Экспериментальный анализ процессов деформирования и разрушения материалов при скоростях деформации 102-105 c-1

- 2 -
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ ...........................................................6
ГЛАВА 1. ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ
ДЕФОРМАЦИИ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..............................14
1.1. Нагружающие устройства.......................................17
1.2. Средства регистрации.........................................19
1.3. Методики динамических испытаний..............................21
1.3.1. Копровые испытания........................................22
1.3.2. Кулачковый пластометр.....................................24
1.3.3. Методика раздачи кольцевых образцов.......................25
1.3.4. Метод Тейлора........................................... 27
1.3.5. Автоматизация проведения динамических испытаний и обработки результатов.....................................................28
1.3.6. Методика Кольского с применением разрезного стержня Гопкинсона......................................................30
1.4. Экспериментальные методы изучения динамических свойств мягких
грунтов....................................................33
1.5. Основные результаты динамических испытаний материалов........44
1.5.1. Металлы и сплавы с гранецентрированной кубической структурой (ГЦК)...........................................................44
1.5.2. Металлы и сплавы с объемно-центрированной кубической структурой (ОЦК)...........................................................54
1.5.3. Полимерные и композиционные материалы.....................55
1.5.4. Исследование влияния истории изменения скорости деформации 56
1.5.5. Экспериментальные данные о динамических свойствах мягких грунтовых сред..................................................59
1.6. Основные выводы по главе 1...................................67
- 3 -
ГЛАВА 2. МЕТОД КОЛЬСКОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРЕЗНОГО СТЕРЖНЯ ГОПКИНСОНА И ЕГО МОДИФИКАЦИИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ..........................................71
2.1. Основные положения методики Кольского........................71
2.2. Анализ применимости методики Кольского.......................77
2.2.2. Анализ эффектов, определяющих погрешности регистрации упругих волн в стержнях..................................................86
2.2.3. Факторы, определяющие погрешности обработки полученных результатов......................................................92
2.3. Модификации методики Кольского...............................97
2.3.1. Вариант методики Кольского для исследования влияния эффектов истории изменения скорости деформации............................98
2.3.2. Модификация метода РСГ для исследования эффекта Баушингера .100
2.3.3. Способ получения динамической диаграммы деформирования образца при постоянной скорости деформации......................103
2.4. Выводы по главе 2:..........................................107
ГЛАВА 3. ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ........................................................ 109
3.1. Экспериментальный комплекс для традиционных динамических испытаний конструкционных материалов........................109
3.2. Устройства для нагружения РСГ...............................111
3.2.1. Пневматические нагружающие устройства....................111
3.2.2. Применяемые ударники.............................................................112
3.3.- Разрезные стержни Гопкинсона...............................114
3.3.1. Разрезные стержни Гопкинсона для испытания на сжатие.............................114
3.3.2. Варианты РСГ для испытаний на растяжение.................115
3.3.3. Испытание материалов при сдвиге..........................116
3.3.4. Модификация РСГ для исследования эффекта Баушингера......117
3.3.5. Модификация метода Кольского для определения параметров
динамической трещиностойкости................................119
3.4. Автоматизация съема и обработки экспериментальной информации в методе Кольского..............................................122
3.4.1. Комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры............122
3.4.2. Программа съема и обработки экспериментальной информации .... 125
3.5. Результаты динамических испытаний конструкционных материалов... 128
3.5.1. Результаты испытаний ряда металлов и сплавов...............129
Алюминий и его сплавы...........................................129
Исследование связи микроструктурных и механических свойств
алюминия при высокоскоростном деформировании..................136
Медь............................................................140
Железо и стали..................................................143
Исследование трещиностойкости материалов........................158
3.5.2. Полимерные в композиционные материалы .....................160
3.5.3. Керамики...................................................165
3.5.4. Древесина................................................ 179
3.6. Выводы по главе 3..............................................192
ГЛАВА 4. ДИНАМИЧЕСКАЯ СЖИМАЕМОСТЬ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МЯГКИХ ГРУНТОВ..............................................194
4.1. Модификация метода Кольского для динамических испытаний мягких грунтов.......................................................194
4.1.1. Основные соотношения модифицированного метода РСГ..........194
4.1.2. Анализ применимости модифицированного метода Кольского для динамических испытаний мягких грунтов.............................198
4.2. Методика изучения ударной сжимаемости мягких грунтов в плоских волнах нагрузки...............................................209
4.2.1. Газовая пушка..............................................212
4.2.2. Реализация методики отражения..............................214
- 5 *
4.3. Динамическая сжимаемость и прочностные характеристики мягких грунтовых сред..................................................220
4.3.1. Песок........................................................221
4.3.2. Супесь.......................................................230
4.3.3. Суглинок.....................................................232
4.3.4. Глина........................................................235
4.4. Анализ методики определения сил сопротивления внедрению ударника в грунтовые среды.................................................238
4.5. Выводы по главе 4............................................. 246
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПРОЧНОСТИ НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ ОТКОЛЕ..........................................248
5.1. Разрушение твердых тел при временах нагружения ~10'6сек.........249
5.2. Явление откола. Методы исследования прочности твердых тел при отколе..........................................................264
5.3. Лазерная интерферометрометрия в ударно волновых исследованиях, выбор типа интерферометра.......................................275
5.4. Теория и основные требования к проектированию лазерного дифференциального интерферометра (ЛДИ)..........................279
5.5. Основы расшифровки интерферограмм...............................283
5.6. Описание измерительного комплекса ЛДИ...........................283
5.7. Способ нагружения образца за времена ~106с......................290
5.8. О точности измерений............................................293
5.9. Получение экспериментальных данных............................ 295
5.10.- Обработка экспериментальных данных и их обсуждение............299
5.11. Выводы по главе 5..............................................304
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.................................305
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
308
Введение
- 6 •
ВВЕДЕНИЕ
Применение конструкционных материалов в различных отраслях новой техники предусматривает их нагружение динамическими воздействиями различной природы (удар, взрыв, электромагнитные, тепловые и прочие импульсные поля и т.д.). Для точного и рационального проектирования или анализа поведения динамически нагруженных конструкций необходимо знание механических свойств материалов при таких скоростях деформации, которые они испытывают в процессе эксплуатации. Если ранее интерес к исследованию поведения материалов при импульсных воздействиях определялся в основном запросами военной техники, то в последние годы этими проблемами вынуждены заниматься многие специалисты, например, проектирующие защитные корпуса двигателей для авиационной, энергетической техники и т.д. Кроме того, характеристики материалов при больших скоростях деформации крайне необходимы при анализе усилий, развивающихся в процессе обработки материалов с использованием новых высокоэнергетических технологий (упрочнение, штамповка и сварка взрывом или импульсными магнитными полями, электроннолучевая или лазерная резка и пр.).
В последние годы особое внимание во всем мире уделяется проблемам безопасности контейнерных перевозок токсичных, взрывчатых и радиоактивных материалов. Среди этих проблем особое место занимают вопросы прочности и надежности в случае возникновения нештатных режимов, которые связаны с техногенными катастрофами, террористическими актами и сопровождаются интенсивными динамическими воздействиями. Для достоверного анализа напряженно-деформированного состояния и прочности контейнеров в условиях подобных воздействий необходимы данные о свойствах не только корпусных металлических материалов, но также и используемых в контейнерах
Введение - 7 -
демпфирующих материалов (древесина, пенопласт и т.д.). Кроме того, для правильного задания нагрузок в случае аварийного падения контейнеров требуется знание динамических свойств тех сред, с которыми контейнер может взаимодействовать (грунты, бетоны, асфальтобетон и т.д.).
В настоящее время больших успехов достигло численное моделирование на ЭВМ различных задач упругопластического импульсного деформирования твердых тел и конструкций. Вычислительные модели в состоянии описывать сложное поведение материалов с учетом деформационного упрочнения, влияния скорости деформации, деформационной анизотропии и т.д. Однако, для оснащения или проверки предложенных феноменологических моделей необходимы экспериментальные данные, которые зачастую неполны, противоречивы или вообще отсутствуют (в первую очередь это относится к новым перспективным полимерным и композиционным материалам). Необходимо отметить, что многие задачи проектирования и расчета динамически нагруженных конструкций до сих пор решаются с использованием данных о механических свойствах материалов, полученных из обычных статических испытаний.
Первые сведения о зависимости поведения конструкционных материалов от скорости деформации были получены еще в начале века отцом и сыном Гоп-кинсонами. Однако наиболее полно этот вопрос рассматривался в 40-50 годах в работах Надаи и Мэнджойна, Тейлора, Кэмпбелла, Ф.Ф.Витмана и
Н.А.Златина, В. А.Степанова, Н.Н.Давиденкова, Ю.Я.Волошенко-Климовицкого и др. В этих основополагающих работах была установлена существенная зависимость механических свойств материалов от скорости деформации. В дальнейшем началось систематическое исследование закономерностей высокоскоростного деформирования. До сих пор интерес к изучению различных аспектов поведения материала при импульсном нагружении не снижается, о чем свидетельствуют регулярно проводимые во всем мире конференции и симпозиумы по высокоскоростной деформации.
Введение - 8 -
В настоящее время получены многочисленные данные о зависимости
свойств разнообразных материалов от скорости деформации, однако, не все они являются бесспорными, а некоторые данные, полученные разными авторами даже для одного и того же материала, зачастую противоречат друг другу. Кроме того, как показали отдельные исследования, существенное влияние на механические свойства материалов кроме скорости деформации и температуры может оказывать история изменения этих параметров. Поэтому используемые формулировки уравнений состояния материала, учитывающих влияние только мгновенных значений скорости деформации и температуры, представляется в настоящее время чрезмерным упрощением.
Несмотря на очевидную научную актуальность вопроса о влиянии скорости деформации и истории ее изменения, а также первостепенное его значение для новой техники и технологии, он до последних дней остается нерешенным во всем объеме. Главная причина этого кроется в больших методических трудностях исследования свойств материалов при высоких скоростях деформации. Это связано прежде всего с отсутствием необходимого стандартного испытательного оборудования и средств измерения, позволяющих в лабораторных условиях исследовать различные аспекты высокоскоростной деформации. Имеющиеся методики и установки далеко не всегда удовлетворяют предъявленным запросам науки и практики, поэтому при решении задач высокоскоростной деформации экспериментаторы вынуждены самостоятельно разрабатывать новые методики или модернизировать имеющиеся.
Диссертация посвящена решению комплексной проблемы механики деформируемого твердого тела, связанной с разработкой методологии, развитием современных методов и средств для динамических испытаний материалов, исследованием на этой основе процессов высокоскоростного деформирования и разрушения, определением прочностных и деформационных характеристик, необходимых для оснащения параметрами и константами моделей деформирования и разрушения, используемых при расчете напряженно-
Введение - 9 -
деформированного состояния и прочности объектов новой техники, испытывающих интенсивные динамические воздействия.
Цель работы:
- разработка и развитие современных методических основ, приборных, аппаратных средств, нестандартного испытательного оборудования для проведения исследований деформационных и прочностных свойств материалов в широком диапазоне изменения параметров (скорости деформации К^-ИО5^1, температуры 20-ь400°С, давления до 2 ГПа);
- систематическое исследование с использованием созданных экспериментальных комплексов, процессов высокоскоростного деформирования и разрушения материалов различной физической природы.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:
1. Разработаны и реализованы проекты оригинальных нагружающих устройств - газовых пушек, способных в лабораторных условиях решать широкий круг задач динамики удара.
2. Осуществлено развитие метода Кольского, созданы экспериментальные комплексы, позволяющие исследовать процессы высокоскоростного деформирования и разрушения материалов (от мягких грунтов до керамик) при сложных историях нагружения в диапазоне скоростей деформаций 102<е<104с‘|.
3. Проведены систематические экспериментальные исследования, получены многочисленные данные по динамическим свойствам широкого круга материалов, установлены закономерности влияния условий нагружения на получаемые свойства.
4. Разработана экспериментальная методическая база и проведены исследования ударной сжимаемости мягких грунтов.
Введение - 10 -
5. Разработаны новые физические методы измерений, позволившие наиболее
полно исследовать процессы откольного разрушения материалов при временах -Ю"6 с.
Научная новизна.
В диссертации получило развитие современное научное направление механики материалов, связанное с разработкой методических основ, перспективных методов проведения динамических испытаний, с исследованием динамических свойств материалов различной физической природы (металлы и их сплавы, полимеры и композиты, грунты, древесина, керамики) и установлением зависимости этих свойств от условий нагружения. В этой связи:
- Создан автоматизированный экспериментальный комплекс для проведения динамических испытаний материалов при растяжении, сжатии и сдвиге, который обеспечивает сбор, обработку первичной информации и хранение опытных данных на ПЭВМ.
- Предложены и реализованы модификации метода Г.Кольского, которые позволяют: а) исследовать влияние на механические свойства материалов истории скорости деформации; б) проводить динамические испытания в ограничивающей обойме малоплотных и несвязных материалов и определять наряду с динамической сжимаемостью сопротивление сдвигу и коэффициент бокового распора.
- На основе автоматизированного комплекса проведены динамические испытания, получены деформационные и прочностные характеристики, установлены основные закономерности высокоскоростного деформирования материалов различной физической природы, в том числе таких малоисследованных материалов, как керамики, мягкие грунты, древесина при скоростях деформации 102<е<104с *.
Введение - 11 -
- Создана методическая и аппаратная база для исследования ударной сжимаемости материалов в плоских волнах нагрузки, получены ударные адиабаты песка, глины, суглинка, супеси при давлениях до 3 ГПа.
- Создан комплекс физических методик, включая построенный впервые в стране лазерный дифференциальный интерферометр, который позволил установить временные закономерности изменения прочности при отколе нескольких металлов при временах нагружения МО-6 с.
Практическая ценность.
Разработанные комплексы методических, аппаратных и программных средств, автоматизированная система регистрации и обработки экспериментальных данных используются в ряде научно-исследовательский организаций и предприятий для определения динамических свойств конструкционных материалов. Результаты выполненных исследований в виде конкретных данных по динамическим свойствам используются при расчетах НДС и прочности объектов новой техники, испытывающей интенсивные кратковременные воздействия. Разработанные методики и полученные результаты используются в ряде ведущих отраслевых организаций: ВНИИЭФ, ЦНИИ материалов, ЦНИИХМ, НПО «Базальт», НИИ машиностроения, «Уралмаш» и др.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается выбором современных методов исследования динамических свойств материалов, их тщательным анализом с целью выявления основных эффектов, влияющих на полученные результаты, совпадением полученных в работе данных с данными зарубежных и отечественных исследователей.
Введение - 12 -
Основные положения, представляемые к защите:
1. Разработка проектов и создание оригинальных нагружающих систем для динамических испытаний материалов, в том числе газовых пушек и ударников для получения импульсов нагрузки с необходимыми параметрами (скорости деформации 102<8<105с‘\ скорости деформирования 5-^800 м/с.
2. Создание на основе метода Г.Кольского автоматизированного комплекса для определения динамических диаграмм деформирования при растяжении, сжатии, сдвиге, динамической трещиностойкости конструкционных материалов. Модификации метода Кольского с целью исследования динамического поведения материалов при сложных историях нагружения (динамическая догрузка, динамическая частичная или полная разгрузка, динамическое знакопеременное нагружение).
3. Модификация и обоснование метода Г.Кольского для исследования динамической сжимаемости малоплотных, несвязных материалов типа мягких грунтов, пенопластов и т.д. (испытания в обойме), а также для определения сопротивления сдвигу и его зависимости от давления или других компонент тензора напряжений. Создание экспериментального комплекса для изучения поведения материалов в плоских волнах нагрузки, исследование на его основе ударной сжимаемости ряда мягких грунтов.
4. Получение опытных данных по физико-механическим свойствам разнообразных материалов, в том числе таких малоисследованных материалов, как керамики, полимеры и композиты, древесина, мягкие грунты) при скоростях деформации ~103с‘|.
5. Создание современных физических методик для регистрации силовых и временных параметров разрушения материалов при отколе и установление на этой основе закономерностей разрушения ряда металлов при временах нагружения ~10~6с.
Введение - 13 -
Автор выражает искреннюю благодарность профессору |H.A.Златину), докторам физико-математических наук Г.С.Пугачеву, А.А.Кожушко, профессорам А.Г.Угодчикову, В.Г.Баженову за постоянное внимание и интерес к работе. Также автор весьма признателен коллегам из НИИ механики при ННГУ:
~ доктору физико-математических наук А.И.Садырину за внимание к работе, обсуждение результатов и ряд замечаний по структуре и форме изложения материала;
- профессору A.B.Кочеткову, кандидату технических наук С.В.Крылову за помощь в расчетном обосновании методик испытаний;
- кандидату технических наук А.К.Ломунову и ведущему инженеру В.Б.Коробову за многолетнее плодотворное сотрудничество;
- другим сотрудникам НИИ механики-.
Глава I
- 14 -
ГЛАВА 1. ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Значительный прогресс во многих научных и технических направлениях в последние десятилетия привел к тому, что вопрос о поведении различных материалов при интенсивных импульсных нагрузках приобрел весьма актуальное значение. Для его успешного решения 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 средств регистрации напряжений и деформаций, что существенно сдерживает прогресс в этой области.
В настоящее время нет стандартных методов проведения динамических испытаний материалов (за исключением испытаний на маятниковых копрах), а известные методики, как правило, разрабатывались в соответствии с конкретными задачами исследований, исходя из возможностей экспериментального оборудования и производственной базы данной организации. В связи с этим к настоящему времени существует достаточно большое разнообразие методов динамических испытаний.
В данной главе приводится обзор средств и методов динамических испытаний с анализом результатов таких испытаний для ряда материалов. При этом основное внимание уделено методическим разработкам, получившим наибольшее распространение.
Для исследования динамических свойств конструкционных материалов уже много лет проводятся систематические испытания в широком интервале температур и скоростей деформации. Однако, результаты, получаемые экспериментаторами на оригинальных установках, оказываются порой противоречи-
Глава 1 - 15 -
выми. Поэтому и в настоящее время продолжается разработка новых средств
нагружения, а также поиск методов достоверного измерения напряжений и деформаций, которые не искажали бы механических свойств материала в условиях импульсного нагружения.
В настоящее время в мире известно несколько различных классификаций испытаний материалов на основе того иди иного параметра. Так, Райнхарт и Пирсон [162] предложили классифицировать методы испытаний по длительности приложения нагрузки, в работе [80] в качестве классификационного признака выбрано время, в течение которого напряжение в материале достигает определенной величины, а в работе [215] предлагается определять границу между статическими и динамическими испытаниями для какого-либо материала по той базовой скорости деформации,,при которой появляется заметный прирост напряжения течения за счет эффекта скорости деформации. Известна классификация [114] различных методов испытаний по охватываемым ими диапазонам по напряжению, деформации или скорости деформации. Следует заметить, что границы методов довольно расплывчаты и указываются разными авторами приближенно.
Подавляющее большинство исследователей, вслед за Дж.Кэмпбеллом, разделяет все виды испытаний по скорости деформации на:
- статические скорости деформации (ё - 1(Г6 -5-10-4с-1), применяющиеся при изучении ползучести,
- квазистатические (ё = 10"4 н-КГ'с-1), применяющиеся при стандартных испытаниях на сжатие, растяжение, кручение, изгиб или сложное нагружение,
- промежуточные или умеренные (ё = КГ1 -5- 102с"1),
- высокие скорости деформации (ё = 102 +104 с“1),
- сверхвысокие скорости деформации (ё > 104с"1).
Глава 1 - 16 -
Характерной особенностью статических и квазистатических испытаний является обеспечение однородного напряженно-деформированного состояния рабочей части образца и возможность пренебречь инерционными эффектами, возникающими при деформировании образца. Нагружение при этом происходит в течение сравнительно длительного времени и носит изотермический характер.
Высокие скорости деформации характеризуются наличием существенных инерционных и волновых эффектов, искажающих равномерное напряженно-деформированное состояние в образце, причем их влияние значительно увеличивается с ростом скорости деформации. Так как нагружение образца происходит за небольшой промежуток времени, процесс приобретает адиабатический характер. Если испытания материалов при скоростях деформации е = 102 +104с-1 обычно проводят в условиях одномерного напряженного состояния, а процесс деформации носит квазистатический характер, то для скоростей деформации более 104 с"1 обычно используют плосковолновой эксперимент с очень короткими упруго-пластическими, ударными волнами. В этом случае имеет место одномерная .деформация и многоосное напряженное состояние с сильно развитой неоднородностью НДС. В подобных экспериментах поведение материала определяется совместным влиянием скорости деформации и шаровой составляющей тензора напряжений.
Как известно, основу всякой 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 можно найти в работах [15,46,49,56,63,74,77,100,110,137, 151, 153,156,183,184,187,206,218,273,292].
Глава 1
1.1. Нагружающие устройства
- 17 -
В зависимости от вида запасаемой энергии динамические нагружающие устройства классифицируются на установки, использующие:
- механическую энергию;
- энергию сжатого газа или жидкости;
- энергию взрыва;
- электромагнитную энергию.
Наиболее просты во конструкции 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 6 « const. Считается, что кинетическая энергия разогнанной массы должна по крайней мере на порядок превышать работу деформирования образца.
Совершенно 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 (102-И05с"’). Гидравлические системы обычно используются не как нагружающие устройства, а в основном для передачи усилия от какого-либо устройства накопления энергии к
О 2 1
образцу. Скоростной диапазон этих устройств существенно ниже (10 *10 с ). Следует отметить, что ни пневматические, ни гидравлические нагружающие устройства серийно не выпускаются, поэтому в ряде лабораторий разработаны оригинальные системы [24,49,48,100].
В качестве нагружающих устройств наибольшее распространение в нашей стране получили различные схемы копров с падающим грузом [46,184,211].
Глава 1 - 18 -
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 двухопорный изгиб, ударное растяжение и сдвиг. Недостатки маятниковых копров те же, что и у вертикальных. Кроме того, вследствие перемещения маятника по дуге, возникает изгиб образца. Для преодоления этого недостатка рекомендуется прикладывать нагрузку через стержень-волновод [100,283]
В ротационных копрах используется кинетическая энергия маховика большой массы, разогнанного с помощью электродвигателя [94]. 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.
Использование энергии горения порохов или взрыва для динамических испытаний начато давно. В качестве нагружающих устройств используется стандартное стрелковое оружие, оригинальные пороховые установки (копры и пушки), а также непосредственный взрыв порохов и ВВ на поверхности материала и передача усилия взрыва к образцу через какую-либо передаточную среду (жидкость, стержень-волновод и т.д.) [15].
Применение непосредственного взрыва ВВ на поверхности образцов позволяет испытывать материалы с высокими скоростями деформации (до 106 с‘1), однако, проведение экспериментов обычно сопровождается сильными электромагнитными наводками, затрудняющими регистрацию напряжения и деформации в образце, кроме того, использование взрыва ВВ в лабораторных условиях связано с большими методическими трудностями.
Глава 1 - 19 -
В последнее время при высокоскоростных испытаниях все чаще используется электрическая энергия. Здесь возможно непосредственное деформирование тонких образцов (пластин, оболочек) либо магнитным полем [9], либо электродинамическими силами отталкивания витков плоского индуктора [100], а также нагружение образцов ударом разогнанных магнитным полем металлических масс (цилиндров, дисков, стаканов) [18,62,183].
Второй способ передачи энергии разряда на образец заключается в использовании так называемого электрогидравлического эффекта [216], результатом которого является интенсивное импульсное давление в жидкости, возникающее вследствие электрического разряда [ 100] или взрыва в ней тонкой проволочки или фольги [98]
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 [50] 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.
1.2. Средства регистрации
Динамические испытания характеризуются значительной кратковременностью измеряемых процессов (десятки-сотни микросекунд), что затрудняет регистрацию процессов и синхронизацию запуска регистрирующей аппаратуры. На измерения оказывают влияние инерционность регистрирующих датчиков,
Глава 1 - 20 -
волновые явления в образце и нагружающем устройстве, а также частотная характеристика усиливающей и регистрирующей аппаратуры.
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 [150]. Преимущество силоизмерителя с длинным стержневым волноводом очевидно и выражается в отсутствии искажений из-за собственных колебаний силоизмерителя и элементов установки [65]. 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 [85,100]. При динамических испытаниях обычно применяется более простая потенциометрическая схема. По оценке [209] 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 таких схем.
Кроме тензорезисторных датчиков для измерения деформаций в динамометре в последнее время иногда используют пьезоэлектрические датчики, которые генерируют ЭДС при приложении внешней силы. Несомненным преимуществом пьезодатчиков является их высокая чувствительность и практически полная защита от наводок. Следует, однако, иметь в виду, что динамометры с пьезоэлектрическими датчиками могут использоваться только для измерения переменной составляющей усилия с минимальной частотой 5-10 Гц. Наряду с высокой чувствительностью пьезомодуль материалов сильно зависит от
Глава 1 - 21 -
температуры. Кроме того, сравнительно низкая конструктивная прочность
большинства пьезокристаллов не позволяет измерять с их помощью большие
усилия.
Подробный обзор методов измерения параметров упруго-пластических и ударных волн не является предметом данной работы. Хорошие обзоры этих методов можно найти в [206,273,292].
Кроме регистрации нагрузки при динамических испытаниях необходимо измерять деформацию образца или его перемещения. При измерении небольших деформаций испытуемых образцов наиболее просто измерить деформация 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 в 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 [9,268,307], скоростная киносъемка [204,266], емкостные цилиндрические датчики для измерения поперечной деформации [294,299], интерферо-метрические датчики деформации [44,304] и др.).
1.3. Методики динамических испытаний
Экспериментальные методики динамических испытаний представляют собой комбинацию описанных выше нагружающих устройств и средств регистрации требуемых параметров.
В настоящее время основными методами исследования динамических свойств материалов являются копровые испытания, метод динамической осадки [187], кулачковый пластометр и метод Тейлора [77]. Реже для этих целей применяются другие методики, например, использующие раздачу кольцевых образцов и т.д.
Глава 1
- 22 -
1.3.1. Копровые испытания
В копровых испытаниях в качестве нагружающего устройства используется массивное тело (баба, маятник или маховик), аккумулирующее довольно большую энергию, превышающую по крайней мере на порядок работу деформирования образца. Это позволяет считать, что в процессе деформирования скорость движения нагружающего тела остается постоянной и таким образом реализуется нагружение образца при постоянной скорости деформации 8 « const. Измерение с помощью динамометра усилий, развиваемых в образце, и постоянство скорости деформации дают возможность построения диаграммы а ~ 8, т.к. в этом случае e(t) = ё • t
Наиболее широко используются вертикальные копры, на которых образец подвергается растяжению или сжатию (осаживанию) за счет кинетической энергии свободного падения массивного груза (бабы) [46,184,156,278,306]. Вследствие ограниченности высоты, с которой сбрасывается баба (обычно до 6 м), скорость удара не превышает 10 м/с, что обеспечивает скорость деформации для образцов высотой 5 мм, равную 8 » 2000 с“1. Для увеличения начальной скорости удара до 100 м/с применяют разного рода ускорители (пружинные, резиновые, пороховые и др. [179,185,211].
Основным достоинством метода испытаний на динамическую осадку является возможность получения сравнительно больших степеней деформации. Однако, определенное искажение истинного сопротивления деформированию наблюдается из-за влияния контактных сил трения, которые завышают усилие сжатия и создают неоднородность напряженно-деформированного состояния материала образца, приводящую к его бочкообразованию. Для уменьшения этого эффекта применяют различные смазки и антифрикционные прокладки.
Кроме того, используют конусные бойки, наклон образующей которых подбирают таким образом, чтобы цилиндрическая форма образца при осадке со-
Глава 1 - 23 -
хранялась [308]. В этом случае, однако, несколько нарушается однородность
деформации.
В работе [312] на торцевую поверхность образцов наносили микроскопические кольцевые канавки, заполняемые смазкой. Также применялся метод ступенчатого осаживания [153], который можно рассматривать как изотермический процесс при одноосном напряженном состоянии, так как после каждого цикла деформирования образец остывает, а торцы вновь смазываются.
Влияние трения во время осадки подробно исследовано в работе [306]. Кроме »ффек гои гремим при больших скоростях удара бабы но обращу (с применением пороховых или пневматических ускорителей) возникают инерционные силы (осевые и радиальные). Оценка влияния этих сил приведена в работах [253,307].
Схемы современных вертикальных копров для растяжения образцов со скоростью деформирования до 6 м/с приведены в [46]. Напряжение в образце регистрируется упругим стержнем-динамометром. Деформация образца во времени не регистрируется, так как считается, что вследствие массивности бабы V0 = const и деформация образца нарастает во времени линейно (e(t) = ё • t). При расположении образца вверху и использовании стержня-волновода скорость деформирования образца определяется не только скоростью удара бабы по наковальне, но и параметрами самого волновода. Поэтому, применяя стержень-волновод со ступенчатым изменением сечения, удается повысить скорость деформирования до 25 м/с при высоте падения бабы 2 м. Установки позволяют испытывать материалы в условиях низких и высоких температур.
Недостатками копровых испытаний является малая скорость деформации образца (при использовании копров без ускорителей), повторные удары падающего груза о наковальню или образец, сложная картина распространения волн в наковальне, совершенно не учитываемая при построении диаграммы деформирования образца. К недостаткам традиционных копровых испытаний следует также отнести отсутствие представления о фактическом процессе раз-
Глава 1 - 24 -
вития деформации образца во времени, что вносит погрешности при построении диаграммы материала, особенно при больших деформациях.
Для преодоления этого недостатка было преложено регистрировать процесс деформации образца теневой скоростной киносъемкой [266], емкостным цилиндрическим датчиком [154], что существенно усложняет испытания, зато позволяет получить достоверную динамическую диаграмму материала. Необходимо отметить слабую обоснованность динамических испытаний с использованием копровой техники.
1.3.2. Кулачковый пластометр
Существенными недостатками копровых испытаний являются сложности, связанные с заданием, поддержанием и контролем в процессе испытания условия s « const. Частично преодолеть этот недостаток удалось в специальной испытательной машине (разновидности ротационного копра) - кулачковом пластометре [43]. Активным элементом установки является кулачок с логарифмическим контуром образующей, что позволяет обеспечить практически постоянную скорость деформации. Связанный с массивным маховиком кулачок за один оборот деформирует образец на 50-70%. Скоростной диапазон первых конструкций пластометра составлял 1-Я00 с"1. Испытания проводились только на сжатие, причем в процессе опыта динамометром измерялось лишь усилие сжатия, а деформация образца не регистрировалась. В дальнейшем были разработаны усовершенствованные конструкции пластометров [193,220,276], позволяющие испытывать различные материалы в более широком диапазоне скорости деформации (0.001^400 с”1) и при повышенных (до 1300°С) температурах. Испытания на сжатие и растяжение на них можно проводить простым и дробным [274] нагружением по различным законам развития деформации во времени. Используется также вариант гидравлической схемы передачи усилия от рабочего кулачка на шток исполнительного механизма [43].
Глава 1
1.3.3. Методика раздачи кольцевых образцов
Существенным недостатком при испытании стержневых образцов следует считать наличие в них волновых явлений, а также имеющую место на границах образца неравномерность напряжений, вызванную эффектами трения, местных смятий и концентрации напряжений в местах крепления образцов к нагружающим или измерительным устройствам.
Для устранения этих недостатков было предложено изучать раздачу тонких кольцевых или длинных трубчатых образцов. Под действием симметричного радиального давления в тонком кольце реализуются условия одноосного напряженного состояния, а в трубчатом образце - условия плоской деформации при высоких скоростях деформации. Эти методы имеют следующие важные преимущества [ 100]:
- возможность пренебрежения волновыми процессами в образце;
- возможность создания равномерного распределения давления на кольцо;
- регистрацию давления (нагрузки) и деформации можно производить устройствами, механически не скрепленными с образцом и поэтому не искажающими картину распределения полей напряжения и деформации в образце.
Нагружение кольцевых образцов может осуществляться с помощью механических многосекторных устройств [1], с помощью податливого тела (пластилин, резина, свинец и т.п.) [110], давлением жидкости или газа, прикладываемым к образцу либо непосредственно, либо через промежуточный упругий элемент [161,262,271]. Эти системы обеспечивают получение максимальной скорости деформации порядка 101 с"1. Для повышения скоростного диапазона до 104 с-1 можно использовать нагружение с помощью взрыва ВВ [2,169,277,305]. При этом подрыв ВВ как правило осуществляется во внутренней полости толстостенного цилиндра, на котором размещен кольцевой обра-
Глава 1 - 26 -
зец, и растяжение кольца происходит не давлением пороховых газов, а только
за счет инерционных сил раздачи внутреннего цилиндра (так называемая свободная раздача).
Кроме того, разработаны методики испытания кольцевых образцов с использованием новых способов нагружения: - магнитно-импульсного и электро-гидравлического. Использование при испытании кольцевых образцов электро-гидравлического эффекта по сравнению с магнитным полем имеет важное преимущество, заключающееся в значительной временной развязке процесса разряда конденсаторов и процесса нагружения и регистрации. При этом легко обеспечивается отстройка от всех видов помех.
В случае нагружения кольца очень коротким импульсом (при взрыве ВВ или разряде конденсаторов на индуктор) методика построения диаграмм СГ ~е предусматривает рассмотрение свободного замедленного разлета кольца с начальной радиальной скоростью, приобретенной под действием импульса. Для тонкого кольца окружное напряжение в отсутствие давления равно [140]:
а(1) =-рЯо \У(1)
где р- плотность, Яо - начальный радиус кольца, \\^) - радиальное перемещение стенки кольца. Если во время испытания действует внешняя сила (гидравлическое или пневматическое давление), то она должна измеряться или точно рассчитываться и затем вводиться в уравнение движения. Деформация в образце определяется по результатам измерений мгновенного диаметра или радиальной деформации кольца:
е(1) = — ко
Как видно из приведенных зависимостей, при свободной раздаче кольцевых образцов регистрируют только радиальную раздачу образца. Для этого используется высокоскоростная киносъемка [280,305] , тензорезисторы [100], теневая оптическая система с лазерным источником света и фотоумножителем [9,176].
Глава 1 - 27 -
Однако, для вычисления напряжений требуется процедура двукратного дифференцирования полученной экспериментальной кривой \У(Х), при которой может возникать существенная погрешность. При этом применяются сложные процедуры сглаживания сплайн-функциями и аппроксимация этой кривой.
Таким образом, несмотря на значительную простоту, методика расширяющегося кольца пока не получила широкого распространения из-за недостаточной точности определения напряжений.
1.3.4. Метод Тейлора
Пятьдесят лет назад Тейлор разработал метод определения динамического предела текучести, который из-за своей простоты в реализации находит и в настоящее время широкое применение [77]. Этот метод основан на предположении об одномерности распространения упруго-пластических волн в цилиндрическом образце при его соударении с жесткой преградой. В результате волнового анализа им была получена простая формула, связывающая предел текучести образца стт с начальной скоростью удара У0, начальной £0 и остаточной £\ длиной образца, а также длиной Н недеформированного участка после эксперимента:
а (^о-Н)-рУ02
2(*о -^Чн)
Метод Тейлора был детально проанализирован на основе двумерной конечно-разностной численной схемы. Было показано, что он дает приемлемые величины среднего динамического предела текучести при скоростях 104 с'1. Близкий подход использовали А.А.Ильюшин и В.С.Ленский .
Глава 1 - 28 -
1.3.5. Автоматизация проведения динамических испытаний и обработки результатов
Большой объем экспериментальной информации получаемой при динамических испытаниях в виде электрических импульсов, требует преобразования этих сигналов в соответствующие величины напряжений и деформаций. При ручной обработке на эти преобразования затрачивается большое количество времени. Поэтому весьма желательно максимально автоматизировать процесс самого испытания, а также сбора и накопления информации о динамических свойствах материалов. Однако, ввиду кратковременности процессов при импульсном нагружении автоматизировать управление проведением самих экспериментов не представляется возможным, поэтому все внимание экспериментаторы уделяют автоматизации операций преобразования опытной информации к виду, удобному для дальнейшего использования.
Анализ литературных источников, содержащих описания экспериментального динамического оборудования, позволил сделать следующие выводы: подавляющее большинство зарубежных экспериментальных установок в настоящее время имеет очень хорошее оснащение серийной вычислительной техникой (быстродействующие аналого-цифровые преобразователи и полупроводниковая память значительного объема, персональные компьютеры, алфавитные и графические многоцветные дисплеи, графопостроители, принтеры и т.д.), что сокращает время обработки данных и получения готовых результатов в десятки раз и делает труд экспериментатора высокопроизводительным, хорошо организованным и комфортабельным. Отечественные испытательные установки пока не имеют такого полного оснащения, и хотя для обработки данных все чаще используют ЭВМ, регистрация первичной информации осуществляется, как правило, с помощью аналоговых регистрирующих приборов (осциллографов), поэтому экспериментаторы вынуждены проводить кропотливую в трудоемкую операцию ручного обмера зарегистрированных сигналов для их дальнейшей
Глава 1 - 29 -
обработки (вручную или с привлечением ЭВМ). Таким образом, от момента
испытания до момента получения готовых результатов проходит значительное количество времени. Для существенного повышения интенсивности труда экспериментатора требуется прежде всего исключить везде, где возможно, участие человека путем автоматизации всех измерительных и вычислительных процессов и путем создания автоматизированных систем сбора, накопления, преобразования информации и выдачи результатов. Эти системы должны входить в более крупные системы научных исследований, включающие мощные банки-хранилища различных параметров отдельных материалов и целых элементов различных конструкций. Практическая реализация таких автоматизированных систем в различных лабораториях страны в настоящее время находится еще на стадии разработки и в широкой печати освещена довольно слабо.
В последнее время у нас в стране были освоены и запущены в серийное производство цифровые осциллографы и быстродействующие аналого-цифровые преобразователи, позволяющие непосредственно в ходе испытаний преобразовывать измеряемые аналоговые сигналы в цифровой код, запоминать его и передавать на обработку в ЭВМ. Таким образом, у экспериментаторов появилась возможность исключить трудоемкий процесс ручной обработки исходных данных и полностью автоматизировать процесс получения динамических свойств материалов и заполнения банка данных. Для этого, однако, требуется помимо широкого оснащения экспериментального оборудования необходимой вычислительной техникой и периферийными устройствами (что пока развито у нас в стане довольно слабо) самостоятельно разрабатывать программные средства для автоматизированного сбора, обработки и хранения экспериментальной информации.
Глава 1 - ЗО -
1.3.6. Методика Кольского с применением разрезного стержня Гоп-кинсона
Среди известных к настоящему времени других методик динамических испытаний наибольшее распространение получила методика разрезного стержня Гопкинсона (РСГ), впервые предложенная Г.Кольским [102], ввиду ее очень хорошей теоретической обоснованности и простоты. Эта методика позволяет испытывать широкий круг материалов в диапазоне скоростей деформации
îoMoV.
Конструктивно РСГ выполняется из двух тонких длинных стержней с высоким пределом текучести, между которыми располагается образец малой длины из исследуемого материала, причем предел упругости стержней значительно выше предела текучести образца. Разрезной стержень нагружают упругими импульсами, которые регистрируются обычно с помощью тензодатчиков. Использование одномерной теории упругих волн и регистрация импульсов позволяет определять динамическую диаграмму образца.
Основные предпосылки методики заключаются в следующем: ввиду очень малой длины образца по сравнению с длиной нагружающего импульса в образце в течение испытания реализуется одноосное напряженное состояние с равномерным распределением напряжений и деформаций по его длине. Таким образом, несмотря на высокие скорости деформации образца, испытание может рассматриваться как квазистатическое. Более подробное описание методики, вывод основных зависимостей, определение границ применимости и ее погрешностей будут даны в главе 2.
Основными преимуществами метода РСГ являются его простота, корректное теоретическое обоснование явлений, происходящих в системе двух тонких длинных упругих стержней и короткого упругопластического образца между ними, точное определение значительных (десятки процентов) деформаций об-
Глава 1 -31-
разца, благодаря косвенности измерений и крайне малой инерционности тензо-
резисторов, регистрирующих лишь упругие деформации в стержнях, а также
исключение изгиба образца ввиду его малой длины. Кроме того, очень ценным
свойством этой методики следует считать точный контроль истории изменения
скорости деформации в течение всего процесса деформирования образца.
Из-за своей простоты и многих преимуществ метод PCF получил очень широкое признание. В обзорных работах [137,140,206,218,244,273] представлена многочисленная библиография, характеризующая историю развития и совершенствования этого метода усилиями многих экспериментаторов как за рубежом, так в у нас в стране. К настоящему времени кроме основной схемы на сжатие образца достаточно хорошо разработаны другие варианты РСГ (растягивающий, крутильный, двухосный и т.д.). Описание различных вариантов РСГ можно найти в работах [19,72,99,105,121,137,140,187,242,246,253, 254,273,294,301]
Существенным пробелом в реализации методики Кольского (равно как и других методик динамических испытаний) являлось отсутствие варианта для циклического деформирования образца импульсами одного или разных знаков. Первое необходимо для исследования влияния истории изменения скорости деформации на ход кривой напряжение - деформация. Образец при этом нагружается цепочкой импульсов разной амплитуды с выдержками между отдельными импульсами и деформируется с разными скоростями деформации. Для реализации этого было предложено использовать в качестве второго нагружающего импульса отраженный от образца импульс, распространяющийся по нагружающему стержню [293] , однако, этот метод применим лишь при испытании мягких материалов, для которых амплитуда отраженного импульса составляет значительную часть от амплитуды исходного нагружающего импульса.
Циклическое нагружение образца импульсами разных знаков позволяет исследовать эффект Баушингера материалов при импульсном деформировании и