Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Испытания материалов различной физической природы при высокоскоростной деформации 9
Глава 2. Метод кольского с использованием разрезного стержня гопкинсона и его модификации 36
Глава 3. Результаты динамических испытаний ряда металлов и сплавов 64
Глава 4. Исследование структурно-неоднородных материалов при высокоскоростном деформировании 95
Выводы по работе 124
Список литературы 126
- Испытания материалов различной физической природы при высокоскоростной деформации
- Метод кольского с использованием разрезного стержня гопкинсона и его модификации
- Результаты динамических испытаний ряда металлов и сплавов
- Исследование структурно-неоднородных материалов при высокоскоростном деформировании
Испытания материалов различной физической природы при высокоскоростной деформации
Для решения вопроса о поведении различных материалов при интенсивных импульсных нагрузках, как у нас в стране, так и за рубежом, проводятся многочисленные теоретические и экспериментальные исследования. Однако, экспериментальное изучение физико-механических свойств материалов в условиях высокоскоростного деформирования требуют разработки специальных методов нагружения и оригинальных средств регистрации напряжений и деформаций. В данной главе приводится обзор методов динамических испытаний с анализом результатов этих испытаний для ряда материалов. При этом основное внимание уделено методическим разработкам, получившим наибольшее распространение. Основу методики испытаний составляют соответствующие нагружающие устройства и средства регистрации,, которые выбираются с учетом ожидаемых скоростей деформаций, а также формы и размеров образца. Описание и анализ различных методик, а также установок для динамических испытаний представлены в работах [7,23,26,30,35,42,46,56,59,61,69,71,70,79,132,145,157]. В зависимости от вида запасаемой энергии динамические нагружающие устройства классифицируются на установки, использующие: — механическую энергию; — энергию сжатого газа или жидкости; — электромагнитную энергию. Наиболее просты и хорошо разработаны установки, использующие механическую энергию (вертикальные, маятниковые и ротационные копры, кулачковый пластометр). Все эти устройства используют кинетическую энергию массивного тела (бабы или маховика) и реализуют закон нагружения образца є « const. Считается, что кинетическая энергия разогнанной массы должна, по крайней мере, на порядок превышать работу деформирования образца.
Иной принцип работы имеют пневматические и гидравлические устройства, использующие энергию сжатого газа или жидкости. Пневматические устройства представляют собой воздушные или легкогазовые пушки и ударные трубы. Они достаточно универсальны и позволяют проводить испытания в широком диапазоне скоростей деформации (10 -НО с ). Гидравлические системы обычно используются не как нагружающие устройства, а в основном для передачи усилия от какого-либо устройства накопления энергии к образцу. Скоростной диапазон этих устройств существенно ниже (10-fl02c I). Следует отметить, что ни пневматические, ни гидравлические нагружающие устройства серийно не выпускаются, поэтому в ряде лабораторий разработаны оригинальные системы [15,25].
В качестве нагружающих устройств наибольшее распространение в нашей стране получили различные схемы копров с падающим грузом [70,81].
Разновидностью вертикальных копров являются маятниковые, в которых массивный груз закреплен на штанге и может совершать движение по дуге окружности. На выпускаемых серийно маятниковых копрах можно проводить стандартные испытания на консольный или трехточечный изгиб, ударное растяжение и сдвиг. Недостатки маятниковых копров те же, что и вертикальных. Кроме того, вследствие перемещения маятника по дуге, возникает изгиб образца. Для преодоления этого недостатка рекомендуется прикладывать нагрузку через стержень-волновод [71,143]
В ротационных копрах используется кинетическая энергия маховика большой массы, разогнанного с помощью электродвигателя [39]. Нагружение образца происходит при ударе рычага, закрепленного на маховике, по траверсе, скрепленной с образцом. Ротационные копры обладают значительным запасом энергии, что позволяет более точно реализовать ударное нагружение с постоянной скоростью деформации. Однако, они имеют сложную конструкцию и повышенную опасность разрушения деталей, в том числе ротора (маховика), разогнанного до высоких скоростей.
В последнее время при высокоскоростных испытаниях все чаще используется электрическая энергия. Здесь возможно непосредственное деформирование тонких образцов (пластин, оболочек) либо магнитным полем [3], либо электродинамическими силами отталкивания витков плоского индуктора [70], а также нагружение образцов ударом разогнанных магнитным полем металлических масс (цилиндров, дисков, стаканов) [8,29].
Один из способов передачи энергии разряда на образец заключается в использовании так называемого электрогидравлического эффекта [29], результатом которого является интенсивное импульсное давление в жидкости, возникающее вследствие электрического разряда [70].
Преимуществами установок, использующих электрическую энергию, является их высокая эффективность и возможность получения кратковременных и достаточно интенсивных нагрузок. Недостаток этих установок, также как и систем, использующих энергию взрыва, заключается в возникновении довольно сильных электромагнитных, звуковых, ультразвуковых и даже рентгеновских [27] явлений, которые не оказывают существенного влияния на процесс деформирования образца, но влияют на точность регистрации параметров процесса при испытаниях. Кроме того, вопрос о влиянии электромагнитного импульсного поля на свойства исследуемого материала пока однозначно не решен.
Для построения динамической диаграммы процесса деформирования образца в первую очередь необходима регистрация нагрузки. Для этого используют специальные динамометры. Основное требование, предъявляемое к динамометру, заключается в независимости его показаний от скорости деформации образца. Простейшим вариантом динамометра является образец с удлиненной динамометрической частью [59]. Преимущество силоизмерителя с длинным стержневым волноводом очевидно и выражается в отсутствии искажений из-за собственных колебаний силоизмерителя и элементов установки [31]. Для измерения упругой деформации динамометра в настоящее время наиболее широко используют фольговые тензорезисторы, которые преобразуют измеряемые деформации в изменение сопротивления. Чтобы зафиксировать эти изменения сопротивления, их нужно преобразовать в соответствующую силу тока или напряжения. Известны две схемы таких преобразователей: мостовая и потенциометрическая [37]. При динамических испытаниях обычно применяется более простая потенциометрическая схема. По оценке [80] погрешность измерения упругих деформаций из-за нелинейности потенциометрической схемы не превышает 2%. Важным преимуществом потенциометрической схемы является ее простота и возможность питания от одного источника большого числа измерительных каналов.
Кроме регистрации нагрузки при динамических испытаниях для построения диаграммы деформирования необходимо измерять деформацию образца или его перемещения. При измерении небольших деформаций испытуемых образцов наиболее просто измерить деформации в рабочей зоне образца с помощью наклеенных тензорезисторов. При этом используется квазистатическая гипотеза о том, что при отсутствии волновых явлений в рабочей зоне образца напряжения и деформации распределены в пределах этой зоны равномерно. Если же предполагаемый диапазон деформаций образца превышает рабочий диапазон тензорезисторов, то вместо прямого метода измерения деформаций используются косвенные методы (теневая фоторегистрация [128,183], скоростная киносъемка [78,124], емкостные цилиндрические датчики для измерения поперечной деформации [158], интерферометрические датчики деформации [22,172] и др.).
Метод кольского с использованием разрезного стержня гопкинсона и его модификации
В нашей стране разрезной стержень Гопкинсона достаточно долго не привлекал внимания исследователей, несмотря на то, что в зарубежной литературе к настоящему времени представлено более 1000 публикаций по методу Кольского и его модификациям. В этом пункте описывается математическая модель РСГ и приводится подробный вывод основных соотношений для определения напряжения, деформации и истории изменения скорости деформации в образце, а также проводится анализ применимости метода РСГ. Математическая модель РСГ представляет собой систему из трех стержней: двух бесконечно прочных и бесконечно длинных тонких стержней и "мягкого", очень короткого стержня-вставки (образца) между ними. В одном из стержней возбуждается одномерная упругая волна d(i), которая распространяется по стержням со скоростью с. При достижении образца, эта волна ввиду разницы акустических жесткостей рс материалов стержня и образца расщепляется: часть ее отражается обратно волной s(t), а часть проходит через образец во второй стержень волной J(t). Образец при этом претерпевает упругопластическую деформацию, в то время как стержни деформируются упруго. Предполагается, что при этом отсутствует дисперсия волны и распределение профиля деформации в пределах поперечного сечения стержней равномерное. Поперечными колебаниями частиц стержней пренебрегают. Картина распространения волн в РСГ представлена в виде X t диаграммы на рис. 2.1 Амплитуды и профили импульсов d (t) и J(t) определяются соотношением акустических жесткостей материалов стержней и образца, а также реакцией материала образца на приложенную динамическую нагрузку. Регистрируя тензодатчиками упругие импульсы деформации в мерных стержнях, по формулам, предложенным Г.Кольским [149], можно определить напряжения, деформации и скорости деформации в образце как функции времени.
При выводе основных соотношений метода Кольского предполагается, что поскольку образец имеет малую длину, а время прохождения волны по длине образца существенно меньше длительности нагружающего импульса, то напряженно-деформированное состояние образца близко к однородному и процесс упругопластического деформирования образца подобен квазистатическому, но протекающему с высокими скоростями деформации. Для этого условия можно вывести простые параметрические зависимости определения напряжения, деформации и скорости деформации в образце на основании импульсов деформации, зарегистрированных в стержнях [49].
При выводе формул все импульсы в стержнях условно считаются сжимающими, т.е. вектор их массовой скорости совпадает с направлением распространения волны и им условно присвоен знак плюс. Однако, следует помнить, что отраженный импульс имеет полярность противоположную падающему, поэтому в формулы его следует подставлять со своим знаком. Таким образом, имеется возможность определения напряжений и деформаций в образце с использованием любых двух или всех трех импульсов в стержнях (всего 9 наборов формул). С одной стороны это удобно, когда по каким либо причинам не удалось достоверно зарегистрировать один из импульсов, а с другой стороны при наличии всех трех импульсов можно, сравнивая диаграммы деформирования, полученные по разным наборам формул, оценить точность выполнения основной предпосылки методики Кольского (2.4).
Следует отметить, что наиболее удобными и простыми являются формулы (2.5), поэтому они чаще других применяются на практике для построения диаграммы деформирования. Далее из полученных параметрических зависимостей crn{t), sn(t) и єп(і) исключается время как параметр и строится диаграмма деформирования образца в виде зависимостей ап є„ и єп єп. Вторая зависимость используется для контроля изменения скорости деформации в процессе деформирования или для оценки влияния истории изменения скорости деформации на получаемую диаграмм образца при нагружении импульсом сложной формы. Для построения истинной диаграммы деформирования значения напряжения и деформации корректируются. Для коррекции напряжений в формулы методики вместо исходной площади поперечного сечения образца А подставляется ее текущее значение, определяемое из условия равенства объема образца в деформированном и недеформированном состоянии: На точность и достоверность получаемых с помощью метода РСГ результатов оказывают влияние три группы факторов. Первая группа связана с эффектами, определяющими неоднородность деформаций и напряжений в образце из-за осевой и радиальной инерции ввиду конечности размеров образца, а также из-за наличия трения на его торцах. Вторая группа факторов связана с дисперсией при распространении волн в мерных стрежнях, возбуждением нагружающего импульса с паразитными колебаниями и влиянием частотной характеристики измерительных каналов, а так же с погрешностями съема информации.
Результаты динамических испытаний ряда металлов и сплавов
К настоящему времени получены многочисленные данные о зависимости свойств металлов и сплавов от скорости деформации и температуры. Однако, для получения уравнения состояния материала адекватно описывающего его поведение, помимо оценки влияния скорости деформации и температуры, необходим анализ влияния истории изменения этих параметров на механические свойства материалов. Необходимость подобных исследований отмечена еще в работах Д.Кэмпбела [103,104], УЛиндхольма [157,158], Я.Клепачко [146], В.В.Викторова и Г.С.Шапиро [26].
С использованием описанных в главе 2 экспериментальной установки и модификаций метода Кольского были проведены испытания и получены данные о механических свойствах ряда металлов в условиях высокоскоростного деформирования при нормальной и повышенной температуре: армко-железа двух партий с различным химическим составом, сталей 30ХГСА, 20 и 09Г2С и алюминиевых сплавов АМг-6, АК-6, АД-1. Проведен экспериментальный анализ влияния скорости деформации, истории ее изменения и температуры на механические свойства материалов. Исследовано влияние предварительного ударно-волнового нагружения в область ос є фазового превращения на механические свойства армко-железа партии 2 и стали 30ХГСА. По результатам испытаний получены параметры определяющих соотношений Джонсона-Кука [140] и Зерелли-Армстронга [206].
Достоверность полученных результатов обеспечивалась тщательной подготовкой и проведением экспериментов, регулярной калибровкой измерительных каналов и проведением серий из З-т-4 экспериментов в номинально одинаковых условиях с осреднением результатов. Контроль точности калибровки осуществлялся путем сравнения амплитуды зарегистрированного падающего импульса и амплитуды возбуждаемой волны, рассчитанной по скорости ударника. Достоверность полученных результатов также проверялась путем сравнения с данными других авторов для аналогичных материалов.
В практике динамических испытаний армко-железо является одним из эталонных материалов, который используется многими исследователями как у нас в стране, так и за рубежом. Несмотря на многочисленные публикации по результатам динамических испытаний, интерес к исследованию различных аспектов высокоскоростной деформации армко-железа не ослабевает до сих пор, о чем свидетельствуют межлабораторные международные эксперименты [97, 199].
В разделе представлены результаты комплексного исследования влияния скорости деформации, истории ее изменения и температуры на механические свойства армко-железа двух партий, материалы которых имели различные химические составы. Для второй партии армко-железа, кроме того, проведено исследование влияния на механические свойства предварительного ударно-волнового деформирования в область а s фазового превращения.
Динамические испытания армко-железа партии 1 проведены на простое сжатие и растяжение при нормальной и повышенной температурах, на сжатие со скачками скорости деформации, а также при циклическом знакопеременном нагружении. Квазистатические испытания на растяжение и сжатие выполнены при нормальной температуре на универсальных испытательных машинах УРС-20/6000 и УМЭ-10ТМ.
Видно хорошее совпадение кривых при сжатии полученных на различных машинах и результатов [199]. Наблюдается существенное отличие диаграмм материала при сжатии и растяжении, что, с одной стороны, может быть обусловлено влиянием скорости деформации (при растяжении скорость деформации на порядок ниже), а с другой характеризовать анизотропию механических свойства материала. На рис. 3.2 показано влияние скорости деформации на диаграммы деформирования при сжатии и растяжении при нормальной температуре. Для уменьшения вариации скорости деформации в ходе деформирования РСГ нагружался через прокладку из стали 12Х18Н10Т [16]. Полученные диаграммы при сжатии (рис.3.2а) традиционны для металлов с объемно-центрированной кубической решеткой, т.е. скорость деформации не оказывает существенного влияния на характер деформационного упрочнения.
Статическая и динамическая диаграммы при растяжении существенно отличаются характером деформационного упрочнения (рис.3.2б): при статическом нагружении наблюдается значительное упрочнение материала, в то время как при высокоскоростном деформировании поведение материала близко к идеально пластическому.
Исследование структурно-неоднородных материалов при высокоскоростном деформировании
Интерес к изучению поведения грунтовых сред в условиях интенсивных кратковременных воздействий в последние годы значительно увеличивается в связи с необходимостью решения ряда проблем, среди которых можно выделить анализ распространения сильных сейсмических и взрывных волн и их взаимодействия с надземными и подземными сооружениями, задачи использования энергии взрыва при строительстве плотин, каналов, разработке полезных ископаемых и т.п. Кроме того, использование вычислительных методов при решении подобных задач предполагает применение уравнений состояния, адекватно описывающих поведение грунтов при импульсных воздействиях. Для оснащения используемых в расчетах уравнений состояния и оценки их адекватности необходима обширная база данных по динамическим свойствам различных грунтовых сред в широком диапазоне изменения интенсивностей нагрузки, скорости деформации и т.д.
В этом разделе приведены методика для исследования динамической сжимаемости мягких грунтов, проведен анализ особенностей измерения динамических характеристик мягких грунтов методом Кольского в диапазоне давлений 50-500МПа, представлены полученные результаты испытаний сухого песка, реализована методика построения единой кривой динамической сжимаемости грунта.
При изучении динамических свойств мягких грунтов помимо получения диаграмм деформирования, большой интерес представляет исследование сопротивления сдвигу, которое является одной из основных механических характеристик грунтов. Для установления зависимости этой характеристики от скорости деформации є или скорости нагружения 6 и давления Р предложено, независимо от [117], использовать модифицированный метод Кольского [98], который в работе Л.Малверна [123] получил название схемы с пассивным ограничением радиальной деформации. Таким образом, используемая модификация метода Кольского позволяет наряду с получением диаграммы одноосного сжатия образца (в условиях одномерного деформированного и объемного напряженного состояний) определять коэффициент бокового давления ,, кривую объемной сжимаемости Р БХ И зависимость сопротивления сдвигу от давления т Р или других компонент тензора напряжения, а также зависимость интенсивности напряжений от интенсивности деформаций Ст; є(. В данном пункте проведен анализ модифицированного метода Кольского для динамических испытаний мягких грунтов в упругой обойме. Показана однородность осевых и радиальных напряжений в образце, определена рациональная геометрия обоймы, отмечено влияние сил трения на получаемую динамическую диаграмму деформирования. В работе [2] отмечено, что при использовании обоймы, длина L которой превышает размер / образца грунта, возникает ошибка, пропорциональная отношению L/1, в восстановлении радиального напряжения в грунте по значению измеряемой окружной деформации обоймы. Превышение длины обоймы по сравнению с длиной образца связано с необходимостью центрировать обойму относительно стержней. В настоящей работе предложена ограничивающая обойма, представленная на рис. 4.3. Кольцевые выступы толщиной 1мм и длиной Змм на торцевых поверхностях обоймы достаточно точно центрируют ее относительно мерных стержней /, 4 и, как показал численный расчет, практически не влияют на напряженно-деформированное состояние (НДС) обоймы. В зависимости от амплитуд исследуемых нагрузок, обоймы 3 изготовлялись из сплава Д16Т и стали ЗОХГСА при соотношении внешнего диаметра Ъ к внутреннему диаметру а, равном 1,5. Высокая деформативность алюминиевого сплава по сравнению со сталью позволяет при малых давлениях в грунтовом образца 5 более точно регистрировать окружные деформации на внешней поверхности обоймы с использованием тензодатчика 2.
Из представленных данных следует, что для всех длин на начальном участке диаграммы деформирования наблюдаются колебания, обусловленные волновым нагружением образца, причем их амплитуды уменьшаются с уменьшением толщины образца. Поскольку минимальная длина образца ограничена требованием представительности объема, т.е толщина образца должна, по крайней мере, на порядок превышать размер частиц грунта (а в песке могу содержаться фракции размером до 1 мм), то в экспериментах использовались образцы толщиной 9.5 мм. Для всех кривых деформирования на рис.4.4 отмечается участок с нулевыми напряжениями, обусловленный первым проходом волны сжатия по образцу, наименьший и наибольший для образцов длиной 6.5 и 20 мм соответственно. По результатам испытаний образцов разной длины по временным задержкам между прошедшим и отраженным импульсами была определена скорость распространения волн сжатия малой амплитуды в песке. Среднее значение скорости распространения волны, полученное по результатам серии измерений оказалось равным 430±15м/с.
