатком исследования упругопластиче­ ских волн в пластинах является трудность непосредственного изме­ рения ударной волны в металлах. Поэтому широкое распространение получили методы измерения смещений свободной поверхности ми­ шени в результате ударно-волнового взаимодействия. Варьируя толщину мишени, Д. Тейлор и М. Райс установили затухание ампли­ туды упругого предвестника по глубине мишени [38].

Скорость свободной поверхности мишени vs связана с массовой скоростью среды за фронтом упругого предвестника ve соотношением ve — vJ2. Для определения напряжений на фронте упругого пред­ вестника используется равенство

ое = pvect,

где р — плотность материала; ve — массовая скорость за фронтом; Ci — скорость продольной упругой волны.

Для регистрации тонких кинетических эффектов, сопутствующих распространению упругого предвестника, необходимо применение измерительной техники с достаточно малым разрешением во времени. Одной из первых методик измерения для проведения подобных иссле­ дований является методика, основанная на изменении емкости конденсатора, одной из обкладок которого является свободная поверхность образца.

Широкое распространение получили методики, основанные на использовании кварцевых преобразователей механических нагрузок в электрическое напряжение. К одной из первых экспериментальных работ по исследованию поведения упругого предвестника в металлах с помощью метода кварцевых преобразователей следует отнести работу [28].

Особенно перспективным представляется использование лазер­ ных интерферометров, принцип действия которых виден на рис. 1.10. Когерентный пучок с помощью зеркала направляется на свободную поверхность образца, а затем направляется на полу­ прозрачные зеркала, где пучок расщепляется на два пучка, один из которых проходит большой путь. В точке А расщепленные пучки вновь встречаются. Если поверхность движется, то соотношение фаз обоих пучков пропорционально скорости поверхности образца. Временное разрешение этого метода 10-0 с.

В работе [28 ] описано поведение упругого предвестника в сталях разного состава и термообработки, в армко-железе и дуралюмнне. Исследовали образцы в виде плоских дисков двух различных толщин в пределах от 19,5 до 51,5 мм (отношение диаметра к толщине 3,5).

13

В результате инициирования ВВ вдоль образца распространяется плоская ударная волна. Измеряемое на свободной поверхности напряжение (с помощью кварцевых преобразователей) не превышало 21 ГПа. На рис. 1.11 показаны зависимости напряжения от времени для армко-железа и стали, обнаруживающие ярко выраженные эффекты падения напряжения за фронтом упругой волны. Для вы­ соколегированных сталей и дуралюмина этот эффект проявляется в меньшей степени. Измерения амплитуды в первый момент выхода на свободную поверхность образцов (мишеней) различной толщины позволили выявить затухание амплитуды по глубине. На рис. 1.12 приведены экспериментальные значения напряжения на фронте упругой волны для образцов разной толщины.

На рис. 1.13 приведены эпюры зависимости скорости свободной поверхности мишени vs (t) от времени для двух образцов разной толщины. Ударная волна инициировалась плоским соударением пластин, причем толщина испытуемого образца варьировалась в экс­ периментах в диапазоне 8—50 мм. Исследования, проведенные при различных скоростях соударения пластин (102—103 м/с), выявили, что поведение упругой волны зависит от скорости соударения, а сле­ довательно, от амплитуды следующего за ним фронта пластической волны лишь в узкой зоне у поверхности соударения (в пределах 5—10 мм). На рис. 1.14 приведены экспериментальные данные для армко-железа (кривая 3), которые хорошо согласуются с данными

4,,'ГЛа

стая сталь

14

состоит в том, что к дисперсии фронта упругого предвестника при­ водит различная ориентация монокристаллов зерен.

В работе [26 ] рассмотрено влияние размера зерен на поведение упругого предвестника в низкоуглеродистой стали. Средний диаметр зерна за счет предварительной термообработки варьировался в экс­ периментах в пределах от 9 -10-8 до 70,3-10-3 мм. Зависимости напря­ жение — время определены с помощью кварцевых преобразователей, причем поверхность контакта с датчиком удалена от поверхности формирования ударной волны на расстояние 19,05 мм. Эксперимен­ тальные данные зависимости затухания амплитуды от глубины рас­ пространения для различной зернистости приведены на рис. 1.15. В работе [26] рассмотрено также влияние зернистости на квазистатические диаграммы напряжение — деформация, причем в дина­ мических и квазистатических экспериментах использованы образцы одной и той же зернистости.

В работе [30 ] приведены данные исследований влияния времени старения образцов из поликристаллического железа чистоты 99,94 % на поведение упругой волны.

С,, ГПа

15

Образцы предварительно деформировались до 2 %, а затем под­ вергались старению при 380 К в течение различных промежутков времени. На рис. 1.16 приведены зависимости напряжение — время, полученные с помощью кварцевых преобразователей и соответству­ ющие образцам, не подвергавшимся старению (кривая 1) и подвер­ гавшимся старению в течение 32 мин (кривая 2).

В ряде работ описаны исследования влияния температуры на кривые затухания амплитуды упругой волны по глубине в диапазоне температур 76—573 К. На рис. 1.17 приведены зависимости ампли­ туды упругого предвестника от температуры [36] и предела текучести

встатических экспериментах.

Вотличие от железа и низкоуглеродистой стали для меди и алю­ миния как моно-, так и поликристаллических образцов, в квази-

статических экспериментах запаздывание текучести проявляется не так ярко. Однако в динамических экспериментах с образцами из технически чистых алюминия и меди проявляется релаксация напря­ жений за фронтом упругой волны. Это означает, что в динамических экспериментах запаздывание текучести имеет место. В противном случае не было бы затухания амплитуды упругой волны, предста­ вляющего собой «съедание» головной упругой волны следующей за ней волной разгрузки.

В работе [241 описаны экспериментальные исследования пло­ ского соударения пластин из алюминия. Скорости соударения варь­ ировались в диапазоне от 8,56 до 36 м/с. Толщина и диаметр ци­

измерений, основанный на использовании лазерной техники. Про­ ведено сравнение экспериментальных результатов, полученных с по­ мощью различных экспериментальных методик.

В работе [27] описаны исследования монокристаллов меди в виде плоских дисков, причем направление нормали к плоским поверх­ ностям совпадали с одним из кристаллографических направлений [100, ПО и 111 ]. Испытания проводились с предварительно отожжен-

16

ными образцами и с образцами, предварительно упрочненными статическим деформированием до 3,5 %. Кроме предварительно упрочненных образцов, испытывались образцы, подвергнутые от­ жигу. Отжиг уменьшал начальную плотность дислокаций, а де­ формационное упрочнение увеличивало ее с 10е до 10° см-2. Давление на фронте составляло 5,0 МПа. На рис. 1.18 приведены экспериментальные зависимости напряжение — время.

Интерес представляют методы, основанные на непосредственной регистрации давления в образце. Традиционным методом такого рода является метод, основанный на использовании изменения электрического сопротивления манганинового проводника под давлением.

Г. В. Степановым и сотрудниками института проблем прочности АН УССР разработан датчик давления, в котором используется изменение емкости плоского конденсатора, образованного двумя проводящими поверхностями с диэлектрической пленкой между ними, при сжатии ударной волной. Процессы ударной поляризации

вэтом датчике подавляются наложением электростатического поля

ивеличина сигнала определяется только изменением емкости [191. Ценную информацию о механическом поведении материалов могут

дать экспериментальные исследования распространения ступенчатых волн сжатия и разгрузки в алюминиевом сплаве. Образец-мишень изготовляется в форме плоского диска. Тыльная поверхность дискамишени контактирует с прозрачным материалом^плавленого крем­ ния (окно), имеющего почти такую же акустическую жесткость, как и образец, так что ударная волна практически не взаимодействует с контактной поверхностью образец — окно (рис. 1.19). С помощью лазерного интерферометра записывается смещение контактной по­ верхности. Ударник изготовляется в виде слоистого цилиндра,

17

V кн/с

имеющий более высокую акустическую жесткость, чем алюминий, а в других — материал с существенно меньшей акустической же­ сткостью. В зависимости от этого отраженная волна на границе, разделяющей слои ударника, будет или волной разгрузки, или удар­ ной волной, дополнительно нагружающей образец. На рис. 1.20 приведены зависимости скорости в случае, когда по мишени распро­ страняется догрузочный импульс (штриховая линия) и волна раз­ грузки. Время по оси абсцисс отнесено к толщине мишени. Это удобно для сравнения зависимостей v — t, полученных для мишеней разных толщин. Результаты экспериментов показывают, что струк­ тура догрузочной волны повторяет первоначальную: упругая волна (со скоростью звука), а за ней движется фронт пластической волны.

В работе Б. М. Малышева (ПМТФ, 1961, № 2, с. 104—110) исследуется распространение слабых догрузечных импульсов (в ди­ намически растянутом стержне) по пластическому состоянию. Опыты показали, что догрузочный импульс распространяется со скоростью упругой волны.

Развитие методики, использующей лазерные интерферометры, дало толчок экспериментальным исследованиям распространения продольно-сдвиговых одномерных волн в условиях плоского дефор­ мированного состояния. Для этого используется экспериментальная методика по косому соударению плоских пластин (рис. 1.21). Иссле­ довался алюминиевый сплав. Продольная и поперечная составля­

в экспериментах определяли продольную и поперечную компоненты вектора смещений свободной поверхности. На рис. 1.22 приведены эпюры продольной, а на рис. 1.23 поперечной скоростей.

В работе [25 ] описана экспериментальная методика одномерного продольно-сдвигового нагружения образцов в условиях плоской деформации, основанная на использовании анизотропных моно­ кристаллов в качестве передающей среды, генерирующей продольные и поперечные волны. В качестве такого генератора используются

18

монокристаллы кварца с Х-срезом, а в качестве ударника — пла­ стины из кварца с К-срезом. Скорость соударения варьировалась в диапазоне от 0,122 до 0,324 мм/мкс. В другой серии экспериментов пластины из кварца с К-срезом использовали в качестве генератора продольно-сдвиговых волн в образцах из алюминиевого сплава.

Имеется мало экспериментальных данных по изучению динами­ ческих процессов в условиях сложного напряженного состояния. Рассмотрим результаты эксперимента Линдхольма с тонкостенными алюминиевыми трубками в условиях действия осевого растяжения и крутящего момента. На рис. 1.24 приводятся зависимости интен­ сивности касательных напряжений xt от интенсивности скоростей сдвиговых деформаций у£ для трех различных фиксированных зна­ чений у ? — интенсивности пластических сдвигов. На рис. 1.25

приведена зависимость т£ от интенсивности пластических сдвигов у* при yR = const. На рис. 1.26 в плоскости а1 — х (продольное напря­

жение — напряжение сдвига) построена кривая х£ = const для раз­ ных способов нагружения. Точки, лежащие на кривой т,- = const,

Ч, гпа

Рис. 1.24. Зависимость интенсивности касательных напряжений от интен­ сивности скоростей деформации сдвига:

19

при этом реализуется нейтральное нагру­

жение.

Экспериментальные данные Лиидхольма позволяют принять поверхность нагружения для алюминия по Мизесу. Важно отметить,

О 0,56'6.1УТ.ГПа что в экспериментах Линдхольма устанавли­ вается соосность тензора напряжений и тен­ зора скоростей малых деформаций.

Аналогичные данные получены в работе [29], где проводятся экспериментальные исследования динамического поведения тонко­ стенных трубчатых образцов из алюминия при совместном действии растягивающего усилия и крутящего момента. На рис. 1.27 приве­ дена схема экспериментальной установки. Ударный стержень длиной 800 и диаметром 10 мм изготовляли из углеродистой стали с суще­ ственно более высоким пределом текучести, чем алюминий. Опорная трубка имела длину 830 мм, диаметр 10 мм и толщину 1 мм. Дат­ чики а, b, с размещены, соответственно, на ударном стержне 1, образце 2 и на опорной трубке 3. Цифра 4 указывает на зажимное устройство. Для измерения деформаций на образец наклеивали дат­ чики деформации параллельно оси образца и под углом 45° для измерения соответственно осевых и сдвиговых деформаций, а также на опорную трубку — для измерения осевых усилий и крутящего момента.

На рис. 1.28 показаны экспериментальные кривые в плоскости ах — т для различных уровней скоростей интенсивности пластиче­ ских деформаций (е£ = 30-j-50 с-1). Сплошные линии соответствуют

о том, что поверхность текучести алюминия можно принять по Мизесу. Экспериментальные данные [291 свидетельствуют о сильной чувствительности материала к изменениям скоростей деформации при сложном напряженном состоянии.

z, ГПа

/1 Z

20