книги / Характеристики прочности и пластичности конструкционных материалов при высоких скоростях деформации

кконочному времени нарастания скорости нагружаемого иония образца но номинальной. Для простоты анализа рас­

смотримлинейное во времени нарастание скорости за вре­

ца образна сопровождается распространением волны с ли­ нейным ростом-напряжений на ее фронте (рис. 2.7, б). При отражении этой волны от закрепленного конца образца ' вблизи него образуется участок с однородным распределе­ нием напряжений и линейным увеличением^ массовой ско- >ости. При времени нарастания ^ к моменту Фихода фронта отраженной волны к подвижной головке образ­ ца по его длине устанавливается равномерное распределе­ ние напряжений и деформаций и линейный закон нарастания массовой скорости от нуля до номинальной скорости растя­ жении. Прекращение роста скорости с этого момента приво­ дит к сохранению равномерности .напряжений по длине рабо­ чей части образца в процессе дальнейшего Деформирования

i3 образце неоднородного напряженного состояния при УЧрУт

.'•ом поведении материала ограничено временем Динамический предел текучести материалов выше ста­

тического, причем на его величину оказывает влияние изме­ нение во времени напряжений, превышающих статический предел текучести (для материалов*проявляющих задержку текучест!]) Вследствие этого однородное деформационное со­ стояние по длине рабочей части образца возможно только в том случае, если выравнивание напряжений по длине образ­ на завершилось до того, как напряжения у нагружаемого копна достигли статического предела текучести. Э этом случае равномерному напряженному состоянию соответству­ ет равномерное деформационное состояние, и процесс даль­ нейшей деформации развивается по единому закону для все­ го объема рабочей части образца (до потери устойчивости нилиндрической формы образца).

Так как напряженное состояние выравнивается в момент.

41

Когда напряжение равно величине

<Г-f«£*V

упругое поведение материала сохраняется до получения рав­ номерного напряжения -,если длина образна удовлетворяет

но. Следовательно, для получения однородного напряженного состояния по длине образца необходимо уменьшать длину - образца. Из этой опенки видно, что скорость деформации больше 10^ сек -1 не может быть получена при сохранении однородного, напряженного состояния из-за конструктивных ограничений на длину образца.

При длине образца, Превышающей величину, определяе­ мую условием (2 .4 ), в области образца, прилегающей к Подвижному концу, начинается пластическое течение до мо­ мента прихода отраженной волны, которая выравнивает на­

деформации на закрепленном конце образца способствует ыыравниванию деформационного состояния по длине рабочей чести. Однако не следуёт забывать, что начало течения, а значит и предел текучести, определенный по усилию на за-, крепленном конце образца, соответствуют скорости роста нагрузки, вызванной совместным действием прямой и отра­ жаяной води.

42

Градиент напряжений и деформаций по длине стержня зависит от скорости релаксации напряжений и степени упроч­ нения, т.е. неоднородность напряженно-деформационного со­ стояния в образце зависит от поведения испытуемого ма­ териала. Ток, для материала,, малочувствительного к ско­ рости деформации, в котором распространение упругсь-пластн- ческнх волн удовлетворительно описывается деформационной теорией (на основании последней напряжение в любой момент времени определяется только величиной мгновенной деформа­ ции ), приложение к подвижному концу образца скорости вы­ ше -критической, неизбежно приводит к разрушению. В таких случаях возможность выравнивания напряженного состояния и возможность проведения испытаний при больших скорос­ тях исключается.

Увеличение времени релаксации, задержка текучести (при неизменной длине образца) способствуют повышению однородности напряженного состояния И ДвЩТ возможность проводить испытания при более высоких скоростях до тех пор, пока не будет достигнута такая неравномерность де­ формационного .состояния по длине образца, что вследствие исчерпания ресурса пластичности вблизи нагружаемого сече­ ния произойдет его разрушение. '

Проведенный анализ основан на одномерной теории рас­ пространения упругих волн й тонких стержнях, справедливой

упругого напряжения но закрепленном конце образца до пре­ дела текучести позволяет определить ми­ нимальную длину волны в спектре, характеризующем фронт упругой |0рлиы,

и получить условие для предельного диаметра рабочей час­ ти образца, при котором можно пренебречь влиянием эффек­ тов, связанных с дисперсией импульса погрузки при распро­ странении:

(2 .5 )

43

иучет волновых явлений не требуется.

Вобласти промежуточных скоростей деформации ( нели­ чина А * сравнима с пределом текучести материала $ г )

ступенчатое изменение скорости движения подвижной голов­ ки обра'зна ведет к резкой неоднородности -напряжений и деформаций по дпин^ его рабочей части - локализации де­ формации и связанному с ней разрушению вблизи подвижной

образца в течение характерного для данной длины образца времени, равного времени пробег» упругой волной удвоен­ ной длины образца, обеспечивает выравнивание напряженно! и

чение характерного времени не обеспечивает выравнивания напряженного состояния в образце к моменту начала теку­ чести. Область равномерной деформации, прилегающая к не­ подвижному концу образна, уменьшается с повышением ско­ рости, и характеризуется скоростью деформации Неравномерность напряженного состояния зависит от харак-

44

ряда других аномальных эффектов, не характеризующих дей­ ствительное механическое поведение материала,

При испытании с постоянной скоростью деформирования сохранение закона нагружения . £ = в упругой и упруго-пластической области деформирования путем соот­ ветствующего выбора времени нарастания скорости на на­ гружаемом конце образца требует ограничения допустимой длины образца условием (2 .4 ). Кроме того, как показано ь разд. 3.4, кривая деформирования укороченного образца вследствие пониженного влияния эффектов, связанных с локализацией деформации, лучше соответствует механичес­

кому поведению материала при постоянной скорости дефор­ мации. Таким образом, уменьшение относительной длины об­ разца обеспечивает более равномерное распределение напря­ жений и деформаций по его длине.

Диаметр образца влияет на величину отклонения напря­ женного состояния от одноосного, и его уменьшение с рос­ том скорости деформации позволяет получить более надеж­ ные данные о механическом поведении материала. Минималь­ ная величина диаметра ограничивается как конструктивны­ ми соображениями, Так л необходимостью обеспечить соот­ ветствие регистрируемой кривой (Г ( £. ) усредненным по объему характеристнкам^матерна-ла, т.е. исключить влияние поверхности и распределение напряжений по мнкрообъемам.

В соответствии с изложенным для испытаний могут бытв рекомендованы образцы с рабочей частью 64 * 10 мм

является достаточной для образования хорошо развитой шей­ ки, что обеспечивает получение надежных данных о предель­ ной .пластичности материала, не искаженных при распростра- . нении упруго-иластической волны эффектами лг алпэации деформации. Определенные по условию (2 .4 ) предельные скорости деформации для этих образцов составляют 2,5 х Ю 3 и 4 х 103 сек" соответственно. Допустимая скорость деформирования, определлемая по'условию (2 .5 ), исходя из исключения неоднородности напряженного со гояния в образ­ це вглелппие эффектов радиальной инерции, равна 1 х Ю ^сек -!,

40

Сопоставимость результатов испытаний обеспечивается использованием идентичных образцов для всего диапазона, скоростей деформирования.

Неискаженная регистрация усилия в.образце является' одним из наиболее важных требований при квазистатических испытаниях, .выполнение которых встречает серьезные трудности, связанные с необходимостью учета волновых явлений в упругом динамометре и неодномерностью напря­ женного состояния в нем при высоких скоростях роста (спада) нагрузки.

Для измерения нагрузки в конструкции рабочей части образца следует предусматривать динамометрическую часть большего диаметра, напряжения в которой при испытании

47

испытания индивидуального динамометра. Для снижения волповых процессов в динамометре с повышением скорости деформации необходимо уменьшать его длину, что,, однако, полностью не устраняет возможность наложения на сигнал

высокочастотных колебаний, затрудняющих обработку осцил­ лограмм. „

Этих недостатков лишен динамометр, длина которого достаточна для разрушения образца до прихода к тензодат­ чикам на динамометре волны, отраженной от противополож­ ного конца динамометра (рис. 2 .8 ,6 ). При этом в дина­ мометре регистрируется только прямая волна нагрузки, ко­ торая определяется усилием на его конце, связанном с об­ разном. Изготовление образца с динамометрической частью необходимой для испытания длины, обеспечивает устранение искажений в величине нагрузки, обусловленных переходны­ ми процессами, в области соединения образца и динамометра и. следовательно, позволяет наиболее чисто регистрировать нагрузку. Применение образцов, с 'длинным* динамометром ограничивается областью высоких скоростей деформации. Использование такого динамометра, связанного с образцом}

для. всей серии испытаний), хотя повышает уровень' искаже­ ний, связанных с наличием перехода образец-динамометр.

Как показано в разд. 2 .2, соответствующий выбор жест­ кости длинного динамометра позволяет обеспечить с задан­ ной точностью постоянную скорость деформирования. Необ­ ходимость сохранения закона деформирования £ = CO/7f{ при всех скоростях Деформирования вынуждает использовать динамометры различной жесткости для низких и высоких скоростей ударного нагружения.

Все эго требует тщательного анализа процесса дефор­ мирования прд выборе динамометра в зависимости от тре­ буемого закона нагружений и механических характеристик материала.

48

Г л а в а Ш.

МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМИ СКОРОСТЯМИ ДЕФОРМАЦИИ

3.1. Экспериментальные стенды

Испытания на растяжение обеспечивают получение более полной информации о механическом поведении материала, однако методически являются сложным^. Известные экспе­ риментальные устройства для высокоскоростной деформации можно разделить на три группы:

устройств^, реализующие путем нагружения образна уда­ ром массивного тела с заданной скоростью примерно по­ стоянную скорость деформирования - маятниковые, верти­ кальные и ротационные копры, а ’Ьакже некоторые конструк­ ции пневматических копров, в иоторых энергия удара намно­ го превышает энергию разрушения образца;

устройства, в которых вследствие использования для деформирования образца кинетической энергии движения те­ ла малой массы, сравнимой с потерей энергии на разруше­ ние образца, скорость деформирования уменьшается в про­ цессе испытания от максимальной в начале деформированш. до минимальной в момент разрушения;

устройства с непрерывным разгоном конца образца вместе со связанными с ним в процессе деформации конструк­ тивными элементами, что ведет к нарастанию скорости во время испытания - пороховые устройства.

Разнообразие нагружающих устройств и несоблюдение единого параметра испытания, отсутствие единой методики испытаний для всего диапазона изменения скорости деформи­ рования затрудняют анализ и обобщение накопленных экспе­ риментальных данных и снижают их научную и практическую ценность. В связи с этим представляет особый интерес раз-1, работка экспериментальных стендов и методики, единых для всего диапазона скоростей деформирования с единым пара­ метром испытания.

49

В Институте проблем прочности АН УССР для испыта­ ния с 'Постоянной скоростью деформирования ( £ = ) разработаны вертикальные копры, обеспечивающие скорости деформирования до 25 м/сек и пневмопороховой копер для более высоких скоростей деформирования С Ъ ],

. Согласно принятой схеме нагружения, образец одним концом связан со стержнем-динамометром, другим - с на­ ковальней, воспринимающей удар движущегося вдоль стерж­ ня с предварительно заданной, скоростью бойка кольцевого сечения. Последнему сообщают запас кинетической энергии, превышающий, по крайней мере на порядок, работу разруше­ ния образна. Вследствие линейного увеличения относитель­ ной деформации во времени £ - £ t кривую (J* ( t ) можно рассматривать как диаграмму деформирования <$ ( £ ) с измененным соответствующим образом масштабом по оси

для построения диаграммы напряжение-деформация. Напря­ жения регистрируют по деформации стержня-ди^амомет.ра, период продольных колебаний которого •( время пробега продольной упругой волной его удвоенной длины) превыша­ ет длительность процесса испытания.

что способствует выравниванию напряжений и деформаций по длине рабочей части. Характеристики пластичности ма­ териалов ( О , р ) определяют на основании измерений соответствую!цих размеров .образца до и после испытаний.

Схема вертикального копра для проведения испытаний на растяжение со скоростями до 6 м/сек приведена на рис. 3.1.

Рама копра, состоящая из двух стоек 7 и поперечины 10, смонтирована на плите 1. Нп поперечине свободно под­ вешивают направляющую 5, представляющую собой трубу из нержавеющей стали, по которой скользит баба 6 (ниж­

ний конец направляющейфиксируется в стакане 15, как по­ казало нл рис. 3.1, б). Стержень-динамометр 1 1 с образ­ ном 1 7 -центрируется по оси наиравляю'ней на одном конце

Г»(.