CC BY
49
УДК 539.4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1077-1079
ДИНАМИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ТИТАНА И БРОНЗЫ В УСЛОВИЯХ МИЛЛИСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НАГРУЖЕНИЯ
© А.В. Кузнецов
АО «Машиностроительный завод «Армалит», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация,
e-mail: avkuznecov@armalit1.ru
Представлены результаты динамических испытаний титана и бронзы по методу Кольского с применением разрезного стержня Гопкинсона при скоростях деформации от 103 до 5-103 с-1. Ключевые слова: динамическая прочность; разрезной стержень Гопкинсона.
Для изучения динамических свойств титанового сплава 3М и бронзы БрАЖНМц 9-4-4-1 (типичные сплавы для трубопроводной судовой арматуры) применялся метод Кольского с использованием разрезного стрежня Гопкинсона (РСГ) [1]. Исследуемые сплавы имели следующие стандартные механические характеристики: титан 3М - ст0 2 = 550 МПа, стВ = 675 МПа,
85 = 12 %, у = 30 %; для бронзы - ст0 2 = 400 МПа, стВ = 640 МПа, 85 = 15 %, у =18 %; Установка и схема проведения испытаний приведены на рис. 1.
При испытаниях на РСГ полученные с измерителя скорости и с мерных стержней импульсы визуализируются в виде осциллограмм и сохраняются в цифровом виде в памяти компьютера для последующей обработки с помощью оригинального пакета программ. Пример диаграммы напряжения для бронзы приведен на рис. 2, для титана - на рис. 3.
Испытания обоих сплавов проводились при различных скоростях деформации от 800 до 2000 с-1.
Результаты испытаний показали, что для обоих типов испытанных сплавов во всем диапазоне скоростей деформации наблюдается рост как прочностных параметров (предела текучести и предела прочности), так и
пластических характеристик (относительного удлинения и относительного сужения). При этом рост пластических характеристик весьма высок для ударных нагрузок (в 1,5-1,8 раза), в то время как прочностные параметы хотя и возрастают, но не столь значительно, как пластические (на 20-30 %). Полученные результаты для указанных сплавов (нетрадиционные для металлов, поскольку, как правило, при ударных испытаниях происходит их охрупчивание [1]) показывают, что решающее значение для динамических характеристик металлов и сплавов имеет основа сплава, его химический и фазовый состав. Аналогичный вывод в отношении титановых сплавов был сделан и в работе [2].
Рис. 2. Диаграмма нагружения бронзы при скорости деформации 1800 с-1 (по оси ординат абсцисс - деформация)
напряжение, по оси
Рис. 1. Схема экспериментальной установки с РСГ
Рис. 3. Диаграмма нагружения титанового сплава при скорости деформации 1500 с-1
ISSN 1810-0198. Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки
б)
Рис. 4. Примеры микроструктур титанового сплава (а) и бронзы (б) при скорости деформации 900 с-1
Также необходимо отметить, что рост механических характеристик в наших испытаниях по отношению к стандартным механическим параметрам носит неоднозначный характер. Так, если бронзы прочностные характеристики резко возрастают при скорости деформации 900 с-1 и затем монотонно увеличиваются (хотя и незначительно) вплоть до скорости 1800 с-1, то для титанового сплава эти же параметры резко возрастают при скорости деформации 800 с-1 и затем остаются практически постоянными вплоть до скорости деформации 2000 с-1. При этом для обоих сплавов характерен резкий подъем пластических характеристик при низших указанных значениях скоростей деформации, затем рост этих характеристик прекращается, и они остаются практически постоянными.
Таким образом, можно полагать, что испытанные материалы одинаково воспринимают внешнюю скоростную нагрузку и для них отсутствует переход из вязкого в хрупкое состояние в исследуемом интервале скоростей деформации, т. е. оба сплава являются надежными конструкционными материалами и могут быть рекомендованы в качестве материалов для силовых конструкций, работающих при ударных нагрузках.
После проведения динамических испытаний разорванные образцы исследовались с помощью металлографических методов.
Примеры структур титанового сплава и бронзы приведены на рис. 4.
Результаты металлографических исследований показали, что для обоих сплавов совместная работа механизмов пластической деформации и разрушения
реализуется в пределах активационного объема, размер которого уменьшается с ростом скорости нагружения.
Так, для титанового сплава при скорости деформации 900 с-1 участки «отрыва» представлены цепочками полигонов в форме параллелепипедов размерами 30x30 мкм. Внутри зерен заметны фрагменты величиной не более 5 мкм.
По мере роста скорости деформации до 12001300 с-1 дно ямок отрыва «подпирают» полосы фрагментации шириной 20±5 мкм или площадки «отрыва» шириной менее 1 мкм. На границах полос фрагментации заметны узкие участки микропластической неустойчивости.
Затем с ростом скорости деформации до 2000 с-1 дно ямок отрыва начинают «подпирать» полосы фрагментации шириной до 10 мкм. По бокам ямок на глубине до 3 мкм видны следы локализованной микропластической деформации.
В бронзе пластическая деформация осуществляется в виде движения зеренных потоков, что приводило к образованию каналов микропластической деформации и к полосовой структуре, характерной для мезоскопи-ческого масштабного уровня пластической деформации [3]. В целом это указывало на многомасштабность уровней протекания пластической деформации. При этом, очевидно, что каналы микропластической деформации с полосовой структурой - результат деформации с разной скоростью [4]. Внутри каналов пластическая деформация развивается в виде карандашного скольжения призматических дислокаций, а скорость деформации согласно [5] подчиняется экспоненциальному уравнению (аналог - формула Журкова для долговечности материала под нагрузкой).
В соответствии с современной концепцией развития деформации и разрушения на микро- и мезомас-штабных уровнях возможно подобие в морфологии очага деформации с различной фрактальной размерностью Бу [6] (если говорить о контуре очага, то фрактальная). Можно отметить, что образование полосовой микроструктуры допускает применения к общему анализу структуры образцов мультифрактального анализа с получением спектра обобщенных размерностей [7].
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1) в исследованном диапазоне скоростей деформации титановый сплав 3М и бронза марки БрАЖНМц 9-4-4-1 имеют высокие прочностные и пластические характеристики;
2) в общем случае рост как прочностных, так и деформационных (пластических) параметров носит немонотонный характер: резкий рост при невысокой скорости деформации (800-900 с-1), затем значения всех параметров становятся практически постоянными величинами (в пределах разброса экспериментальных данных);
3) объемы повреждения при разрушении образцов отрицательно коррелируют со скоростью деформации: чем выше скорость, тем меньше объем разрушения;
4) форма зоны повреждения на микро- и мезо-структурном масштабных уровнях - результат микропластической деформации с участием скользящих дислокаций;
5) смена механизма повреждаемости с перераспределением вводимой механической энергии реализуется в предельно упрочненном (фрагментированном) неравновесном состоянии ансамблей дефектов кри-
сталлического строения и сопровождается изменением морфологических (размера и формы) и топологических (энтропии, размерности, симметрии) параметров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Степанов Г.В. Упругопластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении. Киев: Наукова думка, 1991. 288 с.
2. Дроздовский Б.А., Проходцева Л.В., Жегина И.Л., Герчикоеа Н.С. Влияние скорости деформирования и понижения температуры на трещиностойкость металлических материалов // ФХММ. 1985. № 6. С. 26-31.
3. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Металлургия, 1986. 224 с.
4. Барахтин Б.К., Мещеряков Ю.И., Савенков Г.Г. Статистические характеристики множественного разрушения металлических мишеней при динамическом нагружении и их связь с механическими параметрами материалов // ЖТФ. 2010. Т. 80. Вып. 1. С. 79-84.
5. Владимиров В.И., Романов А.Е. Дисклинации в кристаллах. Л.: Наука, 1986. 224 с.
6. Иванова В.С. Синергетика: Прочность и разрушение металлических материалов. М.: Наука, 1992. 160 с.
7. Встовский Г.В. Фрактальная диссиметрия изображений реальных структур // Вопросы радиоэлектроники. 2010. Т. 1. № 4. С. 40-62.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.4
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1077-1079
DYNAMIC STRENGTH OF TITANIUM AND BRONZE IN TERMS OF MILLISECOND DURATION DETECTION
© A.V. Kuznetsov
JSC "Machine Building Plant Armalit", Saint-Petersburg, Russian Federation, e-mail: avkuznecov@icloud.com
The results of dynamic testing of titanium and bronze by the method of the Kola with the use of split Hopkin-son rod at strain rates from 103 to 5-103 s-1 are presented. Key words: dynamic strength; split Hopkinson rod.
REFERENCES
1. Stepanov G.V. Uprugoplasticheskoe deformirovanie i razrushenie materialov pri impul'snom nagruzhenii. Kiev: Naukova dumka Publ., 1991. 288 p.
2. Drozdovskiy B.A., Prokhodtseva L.V., Zhegina I.L., Gerchikova N.S. Vliyanie skorosti deformirovaniya i po-nizheniya temperatury na treshchinostoykost' metallicheskikh materialov. Fiziko-khimicheskaya mekhanika materialov - Physico-chemical Mechanics of Materials, 1985, no. 6, pp. 26-31.
3. Rybin V.V. Bol'shieplasticheskie deformatsii i razrushenie metallov. Moscow, Metallurgiya Publ., 1986. 224 p.
4. Barakhtin B.K., Meshcheryakov Yu.I., Savenkov G.G. Statisticheskie kharakteristiki mnozhestvennogo razrusheniya metallicheskikh misheney pri dinamicheskom nagruzhenii i ikh svyaz' s mekhanicheskimi parametrami materialov. Zhurnal tehnicheskoj fiziki - Technical Physics, 2010, vol. 80, no. 1, pp. 79-84.
5. Vladimirov V.I., Romanov A.E. Disklinatsii v kristallakh. Leningrad, Nauka Publ., 1986. 224 p.
6. Ivanova V.S. Sinergetika: Prochnost' i razrushenie metallicheskikh materialov. Moscow, Nauka Publ., 1992. 160 p.
7. Vstovskiy G.V. Fraktal'naya dissimetriya izobrazheniy real'nykh struktur. Voprosy radioelektroniki - Questions of the radio electronics, 2010, vol. 1, no. 4, pp. 40-62.
Received 10 April 2016
Кузнецов Александр Викторович, АО «Машиностроительный завод «Армалит», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, генеральный директор, e-mail: avkuznecov@armalit1.ru
Kuznetsov Aleksander Viktorovich, JSC "Machine Building Plant "Armalit", Saint-Petersburg, Russian Federation, Director General, e-mail: avkuznecov@armalit1 .ru
