книги / Упругопластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении

и

Рис. 114. Диаграммы (х — i) и (о>— и) в биметаллической пластине при ударе по более жесткому слою (акустическое приближение)

Рис. 115. Диаграммы (л: — /) и (ог — и) при испытании биметалличе­ ской пластины ударом по слою меньшей жесткости

риалом В. Эти напряжения могут быть причиной образования трещинг влияние которых на условие раскрытия плоскости сцепления слоев трудно учесть.

Во втором варианте (рис. 115), используемом в настоящем исследо­ вании, удар бойком производится по мягкому материалу, что упроща­ ло анализ результатов. Сигнал регистрировали диэлектрическим дат­ чиком давления. Поскольку этот метод не позволяет регистрировать растягивающие напряжения, схему опыта необходимо было изменить так, чтобы в плоскости установки датчика выполнялось условие р >• 0. Для этого датчик поджимали к испытуемому образцу слоем оргстекла, имеющего более низкую динамическую жесткость. На границе раз­ дела образец — оргстекло условие р ;> 0 выдерживалось до прихода разгрузки^ с противоположной поверхности оргстекла.

Разрушение по плоскости сцепления слоев в исследуемом образце можно рассматривать как искусственный откол в материале, приле­ гающем к оргстеклу, который возникает по достижении уровня растя­ гивающих напряжений, достаточного для разделения слоев. Посколь­ ку напряжения в плоскости сцепления относятся в равной степени к обеим компонентам образца, для определения максимальных растя­ гивающих напряжений при разрушении можно применить меюд, описанный в параграфе 1 данной главы.

Испытывали образцы диаметром 120 мм и толщиной 20 мм в виде плит-дисков из двух слоев стали типа ХНМ с различным содержанием углерода (11 мм мягкой стали и 9 мм твердой) твердостью 54 HRC и

30 HRC соответственно, а также биметаллические сталеалюминиевые плиты толщиной примерно 10 мм (4,3 мм сплав АМг, 5 мм сталь -Х18Н10Т). Соединение слоев получено методом прокатки. Толщину бойка выбирали цз условия обеспечения встречи волн разгрузки в плоскости соединения слоев, что достигается при выборе отношения 8уд/Оуд = ЬПЛЮПЛ1 где бУд— толщина ударника; Л уд— скорость удар­ ной волны в материале ударника; 8ПЛ— толщина металлического слоя, прилегающего к оргстеклу; Daa— скорость волны в нем.

Толщину ударника (или толщину слоя в рассматриваемой биметал­ лической пластине) уточняли экспериментально по толщине откола в гомогенных материалах. Для указанных сталей в исследуемом диапа­ зоне давлений (до 4,0 ГПа) ботк/буд « 0,85...0,9.

Для учета искажающего влияния на измерения боковой разгрузки поставлен специальный опыт с увеличенной толщиной бойка, при ко­ торой боковая волна разгрузки приходит к датчику раньше, чем раз­ грузка от тыльной поверхности ударника. Как показал эксперимент, в образце толщиной 20 мм датчик регистрирует спад давления в удар­ ной волне на 5 % от его максимума по истечении примерно 7 мкс после прихода фронта ударной волны. Следователььно, в течение такого времени при данной схеме эксперимента и размерах образца и ударни­ ка деформирование за фронтом ударной волны можно считать одномер­ ным. Максимум откольного импульса регистрировался для образцов толщиной 20 мм не позже, чем через 6 мкс после прохождения фронта ударной волны, и, следовательно, влиянием боковой разгрузки можно пренебречь. Для сравнения определена статическая прочность сцеп­ ления слоев при испытании цилиндрических образцов с поперечной поверхностью соединения слоев в центре рабочей части.

В табл. 16 приведены результаты динамических и статических испытаний гомогенных и биметаллических образцов. Расчет величии

<тр и (о)ср аналогичен расчету, приведенному в параграфе I данной главы.

Полученные результаты свидетельствуют о сильном влиянии ско­ рости нагружения на прочность сцепления слоев. В стальных плитах сцепление нарушается при напряжениях, равных примерно прочности мягкой составляющей, а прочность сталеалюминиевого соединения соответствует прочности переходного слоя (чистый алюминий) и зна­ чительно ниже прочности гомогенных составляющих.

4. Разрушение стекла при импульсном нагружении

Всвязи с расширением применения стекла в технике возрос интерес к исследованию его прочностных свойств при импульсном нагружении. При статических испытаниях прочность стекла (такие испытания про­ водятся как правило в условиях изгиба) в зависимости от состояния его поверхности, наличия микропор, трещин и других дефектов изме­ няется в диапазоне 102... 104 МПа [54J. С этой точки зрения новую информацию дают исследования разрушения стекла при отколе, поз­ воляющие создать растягивающие напряжения и локализовать разру­ шение внутри образца, где состояние поверхностоного слоя не прояв-

ляется и экспериментально определенная прочность характеризует материал, а не состояние его поверхности.

Для исследования использовали листовые образцы плотностью Ро — (2,4 ± 0,01) 103 кг/м3 в плане 120 х 120 мм из промышленного листового проката толщиной 9,85...0,02 мм Константиновского завода «Автостекло». Химический состав стекла, %: 72,24 Si02; 1,58 А120 ;,; 7,16СаО; 3,59 Mg; 14,9 NaO; 0,1 Fe20 3; 0,52 S03. Отклонение поверх­ ности образцов от плоскости не выше 0,01 мм на размер 120 мм. Ника­ ких специальных мер предосторожности при работе со стеклянными образцами не принимали.

Образцы при исследованиях откольного разрушения нагружали ударом алюминиевого стакана (диаметром 90 мм), разгоняемого до заданной скорости на пневмопороховом копре. Неплоскостность уста­ новки поверхности образца относительно поверхности ударника со­ ставляла 0,01 мм на диаметр. Для регистрации использовали диэлект­ рический датчик в виде двух слоев лавсановой пленки толщиной 0,06 мм с электродом между ними из фольги толщиной 0,005 мм и наружного слоя такой же фольги (общая толщина датчика 0,13 мм). Датчик поджимали пластиной из оргстекла (материал меньшей, чем у стекла, акустической жесткости).

Экспериментально исследовали влияние боковой разгрузки на ре­ гистрируемую осциллограмму ударом бойка толщиной 20 мм по образ­ цу толщиной, 10—30 мм. Момент начала спада давления, регистриру­ емого датчиком за фронтом ударной волны, принимали за момент на­ рушения одномерности деформации. Для образцов толщиной 30 мм (три слоя стекла) спад давления наступал через 4 мкс после прохож­ дения фронта волны, что вполне достаточно для регистрации без иска­ жения откольного импульса, поскольку его максимум достигается раньше.

Скорость распространения волны нагрузки в стекле в зависимости от давления и пройденного волной расстояния измеряли по сдвигу во времени сигналов от двух диэлектрических датчиков, прилегающих к поверхностям образца из стекла, расположенного между воспри­ нимающим удар бойка алюминиевым экраном и второй пластиной из стекла. Ударник выполняли из алюминиевого сплава Д16 или из стали.

В проведенных экспериментах на пути волны до 30 мм упругий предвестник не наблюдали, что свидетельствует об упругом поведении стекла в исследованном диапазоне давлений (до .6,0 ГПа). Наблюдае­ мые перегибы на фронте регистрируемого датчиком импульса нагруз­ ки, по-видимому, обусловлены упругопластическим поведением алю­ миниевого экрана и переходными процессами в датчике, поскольку их характер не зависит от давления и толщины образцов. В работах 122, 54/ указывается на высокий уровень предела упругости стекла (до 10 ГПа), что согласуется с упругим поведением стекла в исследован­ ном диапазоне давлений.

По результатам опытов скорость распространения волны в стекле практически не зависит от давления (в диапазоне до 6,0 ГПа) и пути волны (до 30 мм) и составляет 5,52 ± 0,09 км/с. Разброс результатов не превышает погрешности эксперимента.

Таким образом, в исследованном диа­ пазоне давлений адиабата сжатия стек­ ла может быть определена уравнением аг — р0а0и, а откольные напряжения рассчитываются по максимальному ormax —

— <т5. и минимальному <т|Пт — о7 (см. рис. 112) давлению на границе с орг­ стеклом по выражению

°тгх ~+ °Р

^Я--

где Отах—u максимальное давление в волне нагрузки в стекле; /2 — мо­ мент времени, соответствующий приходу на поверхность датчика волны разгрузки от тыльной поверхности ударника; t3 — момент времени, соответствующий минимальному давлению на этой поверхности.

Время нарастания растягивающих напряжений в плоскости отколь­

ного разрушения tp = ор/о>; время их последующего спада в процессе развития разрушения определяли по промежутку времени между мак­ симальным давлением в откольном импульсе /4 и минимальным давле­ нием /3, /с = /4 — t3.

При уменьшении скорости ниже определенного предела разрушение не развивается, а по регистрируемой в этом случае осциллограмме (рис. 116) может быть определено максимальное растягивающее напря­ жение а* и время его действия i*. Результаты экспериментов приведе-

акустическим приближением, в котором кривая сжатия материала при нагрузке и разгрузке принимается в виде линии, исходящей из начала

координат с угловым коэффициентом p0al или p0D2 (для упругой или гидродинамической модели материала соответственно), использование кривой сжатия в виде билинейной зависимости, различной при нагруз­ ке, разгрузке и последующем повторном нагружении, позволяет полнее учесть реальное поведение материала и, следовательно, получить более надежные данные об откольной прочности. Скорость роста растягива­ ющих напряжений в плоскости откола, до достижения их максималь­ ного значения, является объективной характеристикой истории на­ гружения материала в плоскости откольного разрушения, тогда как полное время действия;'импульса растягивающих напряжений, исполь­ зуемое в некоторых исследованиях, зависит не только от природы мате­ риала и его поведения под нагрузкой, но и от размеров пластин, исполь­ зованных в экспериментах. В связи с этим в качестве временного пара­ метра откольной прочности <тр представляется предпочтительным

использовать скорость аг и связанное с ней время нарастания растя­ гивающих напряжений до максимума /р = ор/ог Эта характеристика определяется по времени изменения скорости движения свободной поверхности образца (по изменению давления на границе с мягким материалом) от максимального до минимального значения и при учете сдвига откольного импульса относительно прямой волны разгрузки в плоскости откола обеспечивает экспериментальную оценку скорости

<тг для данного материала с учетом его реологического поведения (скорость нагружения определяется как суперпозиция скоростей из­ менения нагрузки во встречных волнах разгрузки при их прохождении через область откольного разрушения).

Зависимость сопротивления сдвигу от уровня всестороннего дав­ ления (средних сжимающих напряжений), отмеченная в работах [5, 50], влияет на ход кривой сжатия при нагрузке и разгрузке. Однако при условии, что упругий участок на кривой разгрузки ограничен давлени­ ем выше нуля, при экспериментальной регистрации движения свобод­ ной поверхности (или давления на границе с мягким материалом) опре­ деление растягивающих напряжений как точки пересечения лучей, исходящих из максимума (точка 2) и минимума (точка 1) скоростей или давлений, автоматически учитывает зависимость сопротивления сдви­ гу от давления, поскольку влияние последнего сказывается только на положении точек 1 и 2 (штриховая линия на рис. 117, а). Угловой коэффициент луча 2К, при этом определяется жесткостью упругопла­ стического сжатия в области отрицательных давлений. Вследствие от­ сутствия в настоящее время данных о жесткости материала при одно­ осном деформировании в области растягивающей нагрузки приходится использовать либо жесткость, определенную при малых растягиваю­ щих нагрузках, либо принимать допустимым использование одного закона объемного сжатия в плоских волнах для области растягиваю-

щих и сжимающих нагрузок. Следует отметить, что, по данным пара­ графа 3 шестой главы, давление амплитудой до 10 ГПа в стали 20 и- алюминиевом сплаве В95 существенно не влияет на сопротивление сдвигу.

Влияние вязкости существенно сказывается на конфигурации фронта волны нагрузки вблизи поверхности нагружения в начальныйпериод длительностью, сравнимой с временем релаксации напряжений в материале £т. Это влияние заключается в снижении амплитуды упру­ гого предвестника при распространении волны и приводит к распростра­ нению отдельных участков фронта пластической волны со скоростью* изменяющейся от скорости упругой волны (при давлениях ниже ампли­ туды упругого предвестника) до нуля (при давлениях, мало отличаю­ щихся от максимальных в волне нагрузки). Причем, кривая сжатия вязкопластическогб материала располагается выше стационарной кри­ вой сжатия, асимптотически приближаясь к ней по мере распростране­ ния волны и развития процессов релаксации. Подобный характер распространения волны имеет место и при распространении волн раз­ грузки, взаимодействие которых определяет после растягивающих напряжений, вызывающих откольное разрушение. В этом случае путь упругопластической (неударной) волны при соударении пластин с отношением толщин 1 2 составляет 1,5 толщины образца.

Для распространения по исследуемому материалу ударного пла­ стического фронта меньший путь волны разгрузки от тыльной поверх­ ности образца, а следовательно, и меньшее время развития релакса­ ционных процессов приводит к превалирующему влиянию на условия нагружения материала в плоскости откола этой волны. Использование экспериментально зарегистрированных максимума и минимума ско­ рости свободной поверхности (давления на границе с мягким материа­ лом) позволяет автоматически учесть влияние эффектов вязкости* связанных со скоростью изменения давления в волнах разгрузки. Действительно, скорость роста растягивающих напряжений в пло­ скости возникновения откола является суммой скоростей изменения нагрузки во взаимодействующих1волнах. В области роста растягиваю­ щей нагрузки скорость деформирования по экспериментальным резуль­ татам примерно постоянна (линейный участок разгрузки на осцилло­ грамме). Следовательно, участок упругопластического деформирования материала сдвинут относительно кривой гидростатического сжатия

р (sv) на-jx = у (тст + т83), где тст— сопротивление сдвигу «статиче­

ское» (не связанное со скоростью); тю — вязкая составляющая сопро­

= При достижении растягивающим напряжением максимального значения в процессе развития откольного разрушения линейный рост нагрузки нарушается, что связано не только с быстрым ростом повреж­ дений в материале, но и с тем, что снижается влияние волны разгрузки слева вследствие ее экранирования областью разрушения. Выше по­ следней характеристики С_ состояние материала при отсутствии волны разгрузки слева определяется квазистатической кривой сжатия. Ско­ рость роста напряжений в плоскости откола связана с волной разгрузки

слева, и влияние вязкости на уровень напряжений в плоскости отко­ ла учитывается автоматически: вязкая составляющая сопротивления влияет на положение точек V и 2 определяемых экспериментально, т. е. с учетом их смещения, вызванного вязкими эффектами.

Таким образом, на основании изложенного анализа следует, что определение максимальных растягивающих напряжений в плоскости отжола по экспериментально'определенным максимуму и минимуму скорости свободной поверхности исследуемого образца (давления на границе с «мягким» материалом) по описанной выше методике позво­ ляет учесть влияние на зависимость сопротивления сдвигу за фронтами упругопластических волн нагрузки и разгрузки уровня средних напря: жений и скорости деформирования, определяющей вязкую составляю­ щую сопротивления сдвигу.

В качестве объективной характеристики истории нагружения в откольной плоскости может быть рекомендована скорость роста рас­

тягивающих напряжений <зг (или время роста растягивающей нагрузки до максимума), которая определяется по экспериментально регистри­ руемому времени изменения скорости свободной поверхности (давления на границе с мягким материалом) и учитывает реологическое поведение материала под нагрузкой.

6. Экспериментальное определение характерного времени откольного разрушения

Вследствие практической невозможности регистрации напряжений в области откольного разрушения информация о нагрузке материала и кинетике его разрушения получается путем анализа волновых процес­ сов, основанного на регистрируемой диаграмме изменения скорости свободной поверхности (или давления на границе раздела исследуемо­ го материала с материалом меньшей акустической жесткости). В связи с этим принятая для анализа модель механического поведения и раз­ рушения материала и метод обработки существенно элияют на полу­ чаемые из экспериментальных исследований результаты, а имеющиеся

влитературе данные о силовых и временных характеристиках сопро­ тивления материала откольному разрушению нераврывно связаны с методами их определения. Выбор в качестве определяющих параметров различных величин затрудняет возможность сопоставления экспери­ ментальных результатов, полученных разными исследованиями, что снижает информативность таких исследований и затрудняет их исполь­ зование для практических расчетов.

Впредставленных в литературе экспериментальных исследованиях

вкачестве характеристики сопротивления материала откольному раз­ рушению чаще всего используют максимальные растягивающие напря­ жения в плоскости откола ар [4, 5]. В качестве временного параметра, характеризующего закон нагружения, рбычно принимают полное время откольного разрушения £р, или скорость спада напряжений за фронтом прямой волны сжатия, отражение которой от свободной по­ верхности и взаимодействие с ее «хвостом» определяет поле растягива­ ющих напряжений.