книги / Упругопластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении

коротких образцах. Для образца длиной 10 мм, использованного в из­ ложенных пыже исследованиях, не наблюдается снижения относитель­ ного удлинения и сужения поперечного сечения в шейке образца из

.армко-железа и стали 45 даже при скоростях выше 50QM/C. В соответст­ вии с изложенными соображениями противоречивость эксперименталь­ ных данных о влиянии скорости деформации на пластичность металлов ■обусловлена неравномерностью деформации.

Исследование влияния скорости на сопротивление при сжатии и

растяжении приводит к аналогичной зависимости а (е), хотя и наблю­ дается некоторое отличие как в характеристиках прочности, так и в микроструктур пых изменениях — при сжатии, например, армко-же- леза установлено возрастающее со скоростью и деформацией интенсив­ ное двойникование, отсутствующее при растяжении [64]. Предваритель­ ная деформация и температура испытаний влияют на уровень сопротив­ ления, не изменяя его качественной зависимости от скорости деформа­ ции [77, 94].

В настоящей главе изложены результат^ исследований при высоко­

скоростном растяжении с постоянной скоростью деформирования (по-

*

стоянная скорость деформации, е = const) основных классов конструк­ ционных материалов. С использованием этих результатов и имею­ щихся в литературе экспериментальных данных определены коэффици­ енты вязкости и построена реологическая модель поведения металлов при высоких скоростях деформации.

Основные выводы известных исследований следующие.

1. Деформационное упрочнение и микроструктурные изменения в материале при высокоскоростной деформации зависят не только от пластической деформации, но и от характера напряженного состояния и истории предшествующего нагружения. Изменение микроструктуры при сжатии и растяжении не идентично (в армко-железе наблюдается интенсивное двойникование при сжатии, отсутствующее при растя­ жении).

2. Все исследованные металлические материалы (стали, алюминие­

и относительного удлинения в области высоких скоростей деформа­ ции, приведенное в некоторых работах, по-видимому, обусловлено локализацией деформации вблизи нагружаемого конца (вследствие не­ равномерности деформирования по длине образца, связанной с распро­ странением упругопластической волны), а не понижением пластич­ ности материала.

3. Влияние скорости деформации на сопротивление металлов является аналогичным: кусочно-линейная зависимость сопротивления

деформации в диапазоне е = 103...2 • 104 с-1, смещение максимума растягивающей нагрузки на образец в область уменьшенных дефор­ маций.

При росте е до 10е с-1 сопротивление возрастает до уровня близ­ кого к теоретической величине сопротивления кристаллической ре­ шетки.

4.Коэффициент вязкости, определяющий коэффициент пропорцио­ нальности между приращениями сопротивления деформации и ско­ рости деформации, не является постоянным, а зависит от деформации

иее скорости. Для скоростей деформации ниже 103 с-1 коэффициент вязкости исследованных металлов и сплавов снижается примерно об­ ратно пропорционально скорости до минимального значения порядка 103 Па • с. В.диапазоне скоростей 10г>...10° с-1 коэффициент вязкости имеет локальный максимум.

5.Поведение металлических материалов может быть представлено последовательным соединением упругого элемента и вязкопластиче­ ской ячейки, которая образована параллельным соединением элемен­

та трения, характеризующего сопротивление о0 (&,,,■е0) при некоторой квазнстатической скорости деформирования, набора цепочек (из после­ довательно соединенных элемента трения и 'нелинейной вязкости), каждая из которых соответствует т^рмоактивируемому преодолению одного типа барьеров на пути дислокаций (приводит к участку .линей­ ной зависимости сопротивления от логарифма скорости деформации), и элемента,вязкости, определяющего вязкую составляющую сопротив­ ления, связанную с атермическим движением дислокаций. Уравнение состояния должно определять связь напряжений и деформаций с уче том скорости деформации и истории нагружения. При использовании в ка­ честве параметра, характеризующего структуру материала, эквива­ лентной деформации уравнение может быть представлено в виде связи интенсивностей напряжений, эквивалентной деформации и скорости пластической деформации (при малом влиянии на сопротивление сдви­ гу уровня средних напряжений).

1. Прочность и пластичность металлов при скоростях растяжения до 5 104 с-1

Экспериментальные исследования зависимости характеристик проч­ ности и пластичности от скорости ударного растяжения в широком диапазоне ее изменения (10*—5 • 10* с-1) проведены на образцах из армко-железа, стали 45 и алюминиевого сплава Д16, химический состав которых представлен- в табл. 1. Указанные материалы имеют различную чувствительность к скорости деформирования, существен­ но различаются по характеристикам прочности и пластичности.

прутка) образцы подвергали термообработке по режиму, указанному в табл. 2. Для сравнения испытаны образцы из армко-железд с более ко­ роткой рабочей частью — 0 4 x 6 мм. Все испытанные образцы раз­ рушились с образованием хорошо развитой шейки, расположенной вблизи средины рабочей части образца (за исключением образцов из

Содержание элементов, %

Т а б л и ц а 2. Режимы термообработки исследованных материалов

армко-железа, 0 4 х 10' мм, у которых шейка в большинстве случаев смещена к одному из концов как при низких, так и при высоких ско­ ростях растяжения), что, однако, не препятствует ее полному раз­ витию.

Результаты испытаний представлены на рис. 25, 26 и в табл. 6.

Скорость деформации е„ (номинальная) определялась по скорости дви­ жения бабы, вертикального копра или бойка пневмопорохового копра

(&I, = у0//р).и удовлетворительно соответствовала длительности пласти­ ческого деформирования tp, определяемой по регистрируемой осцилло­ грамме усилия. Усилие определялось по осциллограмме электрического сигнала, вызванного изменением сопротивления тензодатчиков, накле­ енных на трубке — динамометре 0 1 4 х 3 мм путем его сравнения с ка­ либрованным изменением сопротивления датчика. Относительное удли­ нение при разрушении 6 ,.поперечное сужение ф определяли по оста­ точному изменению длины рабочей части и площади сечения в области шейки. Погрешность определения усилия в образце не превышает 10 %., величин б и ф г - 6,0 %. Действительная скорость деформиро­

е < 108 с—| на графика* представлены зависимости верхнего предела текучести от истинной1скорости деформирования е, определенной по

испытанием образцов из армко-железа, верхний предел текучести ха­ рактеризуется большим разбросом от опыта к опыту. Последнее может быть объяснено влиянием случайных факторов (различием коэффици­ ентов концентрации у головки образца вследствие отличий в радиусе перехода, неоднородностью материала и другими). Среднее значение

сг? возрастает с ростом скорости деформации до 103 с-1 по линейному

Т а б л и ц а 3. Результаты испытания армко-железа и стали 45 при ударном растяжении, м/с

закону. Образцы из армко-железа, изготовленные из материала с боль­ шей величиной зерна, характеризуются более низким значением верх­ него предела текучести (нижняя линия на рис. 21, а). В области ско­ ростей деформирования выше 10s с—1 по результатам экспериментов не представляется возможным установить, с чем связано наличие зуба текучести — с изменением сопротивления материала деформации или с распространением упругопластической волны по рабочей части об­ разца.

По результатам испытания образцов с различной длиной рабочей части, изготовленных заодно с «длинным» динамометром (рис. 17), при уменьшении длины рабочей части область деформаций, связанных с проявлением зуба текучести, сокращается. Эго позволяет высказать предположение, что обеспечение одноосности деформации и посто­ янства ее при повышенной скорости должно привести к исчезновению зуба текучести, а начало пластического течения материала сопровож­ даться монотонным снижением сопротивления по мере развития шейки.

Участок упрочнения на диаграмме деформирования образцов из армко-железа с ростом скорости деформации сужается. В соответствии с этим кривые, характеризующие изменение со скоростью деформации

нижнего предела текучести от" и предела прочности оа, сходятся при

* > 103с—X В области скоростей е выше 103 с~* рост сопротивления деформированию более интенсивен, причем, смещение области макси­ мального сопротивления (предела прочности) к началу деформирования и более сильное влияние скорости в области малых деформаций ведет к трансформации формы осциллограммы усилия деформирования к треугольной.

В образцах из стали 45 наблюдается высокий уровень разности напряжений на верхнем и нижнем пределах текучести. Верхний пре­ дел текучести сильно зависит от термообработки —• в образцах, термо­ обработанных по указанному в табл. 2 режиму, верхний предел теку­

чести при е выше 102 с-1 значительно превышает предел прочности, тогда как при испытании образцов, не прошедших после изготовления термообработки, предел прочности и верхний предел текучести близки по значению. Форма импульса нагрузки на образец с ростом деформа­ ции приближается к треугольному виду, как и для армко-железа.

Для сравнения на рис. 26 приведены результаты испытаний образ­ цов из армко-железа и стали 45 с рабочей частью диаметром 5 мм и длиной 7,5 мм, изготовленных заодно с длинным динамометром.

Характеристики пластичности с ростом скорости деформации в ди­

апазоне е > 102 с-1 монотонно возрастают как для армко-железа, так и для стали 45 (рис. 26, в). Интенсивная пластическая деформация в области разрушения укороченных образцов наблюдалась при всех скоростях ударного растяжения (до 500 м/с). Это свидетельствует о том. что критическая скорость деформирования не характеризует пла­ стические свойства материала и является проявлением локализации деформации вблизи нагружаемого конца Образца, длина рабочей части которого не позволяет обеспечить достаточную однородность деформации. При переходе от статических испытаний к ударным наблюдалось некоторое снижение остаточного удлинения образца (поперечная деформация в шейке практически не меняется) (табл. 3). Такой характер изменения характеристик пластичности в области переходных скоростей деформации может быть связан не столько с большей локализацией деформаций при динамических испытаниях,

Аналогично влияет скорость деформации на характеристики проч­ ности и пластичности низколегированных сталей. На рис. 27 приведены результаты испытаний образцов (с рабочей частью 0 2,5 х 10) из мелко­ зернистой стали 17ГЮА в исходном состоянии и после термообработки по режиму табл. 2. Более быстрое возрастание сопротивления с ростом скорости выше 103 с-1, изменение формы кривой растяжения, вы­ званное более сильным влиянием скорости на область малых деформа­ ций, характерны для металлов.

При испытании высокопрочных углеродистых и легированных ста­ лей в области скоростей деформирования до 20 м/с (до 103 с~') не обна­ ружено существенного изменения сопротивления ‘деформации.

Эксперименты по ударному растяжению образцов из стали У8, закаленных до твердости (56HRC), с мартенситной структурой не позво­ ляют оценить изменение характеристик прочности с ростом скорости деформации до 200 м/с вследствие большого разброса результатов, вызванного хрупкостью материала,- маскирующего влияние скорости-

При испытании образцов из аустенитной стали Х18Н10Т с повыше­ нием скорости растяжения, как и для углеродистых сталей, более ин­ тенсивно возрастав!' предел текучести, значительного меньше — пре­ дел прочности.

Влияние скорости деформации на характеристики высокопрочного алюминиевого сплава Д16 значительно ниже, чем для армко-железа ц малоуглеродистых сталей. Характер изменения прочностных характе­ ристик аналогичен изменению соответствующих характеристик ста­ лей — более интенсивное возрастание со скоростью растяжения сопро­ тивления в области малых деформаций и более слабая зависимость от скорости предела прочности, достаточно резкое изменение скоростной

зависимости прочностных характеристик в области скоростей е выше 103 с - 1 (рис. 28, а).

Характеристики пластичности (относительное удлинение б и попе­ речное сужение ф в области шейки образца) с повышением скорости

(в отожженном состоянии) от скорости растяжения