книги / Скоростное деформирование конструкционных материалов
..pdfВ. И. Майборода А.С. Кравчук Н.Н. Холин
СКОРОСТНОЕ
ДЕФОРМИРОВАНИЕ
КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Москва «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1986.
ББК 30.121 М14
УДК 539.3
Р е ц е н з е н т чл.-корр. АН СССР А. А. Поздеев
|
Майборода В. П., Кравчук А. С., Холин Н. Н. |
|
||
Ml4 |
Скоростное деформирование конструкционных |
материа |
||
|
лов.— М.: Машиностроение, |
1986.— 264 с., ил. |
|
|
|
В пер.: 1 р. 40 к. |
|
|
|
|
Рассмотрены инженерные методы |
расчета высокоскоростного |
деформ иров ання |
|
|
и разрушения современных конструкционных материалов и машиностроительных |
|||
|
конструкций в широком диапазоне изменения скоростей деформации, сопровождаю |
|||
|
щегося интенсивным разогревом. |
|
|
|
|
Приведены обширные экспериментальные данные с изложением методик экспе |
|||
|
риментов (откол, упрочнение, динамическое «разрезание» стержней |
и др.). а также |
||
|
различные методы решения прикладных инженерных задач. |
|
||
|
Для инженерно-технических работников проектно-конструкторских институтов |
|||
|
и бюро, занимающихся конструированием и прочностными расчетами машинострои |
|||
|
тельных конструкций при импульсных воздействиях. |
|
||
2702000000-43 |
43-86 |
|
ББК 30.121 |
|
038(01)-86 |
|
|
606 |
© |
№ д а г е л ь с т и о « М а ш и н о с т р о е н и е » , 1986 г. |
ВВЕДЕНИЕ
Создание надежных методов прочностных расчетов элементов конструкций, работающих в условиях кратковременных импульсных воздействий, больших скоростей деформации, высоких температур, интенсивного радиационного облучения и других сложных физико химических условиях — является весьма актуальной научно-техни ческой проблемой, для решения которой необходимы совместные усилия инженеров, механиков и физиков — специалистов в области механики и физики деформируемого твердого тела. Комплексный подход к созданию современных методов прочностных расчетов конструкций, работающих в экстремальных, или близких к экстре мальным, условиях, предполагает учет структурных изменений в материале, происходящих в процессе приложения внешних дина мических нагрузок, а также широкое использование ЭВМ для число вого моделирования механического поведения материалов. Поэтому большое внимание в настоящей монографии уделено анализу дина мических процессов в конструкционных материалах с общих термо динамических позиций и построению адекватных соотношений между напряжениями и деформациями на основе данных механических испытаний и структурных исследований. Результаты такого ком плексного исследования динамического поведения конструкционных материалов необходимы для создания обоснованных инженерных методов прочностных расчетов конструкций, работающих в сложных физико-химических условиях.
Неупругая деформация и разрушение являются основными фор мами реакции материала на внешнее динамическое воздействие, приводящими к релаксации внутренних напряжений. Конкретные формы реакции материала определяются характером изменения его структуры. К механизмам неупругой деформации и разрушения конструкционных металлических материалов следует отнести прежде всего скольжение дислокаций’и двойникование, образование и рост субзерен, образование, рост и коагуляция микропор и микротрещин. На макроскопическом уровне скольжение дислокаций приводит к необратимым пластическим сдвигам и образованию макротрещин. В поликристаллических агрегатах существенное влияние на реакцию
материала оказывает его зернистость. |
|
|||
|
Многочисленные экспериментальные данные по скоростному |
|||
деформированию |
конструкционных |
металлических |
материалов |
|
в |
большинстве |
случаев выявляют |
их высокую чувствительность |
|
к |
изменению скоростей деформации. |
Под скоростной |
чувствитель- |
3
ностыо материала обычно понимается изменение диаграммы напря жение — деформация при изменении скорости деформации, которое в ряде случаев сопровождается наличием ярко выраженного пика текучести. Для низкоуглеродистой стали при увеличении скорости деформации предел текучести может увеличиться в 3—4 раза. Свой ство скоростной чувствительности металлических материалов суще ственно влияет на процесс динамического разрушения, в частности, на разрушение отколом. Следует отметить, что чувствительность к изменению скоростей деформации, в той или иной степени проявля ющаяся практически у всех конструкционных металлических мате риалов, существенно зависит от условий деформирования — скорости деформации, температуры, предварительной термообработки, ради ационного облучения и т. д. Так, например, высокочувствительная к изменениям скорости деформации низкоуглеродистая сталь при низких температурах (Т « 70 К) в значительной степени утрачивает это свойство.
В литературе, посвященной проблемам динамической пластич ности, термин «пластическая деформация» часто используется для обозначения неупругих деформаций, зависящих от масштаба вре мени t. Однако в теории пластичности этим термином обозначены остаточные деформации, не зависящие от масштаба времени. Авторы стремились к сохранению традиционного значения термина «пласти ческая деформация». Для обозначения неупругих деформаций, зависящих от масштаба времени, используется термин «вязкопласти ческие деформации».
В монографии развивается кинетический подход к описанию неупругого деформирования и разрушения металлов. В число опре деляющих параметров среды, входят некоторые кинетические (вну тренние) параметры, соответствующие структурным изменениям материала в результате деформации. Для металлов такими пара метрами могут быть компоненты тензора плотности дислокаций пи , объемное содержание фаз а, тензор поврежденности материала T ijf зернистость материала z и т. д. Изменения кинетических параметров
\if описываются дифференциальными, |
вообще |
говоря, неголоном- |
|
ными уравнениями типа |
|
|
|
d\if/dt = js , |
(s= |
1,2, . . . , |
п), |
правая часть которых зависит от полной системы определяющих параметров среды. Для конкретизации вида зависимости необ
ходимо использовать определенную информацию о физических свой ствах среды и ее структуре. В ряде случаев такая информация может отсутствовать в связи с трудностями измерений. Так обстоит дело с фазовыми переходами в металлах на фронтах сильных ударных волн. В этом случае используют подход, основанный на термодина мических представлениях и на использовании косвенных экспери ментальных данных, например, характерного времени фазовых переходов.
4
Влитературе имеется немало работ, посвященных различным аспектам механики скоростного деформирования конструкционных материалов. Многочисленные работы посвящены проблемам созда ния прогрессивных технологических процессов высокоскоростного деформирования — штамповка импульсным воздействием, упроч нения крупногабаритных изделий сложной формы, создание новых синтетических и композиционных материалов и т. д. Большой прак тический интерес представляют возможности использования явления сверхпластичности, наблюдаемого при наличии определенных микро структуры металлов и температурно-скоростных условий деформа ции. Ускоренными темпами развивается теория длительной проч ности конструкционных материалов.
Вработах, посвященных вопросам механики скоростного дефор мирования конструкционных материалов, одной из основных задач является математическое моделирование процесса на основе исполь
зования адекватных определяющих уравнений механического по ведения среды и экспериментальных данных. Эта задача актуальна в связи с тем, что экспериментальные исследования скоростного деформирования материалов часто затруднены из-за отсутствия четкого понимания роли определяющих физических факторов в том или ином явлении, наблюдаемом в механическом эксперименте.
В настоящей книге на основе единого подхода изложены важные прикладные аспекты скоростного деформирования материалов. Боль шое внимание уделяется методам испытания металлов в широком диапазоне изменения скоростей деформации и получению данных
опластических и прочностных характеристиках.
Вгл. 1 описаны современные экспериментальные методы иссле дования механического поведения металлов при ударном воздей ствии. Особое внимание уделяется методу лазерной интерфероме трии, обладающему высокой разрешающей способностью во времени (10-° с). Этот метод широко используется для исследования разруше ния конструкционных материалов отколом по данным о движении
свободной поверхности мишени в результате взаимодействия с удар ной волной. Проводится анализ данных ударно-волновых экспери ментов.
Многочисленные практические приложения нашло явление ано мально высокого упрочнения металлов, претерпевающих фазовые переходы на фронтах сильных ударных волн (с давлением на фронте свыше 10 ГПа). Экспериментальные данные по фазовому упрочнению металлов приведены в п. 1.4.
В гл. 2 проводится сравнительный анализ определяющих соотно шений динамической пластичности, наиболее часто используемых для решения одноосных механических задач. Обстоятельный обзор по этому вопросу содержится в работе [21. Авторы этой работы отмечают, что волновую картину в стержне можно воспроизвести путем числового решения задач, используя определяющие соотноше ния разных типов. Однако это утверждение становится неверным, если исследуются переходные процессы типа нагружение—раз грузка, нагружение—дополнительная нагрузка, ступенчатое
5
нагружение и т. д. Исследование процессов такого рода позволяет установить адекватные определяющие уравнения. Поэтому описанию переходных процессов в гл. 2 уделяется особое внимание. В гл. 2 рассматриваются возможные типы кинетических уравнений. Для некоторых конкретных типов механических испытаний приводятся кинетические уравнения, описывающие изменения структуры метал лов в процессе деформации. Описана квазигидродинамическая модель для расчетов механического поведения металлов при высоких давле ниях, когда прочностные эффекты малы, а определяющую роль играет объемная сжимаемость материала.
Вгл. 3 рассматриваются вопросы, связанные со скоростным квазистатическим (без учета волнообразования) деформированием конструкционных материалов. На основе соответствующих экспери ментальных данных разрабатывается методика определения кине тических постоянных, входящих в кинетические уравнения.
Рассматриваются одноосная ползучесть и сверхпластичность ме таллов. Основное внимание уделяется установлению адекватности используемых определяющих уравнений. Развивается кинетическая теория распространения квазистатических волн пластичности (Людерса).
Вгл. 4 описаны исследования ударно-волновых процессов в ме таллах. В конкретных числовых расчетах широко используются
данные предыдущих глав. Ставятся и численно решаются задачи в одномерной и двумерной осесимметричной постановках. Результаты полученных решений сравниваются с соответствующими экспери ментальными данными, приведенными в гл. 1.
В гл. 5 на основе кинетических представлений рассматриваются различные типы разрушения металлов. Описывается динамический рост трещины от кольцевого концентратора в стержне, проводится числовое моделирование явления разрушения металлов отколом. Исследуется рост трещины в процессе ползучести в условиях пло ского напряженного состояния. В инженерной практике часто приходится сталкиваться с такой ситуацией, когда в конструкции либо уже содержатся, либо непременно появятся трещины в процессе эксплуатации. Задача состоит в том, чтобы определить условия страгивания и локализации трещины в конкретных условиях экс плуатации конструкции. Следует отметить, что с точки зрения микроструктуры в рассмотренных в гл. 5 типах разрушения есть общие закономерности — образование микропор на «слабых» местах структуры (поверхности зерен, .точечных дефектах, включениях фаз и др.), их последующий рост и коагуляция, приводящая к обра зованию макротрещин.
Исследования распространения волн в слоистых материалах приобретают все большее значение как в связи с применением в тех нике многослойных конструкций (слоистые оболочки, метеоритная защита, противовзрывные конструкции), так и в связи с созданием новых композиционных материалов и исследованием их свойств при высоких динамических нагрузках. Этим вопросам посвящена гл. 6 монографии.
6
Вгл. 7 рассматриваются вопросы, связанные со скоростным деформированием жестковязкопластических материалов. Изла гается метод конечных элементов применительно к расчету течений жестковязкопластических сред.
Вгл. 8 рассматриваются численные методы решения динамических (волновых) задач, поставленных в гл. 4—6 настоящей монографии, обсуждаются особенности их использования.
Вкнигу вошли материалы лекций, читаемых авторами в тече ние ряда лет студентам факультета прикладной математики Мо
сковского института электронного машиностроения, специализиру ющимся в области применения ЭВМ для решения инженерных задач, в частности, для решения задач механики деформируемого твердого тела.
Г ла ва 1
МЕТОДЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
U . ДАННЫЕ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ И ВОЛНОВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для экспериментального исследования распространения ударных волн, структуры фронта и физико-химических явлений, сопутству ющих распространению ударной волны, разработаны эффективные методики по изучению процессов распространения плоских ударных волн в условиях одноосно-напряженного (стержень) и однооснодеформированного (пластина, бесконечная в поперечном напра влении) состояний. Непосредственное измерение параметров удар ных волн наиболее доступно в стержнях, поэтому такого рода экспе риментальные исследования получили широкое распространение в нашей стране и за рубежом. Наиболее часто используется пред ложенная Г. Кольским методика, основанная на использовании мерного стержня Гопконсона. На рис. 1.1 показана схема испытаний по этой методике. Образец 1 длиной I расположен между нагружа ющим 2 и опорным 3 стержнями одинакового диаметра. Пределы текучести материалов стержней 2 и 3 существенно выше предела текучести материала образца, поэтому в процессе ударно-волнового нагружения стержни 2 и 3 работают в упругой области. Упругая волна инициируется на левом торце стержня 2. Преобразователи деформации а, в, с, размещенные на стержнях 2 и 3, позволяют опре делить деформации в падающей et и отраженной ег волнах. Зная деформации е* и ег, можно вычислить перемещения левого их и пра вого м2 торцов образца, что в свою очередь позволяет определить его
деформацию |
= |
(ux — u2)ll. Напряжение в образце определяется |
по формуле |
Cj = |
где Е — модуль упругости опорного |
стержня; А х и Л2 — площади поперечного сечения опорного и испы туемого стержней.
Однако методика испытаний стержневых образцов по Г. Коль скому имеет существенные недостатки. Так как длина образца / сравнима с его диаметром, то в испытаниях проявляются эффекты поперечной инерции и трение на торцах образца, приводящее к «бочковатости». Особенно это сказывается при изучении тонких кинети ческих эффектов, например, затухания амплитуды упругой волны. Кроме того, из-за наличия контактных поверхностей, разделяющих материалы с различной акустической жесткостью, неизбежно про является дисперсия волн малой длины (по сравнению с диаметром образца).
Рис. 1.1. Схема измерения деформации по мето дике мерного стержня Гопконсона
Рис. 1.2. |
Схема копра: |
|
ш |
|
1 — плита; |
2 |
— направляющая труба; 3 — боек; |
4 — |
|
стойка копра; |
5 — поперечина |
|
Для испытаний стержневых образцов на ударное растяжение часто используются вертикальные копры. Схема вертикального копра для испытаний с умеренными скоростями (до 24 м/с) приведена на рис. 1.2. Цилиндрический боек скользит вдоль направляющей трубы с заданной скоростью. Образец одним торцом связан со стерж нем-динамометром, а другим — с наковальней, воспринимающей удар бойка.
Метод Г. Кольского часто используется для исследования рас пространения упругопластических волн, а также влияния зерни стости, длительности импульса на структуру волнового фронта и явления запаздывания текучести в стержнях из низкоуглеродистой стали. На рис. 1.3 дана схема экспериментальной установки. Удар ник и стержень, примыкающий к образцу, изготовлены из титанового сплава. На рис. 1.4 приведены экспериментальные данные, свиде тельствующие об уменьшении амплитуды упругой волны по глубине образца и существенном влиянии зернистости на характер затуха ния. Следует отметить тот факт, что в экспериментах со стержнями
Рис. |
1.3. Схема экспери |
|
ментальной установки: |
||
I — баллистическая |
уста- |
|
ношса; |
2 — электронный |
|
счетчик; 3 — датчики |
для |
|
замера |
скорости; 4 — боек; |
|
5 — образец |
|
с , ГПа
1,4
П 2,4 4,8 л,См
Рис. 1.4. Экспериментальные данные (интерполяция) для образцов из низко углеродистой стали зернистостью:
l — d = 0,0036; 2 — d =■ 0,0173 см
С„ГПа
0,168 ~
0 С,33 0,16 0,24 £,
Рис. 1.5. Зависимости напряж ениедеформация:
1 — динамика; 2 — статика
на затухание амплитуды упругой волны сказывается поперечная инерция материала.
Наряду с волновыми экспериментами в условиях одноосно-напря женного состояния, для изучения механического поведения кон струкционных материалов большое значение имеют квазистатические эксперименты при высоких скоростях деформации. Для выявления адекватности определяющих соотношений динамического поведения конструкционных материалов особое значение имеют эксперимен тальные данные при резком изменении режима нагружения. В работе Линдхольма [331 приведены результаты испытания стержневых образцов из технически чистого алюминия со скоростями деформации
= 10"4 с-1 и ё2 = 103 с-1.
Соответствующие кривые напряжение—деформация приведены на рис. 1.5. В испытаниях были реализованы следующие три про граммы: 1) статическое нагружение—разгрузка—динамическое нагружение; 2) динамическое нагружение—разгрузка—статическое нагружение; 3) динамическое нагружение—разгрузка—динами ческое нагружение.
Опыты первой и второй программ выявили снижение чувстви тельности материала к скорости деформации после предварительной статической деформации. С точки зрения дислокационной структуры материала этот факт объясняется увеличением общей плотности дислокаций в процессе статической деформации и, как следствие, запиранием подвижных дислокаций — элементарных носителей пла стических сдвигов в металлах.
Аналогичные программы испытаний низкоуглеродистой стали в ряде работ реализуются с трубчатыми тонкостенными образцами. Образцы подвергаются кручению с постоянной скоростью деформа
ции |
сдвига. |
Возможная |
схема |
экспериментальной |
|
установки при- |
||||||||
1 |
2 |
3 4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
Рис. 1.6. Схема эксперименталь- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
ной установки на кручение тон |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
костенных |
трубчатых |
образцов |
|||
. |
760 |
[ I |
315 |
^ |
915 |
1 |
|
Т |
(размеры в |
мм): |
|
|
||
|
|
1830 |
|
|
|
1830 |
|
|
I, 10 — устройство для |
закручи |
||||
|
|
|
|
|
|
|
вания; |
2, |
4, |
8 — датчики; |
~3 — |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зажим; |
5, 9, |
7 — прокладки; |
6 — |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
образец |
|
|
|
|
|
10