Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 7
1.1. Пластичность и деформируемость металлов 7
1.2. Физические и феноменологические основы разрушения 14
1.3. Влияние напряженного состояния на пластичность металлов 20
1.4. Влияние скорости деформации на пластичность металлов . 30
1.5. Выводы по главе и постановка задачи исследования . 43
Глава 2. Методика эксперимента 45
2.1. Способы испытания металлов при высокоскоростном деформировании 45
2.2. Способы регистрации высокоскоростных процессов пластической деформации 50
2.3. Установка для исследования пластичности металлов при высокоскоростном деформировании . 54
2.3.1. Оптико-механические части установки 56
2.3.2. Электрическая схема установки. 51
2.4. Методы определения деформаций 53
2.5. Выбор материала и подготовка образцов 57
2.6. Выбор базы измерения для определения деформации 80
2.7. Математическая обработка опытных данных 85
Глава 3. Исследование зависимости пластшности от показателя напряженного состояния при разлшых значениях интенсивности скоростей деформаций сдвига 88
3.1. Изменение интенсивности скоростей деформаций сдвига при динамическом растяжении цилиндрических образцов 88
3.2. Изменение параметра в процессе высокоскоростного растяжения цилиндрических образцов 91
3.3. Влияние инерционных сил на величину показателя напряженного состояния при высокоскоростном растяжении цилиндрических образцов 95
3.4. Предельные значения показателя напряженного состояния при разрушении цилиндрических образцов 101
3.5. Исследование пластичности металлов в зависимости от показателя напряженного состояния при различных зна чениях интенсивности скоростей деформаций сдвига. 107
3.3. Фрактографические особенности разрушения металлов при высокоскоростном деформировании 120
Глава 4. Исследование пластичности металлов при высоко скоростной девдрмироеании в условиях плоского напряженного состояния ( 63 = 0) 128
4.1. Основные расчетные формулы для определения характеристик напряженно-деформированного состояния при высокоскоростном нагружении плоских образцов 128
4.2. Проверка гипотезы о монотонности развития деформаций при высокоскоростных испытаниях 132
4.3. Изменение интенсивности скоростей деформаций сдвига в процессе высокоскоростного нагружения плоских образцов по схеме трехточечного изгиба 133
4.4. Показатель напряженного состояния и параметр Надаи--Лоде при плоском напряженном состоянии 139
4.5. Исследование пластичности сталей в условиях плоского напряженного состояния при различных значениях интен сивности скоростей деформации сдєига 143
4.6. Влияние показателя напряженного состояния и интенсив ности скоростей деформаций сдвига в области концент ратора напряжении нэ величину/] при испытании плоских образцов на трехточечный изгиб 152
4.7. Траектории трещин в полях больших пластических деформаций 163
4.7.1. Влияние интенсивности скоростей деформаций сдвига на распределение степеней использования запаса пластичности в окрестности концентратора и особенности развития трещин при трехточечном изгибе плоских образцов 163
4.7.2. Траектории трещин в полях больших пластических деформаций при рзстяжении плоских образцов 172
4.8. Скорость распространения трещины и пластическая деформация, сопутствующая ее продвижению при высоко скоростном разрушении 182
Заключение 189
Список использованных 192
Приложение 207
- Влияние напряженного состояния на пластичность металлов
- Установка для исследования пластичности металлов при высокоскоростном деформировании
- Изменение параметра в процессе высокоскоростного растяжения цилиндрических образцов
- Проверка гипотезы о монотонности развития деформаций при высокоскоростных испытаниях
Введение к работе
Одной из основных задач, поставленных перед металлургами ХХУ1 съездом КПСС, является дальнейшее повышение качества продукции при одновременной интенсификации производственных процессов.
Важное значение в формировании качества металлов придается процессам обработки их давлением. Для повышения качества металлопродукции необходимо прежде Есего обеспечить хорошую трещиноус-тоичивость и деформируемость металлов, т.е. повысить их способность к пластической деформации без разрушения.
В то же Бремя технология деформирования некоторых металлов и сплавов может иметь в ряде случаев большие ресурсы пластичности. Их использование, например, холодная прокатка и волочение с повышенными деформациями между отжигами позволит не только уменьшить энергоемкость производства данного вида продукции, но и интенсифицировать эти технологические процессы. Интенсификации производственных процессов обработки металлов давлением еще в большей степени способствует создание и применение высокоскоростных способов деформирования металлов.
Для выполнения задачи по совершенствованию технологии и улучшению качества выпускаемой продукции необходимо углубленное развитие теоретической базы обработки металлов давлением, широкое использование основных положений механики деформируемых сред, привлечение прикладной теории пластичности.
Влияние многих физико-механических факторов на протекание процессов пластического формоизменения металлов обуславливает сложность построения математических моделей этих процессов. Отсюда неизбежность обращения к непосредственным экспериментальным исследованиям, которые позволяют не только оценить разрабатываемые
теоретические расчеты математического описания напряженно-деформированного состояния процессов обработки металлов давлением, но и являются единственным способом решения задач там, где теоретические решения в настоящее Еремя невозможны.
Значительные скорости деформирования и большое разнообразие напряженных состояний металлов при различных процессах обработки их давлением создают предпосылки для оценки пластичности материалов е зависимости от напряженного состояния при повышенных значениях интенеивностем скоростей деформаций.
Весомый вклад в определение пластичности большого числа металлов и сплавов Енесли работы Б.Л.Колмогорова, А. А.Богэтоеэ, О.И.Микирицкого, С.Ь.Смирнова, й.Я.ДззтутоЕа и др. Однако в настоящее єремя сведений о пластичности металлов при интенсивностях
4-Я 1
скоростей деформации сдвига выше 10 с крайне мало.
Настоящая работа посвящена .установлению закономерностей изменения предельной степени деформации сдвига металлов е зависимости от напряженного состояния и интенсивности скоростей деформаций сдЕига.
Влияние напряженного состояния на пластичность металлов
Напряженное состояние в точке деформированного твердого тела характеризуется тензором напряжении: /2» /3 21, 25 , 632 - касательные напряжения; или тремя его инвариантами, величины которых, выраженные через главные нормальные напряжения, имеют вид: При этом индексация главных нормальных напряжений производится по следующему правилу: Одна третья часть перєого инварианта называется средним напряжением в точке: Большое значение в теории пластичности имеет второй инвариант деЕиатора напряжений: неотрицательная величина которого является интенсивностью касательных напряжений. Если гидростатическое давление характеризует сопротивление частицы изменению ее объема, то интенсивность касательных напряжений определяет количественно сопротивление частицы изменению её формы. Третий инвариант девиатора напряжений: связан с углом вида напряженного состояния $$ и интенсивностью касательных напряжений следующей функциональной зависимостью [19] : Физический смысл третьего инварианта девиатора в том, что он влияет на угол 3($ , который распределяет величину интенсивности напряжении по трем главным осям, т.е. характеризует форму эллипсоида интенсивности напряжении. Следовательно, третья инвариантная характеристика устанавливает вид напряженного состояния [19] : растяжение, сдвиг или сжатие.
Классические опыты П.Бриджмена [12] показали, что при наличии положительного гидростатического давления, изменяемого в опытах в широких пределах, пластичность существенно возрастала. Положительное влияние гидростатического давления на пластичность металлов отмечалась также в работах [22, 23, 83] . Появилась необходимость установления количественного показателя, определяющего жесткость схемы напряженного состояния. Б литературе имеются несколько таких показателей: коэффициент жесткости БабичкоЕа [28] : где (5і - интенсивность напряженного состояния; коэффициент жесткости Шир нова-Аляева 28] : показатель напряженного состояния М.А.Заикова и В.Н.Перетятько 84] : где О - сопротивление одноосной деформации. Авторы работы [2] считают, что Б настоящее время нет сведении о влиянии на Ар третьего инварианта девиатора напряжений. Поэтому с учетом выражений (1,28.) и . (1.30.) принимают, что показатель напряженного состояния: Б таком виде показатель напряженного состояния отображает уровень сжимающих или растягивающих напряжений. Если в схеме напряженного состояния преобладают растягивающие напряжения, то 5/ / U, если Наиболее простым методом определения зависимости Ap fv5/I/ являются испытания на растяжение цилиндрических образцов с выточками.
При одноосном растяжении в момент потери устойчивости (образование шейки) линейно напряженное состояние переходит в объемное С85] . В процессе развития шейкиб// изменяется от 1/1/3 , что соответствует линейному растяжению, до некоторого значения, при котором происходит разрушение образца. Определению напряженного состояния металла в области шейки посвящен ряд отечественных и зарубежных работ [12, 27, 87, 88] . С учетом выражений (1.28.) и (1.30.) показатель напряженного состояния в шейке цилиндрического образца определяется по формуле С27] : где ( = (5 — (5т, , a (5j и (5$ - соответственно осевое и радиальное напряжения. Неблагоприятной с точки зрения разрушения является центральная точка образца в области шейки, где Є$ принимает максимальные значения. Точного решения задачи по определению напряженного состояния в шейке цилиндрических образцов в настоящее время не существует. Поэтому напряженное состояние оценивают по приближенным формулам, предложенным Н.Н.ДаЕиденковым и Н.й. Спиридоновой [87]: где а - диаметр поперечного сечения образца по шейке; Я - радиус кривизны контура продольного сечения образца Е Месте ШеЙКИ. С учетом формул (1.39.) показатель напряженного состояния можно представить в ЕИДЄ: Для достижения более мягких схем напряженного состояния при изучении пластичности металлов проводят растяжение образцов Е жидкости под высоким гидростатическим давлением. При этом показатель напряженного состояния определяется по формуле [1, 2]: где г - величина гидростатического давления. Обращает на себя внимание различие в значениях (5/1 , определяемых по выражениям (1.41) и (1.42) при возрастании отношения и/п. В работах l, 2] указано, что для получения достоверных результатов по определению 6// размеры образцов следует выбирать такими, чтобы значения и./К были примерно в пределах 0 ;- 4. Анализу напряженного состояния при более жестких схемах нагружения посвящены работы [13, 89] .
Определение напряженного состояния при испытании плоских образцов основывается на физическом уравнении теории пластичности, устанавливающем связь между компонентами девиаторов напряжении и скоростей деформаций [2]: где 6Ь компоненты тензора напряжении; On- символ Кронекера, равный 1 при I =J- и 0 при І Р ; ці- компоненты тензора скоростей деформации в переменных Эйлера. Б случае испытания образца, у которого в процессе нагружения сохраняется условие плоского напряженного состояния и деформация протекает монотонно, показатель напряженного состояния определяется по формуле [16] : где и главные деформации. Обычно показатель напряженного состояния в процессе деформации изменяется. Так при растяжении цилиндрических образцов он может изменяться от 0,577 до 2, при сжатии от -0,577 до -0,2 ;. +0,5 [31] . Поэтому для построения диаграмм Ар = J (6/I/ необходимо определять средние значения (5/1 за ЕЄСЬ период испытания l, 2] :
Установка для исследования пластичности металлов при высокоскоростном деформировании
Для данного исследования пластичности металлов при высоких скоростях деформации на базе скоростных фоторегистратороЕ СФР-1М была создана установка, обеспечивающая высокоскоростное нагруже-ние. Еыбор приборов СФР-1М для регистрации быстропротекэющих процессов пластической деформации обусловлен тем, что они наиболее доступны и просты в эксплуатации при одновременной достаточной разрешающей способности (более 20 линий на один мм) и достаточной скорости съемки.
Для исследований применялись как испытания плоских образцов на трехточечныи изгиб, так и испытания на растяжение плоских и цилиндрических образцов. испытания на растяжение при низких скоростях нагружения проводились на разрывной машине РМ-1. погружение при трехточечном изгибе осуществлялось с использованием разрывной машины ГРМ-1. Процесс деформирования фиксировался на пленку при помощи киноаппарата "Киев 1ьУ".
Постановка задачи требовала не только изучение совместного влияния показателя напряженного состояния и интенсивности скоростей деформаций сдвига на пластичность металлов, но и оценки влияния вида напряженного состояния на данную величину. Если при испытании цилиндрических образцов с различными радиусами выточек можно было установить влияние на пластичность только показателя напряженного состояния при неизменном значении па раметраі/g равном -1, то проведение испытаний Е условиях плоского напряженного состояния позволяло изменять величинуyil 5 в довольно широких пределах.
Вместе с тем, для установления влияния вида напряженного состояния на пластичность металлов можно было ограничиться только одним из видов нагружения (растяжение или изгиб). Однако, проведение испытаний с различными видами нагружения позволяло осуществить проверку независимости величины пластичности металлов от схемы нагружения при равенстве всех интересующих параметров Ш ,б/ / ,M(s). Озределенный интерес представляло распределение степеней деформаций сдвига вблизи концентраторов и траектории распространения трещин при выбранных схемах нагружения.
Основные элементы нагружающего устройства для высокоскоростных испытаний металлов на трехточечный изгиб приведены на рис.2.1. Ствол 6 представляет собой пластину, изготовленную из стали 45, имеет продольные пазы для крепления его на станине 8 и цилиндрический канал для передвижения бойка 5. Боек устанавливается в канал так, что его верхний торец соприкасается с медной пластиной, лежащей на верхней грани ствола. Пластина 4 и ограждение 1 служат для предотвращения доступа газоє в область съемки. На медную пластину соосно с бойком помешается патрон со взрывчатым веществом, представляющим собой стальную трубку высотой 25 мм с внутренним диаметром 12 мм и толщиной стенки 7 мм. Для предотвращения высыпания ВВ к трубке приклеивается картонный кружок. Б качестве источника нагружения используется энергия взрывчатого вещества (1ЭН), детонирующего в результате сгорания тонкой медной проволочки при подаче на нее импульса электрического тока высокого напряжения.
Давление, возникающее за счет детонации ТЭНа, передается через пластину 4 бойку, который разгоняется на пути, определяющимся уровнем деформации пластины. В дальнейшем он движется свободно и подлетает к образцу с постоянной скоростью, которая определяется количеством взрывчатого вещества и массой бойка. Несмотря на чрезвычайную простоту нагружающего устройства, скорость бойка может изменяться в довольно широких пределах: от единиц до нескольких десятков метров в секунду.
Скорость съемки камеры СФР-1М, работающей в режиме лупы времени, устанавливается в зависимости от длительности процесса нагружения, и для различных случаев изменялась от 250 тысяч до 2 миллионов кадров в секунду.
Образцы освещаются двумя газонаполненными импульсными лампами ИСШ-ЮО-ЗМ с энергией вспышки около 3000 джоулей, работающими в режиме многократной перегрузки. Исследования проводят на отражение, при этом лампы располагаются под углом 45 относительно оптической оси. Киносъемка осуществляется на аэрофотопленку со светочувствительностью о 0,85 1200 единиц по ГОСТ 2817-50.
На данной установке можно исследовать и пластические свойства металлов при низких температурах. Для этого образцы охлаждаются парами жидкого азота, который с помощью электрической печи подается по резиновой трубке к центральной части образца на поверхность, обратную фоторегистрируемои. Печь представляет собой медную тонко изолированную трубку со спиралью и герметически вставляется в сосуд Дьюара. Мощность подачи азота контролируется регулировочным трансформатором. Температура регистрируется при помощи медь-константаноЕОй термопары на потенциометре УПИП-6Ш. Термопара вставляется в отверстие диаметром 1,5-2 мм, высверливаемое на образце на расстоянии 8-Ю мм от концентратора.
Для предохранения образца от запотевания и заиневения к станине 8 крепится приставка 10, изготовленная из текстолита и имеющая пазы для установки двух стеклянных пластин 11. Пластины пропускают свет от лампы к образцу и от образца в камеру СФР-1М. В результате образец находится в замкнутом пространстве, что предотвращает доступ воздуха, насыщенного парами воды окружающей среды. Б нижней части станины оставляется отверстие для выхода азота.
Изменение параметра в процессе высокоскоростного растяжения цилиндрических образцов
С увеличением ICt/Д/л период времени быстрого подъема Д уменьшается. Особенно сильно это проявляет рых происходит подъем и падение а , связанные с упруго-пластическими волнами. Особенно ярко они выражены в первые моменты времени, когда эффект воздействия этих волн наибольший. Большее влияние упруго-пластические волны оказывают на изменение интенсивности скоростей деформаций для стали 40Х, нежели для алюминия, поскольку алюминий как наиболее пластичный материал обладает лучшими демпфирующими свойствами, за счет которых происходит подавление этих волн. Так как при взрьданом нагружении невозможно создать идентичных условии скорости деформирования, определяющихся интенсивностью детонации взрывчатого вещества, то средние интенсивности скоростей деформации сдвига $ , определяемые по формуле (1.59) для образцов с одними исходными значениями (Й//Г/0 несколько отличаются друг от друга. Результаты представлены в.табл.3.1.
В связи с этим построение каждой кривой на рис.3.1 и 3.2 проводилось по результатам испытаний одного образца. Среднее квадратичное отклонение значений, лежащих на кривых, от опытных значений [і не превышало 0,06.
В настоящее время для определения показателя напряженного состояния при растяжении цилиндрических образцов с выточкой пользуются формулами (1.41.) или (1.42.). Основным параметром, входящим в эти формулы является безразмерная величина отношения геометрических размеров шейки образца u/n . По изменению этого параметра во время импульсного нагружения можно судить об изменении величины зависимости от степени деформации сдвига для образцов без выточки, растягиваемых при комнатной температуре, исследователи П.Бриджмен Cl2j , П.О.Пашков [49 3 и др. Подобные исследования для образцов, имеющих выточки, проведены 0.И.Мижирицким и А.А.Бо-гатовым [2] и характерны для испытаний при низких скоростях деформирования.
В связи с этим представляется важным рассмотрение вопроса о влиянии интенсивности скоростей деформаций сдвига на изменение параметра и/п при растяжении. Радиус профиля шейки определяли по-кинограммам согласно схеме, представленной на рис.3.3. Для удобства измерения и повышения точности результатов вместо БД бралась величина ВС, тогда выражение (3.2.) будет иметь вид:
В процессе деформирования конфигурация профиля шейки изменялась таким образом, что таяки, наиболее удаленные от наименьшего поперечного сечения шейки, не ложились на окружность. Поэтому замеры ВД и ДЦ производились в тех местах профиля шейки, в точках которых достаточно хорошо можно было вписать окружность.
Как и в параграфе 3,1 ограничимся изучением зависимости для стали 401 и алюминия А999. Данные зависимости представлены на рис.3,4. и 3.5. Построение каждой кривой проводилось с использованием не менее 50 измерений ЩК , полученных в результате испытания трех образцов с одинаковыми исходными значениями [U/K/Q. При этом среднее квадратичное отклонение не превышало 0,07 для стали 40Х и 0,09 для алюминия.
Для обоих материалов при ЕСЄХ значениях (и/л%как при низких, так и при высоких интенсивностях скоростей деформаций сдвига обеспечивается достаточно плавный вид кривых. Следовательно, волновыми эффектами, способствующими изменению ujK , а значит и (5/1 при подобных высокоскоростных испытаниях можно пренебречь.
Обращает на себя внимание тот факт, что характер изменения ЩК с ростом Л при высокоскоростном деформировании как стали 40Х, так и алюминия имеет более плавный характер, чем при квазистатических условиях нагружения при любых исходных значениях [и/п/о . При этом минимальные значения П/п при ударных условиях нагружения имеют большую величину, а восходящие ветви кривых поднимаются менее круто. Более ярко это выражено для алюминиевых образцов. Например, при Ж -1.0 „ А -2,5 увеличение интенсивности скоростей деформаций сдвига от 0,06 с-1 до 2,8x1с4 с""1 приводит к
Изменение отношения и/п при растяжении образцов с выточкой стали 401: 1 - квазистатическое нагружение; 2 - высокоскоростное нагружение
Проверка гипотезы о монотонности развития деформаций при высокоскоростных испытаниях
Основным условием монотонности процесса деформирования является условие (1.6 ). В определении величины $з нет необходимости, поскольку она может быть установлена из условия несжимаемости. Поэтому условие монотонности можно представить в виде: Оценку монотонности будем проводить по результатам испытания образцов стали СтЗ и 12Х18Н10Т при высокоскоростном деформировании, имеющих радиусы концентраторов 0,5 мм. В качестве примера приведем экспериментальные значения J/ и 2 Аля девяти точек деформированного поля, лежащих в окрестности концентраторов и образующих квадрат с координатами Af =0,6 мм; 1.0- Л2-0; 0,4 «. е различна M0MeHTH в еии до раэр„ (табл.4.1, 4.2). При этом точка (1,0; 0) находится у основания надреза в месте возникновения будущей трещины. Из приведенных примеров следует, что в процессе высокоскоростного деформирования тонких плоских образцов отношение 5/ oj не остается постоянным, т.е. деформация является немонотонной. Наибольшая немонотонность наблюдалась в месте образования макротрещины, где отношение bf -oz в хДе деформирования изменялось приблизительно в 2 раза. В связи с этим,все последующие расчеты, необходимые для определения основных параметров напряженно-деформированного состояния при высокоскоростном нагрузкении,проводились по формулам, учитывающим немонотонность характера протекания деформации. Величины 5/ и ,2 характеризуют скорости протекания деформации по осям главной системы координат. Общей характеристикой скорости деформации является интенсивность скоростей деформации сдвига П . Особенности изменения интенсивности скоростей деформаций сдвига при высокоскоростном растяжении цилиндрических образцов рассмотрены Е параграфе 3.1. Однако проведение динамических испытаний плоских образцов по схеме трехточечного изгиба может привести к дополнительным особенностям изменения величины Л . Величины Н определялись для тех же точек деформированного поля, что и главные скорости деформаций. Наибольший интерес представляет рассмотрение изменения интенсивности скоростей деформаций сдвига в месте возникновения трещины. Полученные данные для образцов с радиусами надрезов 0,5; 0,15 и 0,02 мм, изготовленных из стали СтЗ и 12Х18Н10Т, приведены на рис.4.1. и 4.2. Из графиков, показанных на Рис.4.1. и 4.2., можно сделать следующие выводы. Интенсивность скоростей деформаций сдвига изменяется в процессе высокоскоростного изгиба по довольно сложному закону. В первые моменты нагружения величина Л имеет максимальные значения для образцов с любым исходным параметром по .
В последующие моменты времени интенсивность скоростей деформаций сдвига уменьшается, достигая своего наименьшего значения; перед образованием трещины она опять возрастает. Для образцов с меньшими исходными радиусами концентраторов минимальные значения Н достигались быстрее. Если для образцов с Л0 0,5 мм отношение Бремени получения величиной Н минимального значения ко времени разрушения составляло 0,8, то для образцов с К0 = 0,02 мм оно было близким к 0,4. Разница между максимальными и минимальными величинами Н увеличивалась с уменьшением Но . В параграфе 3,1 установлено, что при высокоскоростном деформировании цилиндрических образцов наибольших значений интенсивность скоростей деформаций сдвига достигала в момент времени перед разрушением. Отличие в изменении величины Н со временем при испытании плоских образцов без учета эффекта упрочнения, пожалуй, можно объяснить следующим.
В процессе растяжения цилиндрических образцов площадь в месте наименьшего поперечного сечения шейки убывает, что вызывает дополнительный рост величины напряжений, которые релаксируют в результате протекания процессов пластической деформации. Увеличение степени деформации сдвига приводит к дальнейшему уменьшению сечения образца. В итоге к моменту разрушения интенсивности скоростей деформаций сдвига имеют большие значения. При изгибе плоских образцов площадь сечения, проходящая вдоль линии, соединяющей точку приложения нагрузки с точкой вершины надреза, изменяется в меньшем степени. Нагрузка при ударном нагружении имеет наибольшие значения в первые моменты времени нагружения.
