книги / Упругопластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении

t50am

Рис. 20. Схема пневмопорохово* го копра для испытаний на рас­ тяжение со скоростью до 250 м/с

(а) и узел нагружения образца

(б)

перехода. При большем зна­ чении <р и больших диамет­ рах стержней возникает су­ щественное искажение уп­ ругого импульса при его распространении. В связи с этим необходимо макси­ мально возможное сниже­ ние диаметров стержня-вол­ новода и упругого динамо­ метра для получения ско­

рости деформирования, определяемой по приведенным расчетным соот­ ношениям.

Испытания со скоростями деформирования до 250 м/с осуществля­ лись на пневмопороховом копре (рис. 20, а). Образец 6» соединенный с динамометром 3, вставляется в жесткую трубу У, находящуюся в стволе. Одним концом эта труба закреплена в воздухораспределителе 2, а на другой надевают наковальню 7, при помощи которой труба центрируется относительно оси 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. От­ летающие после разрушения образца боек и наковальня с частью образца попадают в ловитель 5, где теряют свою скорость.

В связи с существенным влиянием на результаты экспериментов неплоскостности соударения бойка и наковальни особое внимание должно быть обращено на обеспечение параллельности поверхностей

где есл — площадь демпфирующего слоя; 60 — его начальная толщина; осл — напряжение течения материала в слое; /„ — время нарастания скорости до' номинальной.

При SCJI1 °СЛ — const получаем условие отсутствия отскока (ки­ нетическая энергия соударения наковальни с бойком полностью по­ глощается на пластическое деформирование слоя) в виде

Экспериментальный выбор прокладки, деформация которой при ударе соответствует величине, определяемой соотношением (2.14), обеспечивает заданную скорость деформирования образца и устранениеотскока наковальни. Устранение отскока может контролироваться

более просто но скорости нарастания нагрузки в образце а = гЕ на участке его упругого деформирования до предела текучести.

При высоких скоростях деформирования на пневмопороховом копре боек и наковальня имеют сравнимые размеры и энергия послед­ ней намного превышает энергию деформирования образца до разруше­ ния, так что процесс деформирования полностью контролируется дви­ жением наковальни. Рассмотрим соударение наковальни с бойком кольцевого сечения (рис. 21).

В обе стороны от поверхности контакта бойка и наковальни рас­ пространяется волна напряжений, за фронтом которой массовая ско­ рость равна половине скорости удара. Выход волны на свободную поверхность вызывает появление отраженной волны разгрузки, удваи­ вающей массовую скорость и переводящей материал наковальни в не­ напряженное состояние. К. моменту прохождения волной разгрузки че­ рез контактную поверхность наковальня движется со скоростью удара бойка и сво­ бодна от напряжений (материал бойка и наковальни одинаков). Вследствие по­ нижения скорости движения бойка про­ исходит его отделение от наковальни и поэтому увеличение высоты бойка выше толщины наковальни не имеет смысла.

Боковая волна разгрузки нарушает одномерность поля деформаций, однако существенно не влияет на скорость дви­ жения наковальни после ее отделения от бойка. Центральная часть наковальни (рис. 21, а), связанная с образцом, при­ обретает скорость движения, близкую к скорости движения наковальни, в резуль­ тате распространения поперечных волн. Конечное время выравнивания скорости по объему наковальни приводит при вы­ соких скоростях к повышенному времени нарастания скорости на начальном участке деформирования образца и, следо-

вательно, к заниженной скорости деформирования. Для уменьше­ ния этого эффекта при высоких скоростях деформирования требует­ ся уменьшение области наковальни, не воспринимающей удар' бойка. Для этого использована схема ударного нагружения (рис. 21, б), где наковальня, связанная с головкой образца, воспринимает удар бойка через промежуточное кольцо, внутренне отверстие в котором близко диаметру головки образца. За время прохождения пути до соударения с наковальней скорость по объему промежуточного коль­ ца успевает выравняться. Отскоком наковальни от промежуточного кольца в этом случае можно пренебречь — деформация при высоких скоростях является упругопластической, и коэффициент восстановле­ ния мал. Масса наковальни т выбирается из условия

О

(е)

(Лрзр — работа разрушения образца), необходимого для поддержания параметра испытания е = const в процессе испытания.

6. Устройства для испытаний на растяжение с повышенными скоростями

В настоящее время достаточно разработаны методы квазистатических испытаний материалов на растяжение с малыми скоростями (е < С 10-2 с-1) на серийных испытательных машинах с непрерывной работой привода, установленной мощностью, достаточной для поддер­ жания заданной скорости деформирования [1, 52]. Методики испыта­ ний на ударное растяжение с применением различных конструкций вертикальных, маятниковых и пневмопороховых копров, обеспечиваю­ щих деформирование образца за счет запаса кинетической энергии поступательного или вращательного движения масс, используются для скоростей деформации выше 102 с-1. Проведение испытаний в про­

межуточном диапазоне скоростей (е = 10“ 1... 10 с-1) встречает серь­ езные затруднения — использование серийных испытательных машин неприемлемо вследствие недостаточной мощности привода, получение повышенных скоростей деформирования путем непосредственной пе­ редачи на подвижный захват образца инерционного движения тела тре­ бует использования чрезмерно больших масс (как указано в начале главы, деформирование со скоростью 0,5 м/с образца рабочей частью диаметром 10 мм длиной 50 мм из стали, при среднем сопротивлении 1000 МПа требует установки привода мощностью 40 кВт или исполь­ зования кинетической энергии поступательного движения тела мас­ сой 8 • 10* кг). Для устранения указанных затруднений при проведе­ нии испытаний в дипазоне повышенных скоростей деформирования разработано специальное устройство, в котором для нагружения об­ разца используют кинетическую энергию бабы вертикального копра (небольшой массы), инерционное движение которой передается на образец через винтовой нагружающий механизм. Схема такого уст­ ройства приведена на рис. 22, а. Образец 7 одним концом через упру-

Рис. 22. Схемы устройств для испытаний на растяжение с повышен­ ными скоростями при нагружении с использованием винтового (а), клинового (б) и рычажного (в) механизмов

гий захват-динамометр 8, соединен с корпусом 1, а вторым концом через подвижный захват 9 — с гайкой 3 винтового нагружающего механизма, которая удерживается от вращения шпонкой и перемеща­ ется поступательно при вращении ходового винта 2. Вращение рычага 5, воспринимающего удар бабы 6, с помощью тррса 4 и шкива 10 на конце ходового винта преобразуется в его вращение.

Номинальная скорость деформирования образца определяется

скоростью бабы v0 = V 2gh, шагом резьбы ходового винта S, диаметром шкива D, отношением расстояний от оси вращения рычага до точки закрепления троса Rx и до точки -контакта с поверхностью бабы

Скорость деформирования сохраняется примерно постоянной в процессе испытания при условии, что энергия разрушения образца и кинетическая энергия подвижных частей устройства значительно ниже запаса кинетической энергии бабы. Начальный участок дефор­ мирования может отличаться отклонением скорости от номинальной вследствие конечного времени разгона подвижных элементов устрой­

ства и эффектов, связанных с отскоком рычага и его изгибными ко­ лебаниями, а также вследствие влияния упругих деформаций динамо­ метра и других элементов цепи нагружения.

Ударное взаимодействие рычага с бабой через демфирующую про­ кладку, сопротивление трения при вращении рычага подавляют его отскок. Достаточный люфт между ходовым винтом и гайкой, связан­ ной с захватом образца, позволяет обеспечить разгон всех остальных подвижных элементов цепи нагружения до начала нагружения об­ разца. Отклонение скорости деформирования образца от номинальной определяется только влиянием податливости динамометра, корпуса устройства и подвижного захвата с гайкой, а инерционность послед­ ней является несущественной. Действительно, влияние инерцион­ ных сил на диаграмму деформирования определяется отношением ки­ нетической энергии подвижных элементов (гайки с захватом) Еи —

4/и 8 “

d — длина и диаметр деформируемой части образца), Ek/Ey — ^ Л £ 7 Р.

Это отношение для использованных в эксперименте образцов 0 4 х X 10 мм и массы т — 0,3 кг не превышает Е к/Е у = 0,02, что не может существенно изменить начальный участок деформирования при ско­

рости деформации б < 10 с-1 . Устройство удовлетворительно рабо­

тает при скоростях деформирования б ниже 10 с-1 . При более высо­ ких скоростях инерционные силы вызывают разрушение троса (0 3 мм). Усилие деформирования регистрировали по деформации упругого динамометра. Вследствие значительной длительности испытаний,

*нсл — (vfl — частота продольных колебаний динамометра), в

данном случае может быть использован короткий динамометр. Полученные осциллограммы деформация — время и усилие — время

свидетельствуют об удовлетворительном поддержании постоянной ско­ рости деформирования в процессе растяжения образца за исключени­ ем начального участка, где существенно влияние конечной жесткости цепи нагружения. Испытания с меньшей скоростью могут быть про­ ведены на этом же устройстве путем медленного опускания груза.

Вдиапазоне скоростей деформирования 0,1...2 м/с применим клиновой

ирычажный механизмы, использующие кинетическую энергию дви­ жения бабы вертикального копра.

Корпус 1 клинового механизма (рис. 22, 6) с закрепленным на нем опорным роликом 4 и стержневым динамометром 2 устанавливается

взоне взаимодействия бабы с клином 5. По направляющим корпуса перемещается ползун 7 с закрепленным на нем подвижным роликом 6, соединенный с одним концом образца 3 (второй конец образца прикреп­

лен к корпусу через динамометр). Движение клина между опорным и подвижным роликами вызывает движение ползуна и деформирование образца со скоростью vH= v0 tg а. Клиновой механизм позволяет проводить испытания на растяжение или сжатие. В рычажном меха­ низме образец нагружается через рычаг, воспринимающий .удар бабы при ее свободном падении (рис. 22, в). Скорость деформирования

определяется соотношением плеч от оси вращения рычага до оси

скок рычага подавляется введением демпфирующей прокладки. Вол­ новыми процессами в упругом динамометре в этом диапазоне скоростей для пластичных материалов можно пренебречь и использовать корот­ кий динамометр, однако его жесткость влияет на отклонение скорости от номинальной. Такое же влияние имеет податливость силового рычага.

Таким образом, схемы нагружения образца (при испытаниях на растяжение) на вертикальном копре, использование клинового, ры­ чажного и винтового механизмов обеспечивают испытание в диапазоне

скоростей деформирования от малых статических до 20 м/с (б = = 2 10а с~1). Использование идентичных образцов и получение со­ поставимых результатов благодаря поддержанию с достаточной точ­ ностью заданной скорости деформирования, постоянной в процессе испытания,— основное преимущество описанной методики.

7. Влияние длины рабочей части образца на регистрируемую диаграмму деформирования

Неравномерность деформирования по длине образца ведет к тому, что регистрируемое усилие (предполагаем, что усилие регистрируется без искажения) характеризует не поведение определенного объема материала иод нагрузкой, в соответствии с основным условием полу­ чения корректных результатов при квазистатических испытаниях, а сопротивление деформированию конкретного образца как конструк­ тивного элемента. Полученная при испытании информация должна быть проанализирована с учетом влияния относительной длины образ­

-f- 10. Образцы изготовлены из одного прутка и термообработаны после изготовления за одну садку в печь.

Испытания при малых статических скоростях деформирования проведены на испытательной машине «Инстрон» с максимальным уси­ лием 25 т. Регистрация усилия и деформации стандартными силоизмерителем и тензометром с помощью электромеханической записи обес­ печивала получение диаграмм усилие — время и деформация — время.

Как следует из результатов испытаний, влияние статической скорости в исследованном диапазоне несущественно — для одной дли­ ны образца индивидуальные кривые нагрузка — удлинение совпадают в пределах разброса данных. Изменение длины рабочей части образца не влияет на характеристики прочности — верхний и нижний пределы текучести, предел прочности, сопротивление при отрыве. Относитель­ ное удлинение возрастает с уменьшением длины рабочей части об­ разца (развитое течение в области шейки вносит возрастающий вклад

УА%

Рис. 23. Зависимость относительного удлинения и сужение площади сечения об-

разца при растяжении е = 10 3 с 1 (7) и ё = 1 0 ~ 2 с 1 (2) от длины рабочей ча-

стн образца

Рис. 24. Начальные участки диаграмм деформирования при статическом раотяжении (а) и начальные участки диаграмм ударного растяжения со скоростью 18 м/с (6)i

в общую деформацию образца), относительное сужение в шейке прак­ тически не изменяется (рис. 23) и, следовательно, более надежно харак­ теризует предельную пластичность материала при растяжении, чем относительное удлинение.

Форма кривой а (е) в области, малых упругопластических деформа­ ций, соответствующих «зубу текучести», существенно зависит от дли­ ны рабочей части образца. Если начальные участки упругого дефор­ мирования в координатах нагрузка— удлинение совпадают для всех испытанных образцов, независимо от их длины (свидетельство того, что податливость машины намного выше податливости рабочей части образца), то период распространения пластической деформации, свя­ занной с «зубом», сокращается при уменьшении длины рабочей части образца (рис. 24). С повышением скорости деформации повышается уровень искажений при регистрации усилий и деформаций в области зуба текучести в связи с ограниченным диапазоном частот, регистри­ руемых при электро-механической записи. Кривая статического дефор­ мирования (кривая 3 на рис. 24, а) имеет сложный характер — ско­ рость деформации минимальна на упругом участке нагружения, резко возрастает при спаде нагрузки в области перехода от упругого к упру­ гопластическому деформированию за зубом текучести, снижается до номинальной на площадке текучести, дальше снижается до вели­ чины ниже номинальной с началом упрочнения, и возвращается к ней по мере понижения модуля упрочнения. В зависимости от длины образца более или менее ярко выражены отдельные участки такого де­ формирования.

В области упругого нагружения скофостй деформации отклоняется от номинальной примерно в пять раз и, следовательно, регистрируе­ мая при испытании кривая деформирования а (е) может быть принята

соответствующей постоянной скорости деформации е = const только при условии слабой чувствительности материала к скорости деформи­ рования.

Сокращение длины рабочей части образца, не вызывая изменения параметров характерных точек на кривой деформирования, т. е. характеристик прочности и пластичности, снижает период распростра­ нения деформации по длине образца и связанную с ним неравномер­ ность деформирования. Для испытанных образцов из стали 45 сниже­ ние длины рабочей части до lpld = 1 ,5 приводит к пренебрежимо ма­ лому периоду распространения деформации, не влияя на развитие пластического течения в шейке образца. При lp/d ^ 2,5 отсутствует участок распространения деформации за зубом текучести — сразу за

спадом нагрузки с верхнего предела текучести о? до а" начинается участок деформационного упрочнения.

Испытание образцов из нержавеющей стали Х18Н10Т (термообра­ ботка после изготовления такая же, как для стали 45) с рабочей частью 0 4 х Ю и 0 4 х 20 мм показало отсутствие неравномерности пласти­ ческого течения в области перехода от упругого к упругопластическому деформированию и регистрируемые кривые нагрузка — относитель­ ное удлинение практически совпадают для двух длин образца. Соот­ ветственно сохраняются неизменными все характеристики прочности и пластичности, в том числе и относительное удлинение (в отличие от стали 45), что свидетельствует о более высокой однородности распре­ деления деформации по длине образца и незначительном влиянии со­ средоточенной деформации в шейке. Аналогично влияет длина образца (рис. 24., б) на кривую деформирования при ударном растяжении со скоростью до 20 м/с.

Испытание на растяжение с высокой скоростью (до 250 м/с), как показано выше, вследствие распространения упругопластической волны по длине рабочей части образца показало зависимость кривой нагружения от длины рабочей части (длина образца не удовлетворяет условию (2.11)). С уменьшением этой длины область максимального усилия смещается к началу нагружения; последнее может быть свя­

лаксации напряжений в упругопластической волне ниже, следователь­ но, уровень напряжений и скорость деформирования — выше).

Таким образом, снижение длины образца до lp/d = 1,5 при сохра­ нении равномерности деформирования в начальный период нагруже­ ния, не влияя на характеристики прочности и пластичности (за исклю­ чением величины относительного удлинения)', обеспечивает получение кривой деформирования, более близко соответствующей локальному поведению материала (в объеме рабочей части образца). При высоких скоростях деформирования, при которых не представляется возмож­ ным обеспечить равномерность деформирования в начальный период нагружения, сокращение длины образца до минимума является необ­ ходимым условием получения корректных данных о качественном влиянии скорости деформирования на характеристики прочности и пластичности материала и влиянци скорости на кривую деформиро­ вания.

Г л а в а т р е т ь я ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ

И ПЛАСТИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ СКОРОСТЯХ ДЕФОРМАЦИИ

Несмотря на противоречивость имеющихся в литературе данных, можно считать надежно установленным, /что для металлов з области малых (статических) скорЬстей нагружения взаимодействие процес­

растяжении с ростом скорости сопротивление деформации (при отсут­ ствии фазовых превращений) возрастает в результате недостаточного времени для развития процессов релаксации и роста вязкой составляю­ щей сопротивления.

Существенные затруднения, возникающие при исследованиях с высокими скоростями деформации, обусловлены необходимостью со­ хранения однородного напряженно-деформированного состояния в объеме рабочей части образца (основного условия получения досто­ верной информации в квазистатических испытаниях). Несоблюдение ограничений на предельные размеры рабочей части образца приводит к получению по результатам высокоскоростных испытаний только качественных данных о влиянии скорости на механические харак­ теристики материала. В связи с возможным отклонением от однород­ ности деформации по длине образца данные о снижении характеристик прочности и пластичности при ударном нагружении стандартных об­ разцов [8, 30] не могут быть связаны с влиянием скорости деформации. Об этом свидетельствует характер разрушения таких образцов: раз­ рушение вблизи одной из головок при умеренных скоростях ударного растяжения, образование двух шеек, смещение разрушения с ростом скорости к нагружаемому концу образца или даже в его головку [81. Следовательно, определенные по испытаниям с высокими скоростя­ ми стандартного образца усилие деформирования и удлинение харак­ теризуют не материал в объеме рабочей части образца, а использован­ ный образец как конструктивный элемент. Аналогично, критическая скорость деформирования, при которой пластическая деформация в ис­ пытаниях на ударное растяжение образца практически исчезает, не может рассматриваться как характеристика материала, поскольку деформация связана с ее распределением по длине образца и соблюде­ нием одноосности напряженного состояния. Она растет с уменьшением длины рабочей части образца — критические скорости выше на более