CC BY
40
УДК 539.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ТРЕЩИН В АЛЮМИНИИ И МЕДИ ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ НАГРУЗКАХ
© В.А. Морозов, Г.Г. Савенков, А.А. Лукин, Б.К. Барахтин, К.А. Рудометкин
Ключевые слова: трещина; импульс растяжения; скорость звука; магнитно-импульсный метод; кольцевой образец.
Представлены результаты определения скорости трещины в кольцевых образцах из алюминия и меди с надрезом при ударном воздействии распределенной радиальной нагрузки магнитным импульсным методом. Проведено сравнение полученных экспериментальных значений скоростей с теоретическими.
Определение скоростей трещин в условиях динамического нагружения металлических материалов, несмотря на огромное количество работ, посвященных данному вопросу, является актуальной проблемой в силу экспериментальных сложностей и многообразия сопутствующих факторов, которые не всегда удается интерпретировать [1].
В настоящей работе скорости трещин были определены на кольцевых образцах, как с надрезом, так и без них, из тонких алюминиевых и медных фольг толщиной 15 мкм, диаметром 28,6 мм и разной шириной от 1 до 2 мм. Эксперименты по разрушению образцов осуществлялись с использованием модифицированного магнитно-импульсного метода на базе генератора коротких высоковольтных импульсов ГКВИ-300, обеспечивающего формирование электрических напряжений с амплитудами 30-300 кУ. Скорость деформации в кольцах не превышала 104 с-1.
На рис. 1 показана схема нагружения. Ток, проходящий по катушке, на которой коаксиально располагается кольцевой образец, наводит в нем индукционный ток, а взаимодействие этих токов порождает силу отталкивания между соленоидом и кольцом. Были реализованы электрические блок-схемы установки с синусоидальными нагрузками с периодами Т = 1,0 мкс и Т = 7,5 мкс. Вид экспериментального образца представлен на рис. 2.
С
Рис. 1. Схема нагружения образца ( д - нагрузка, о - растягивающее напряжение)
В
Рис. 2. Вид экспериментального образца в плане
Катушка изготовлена из медного провода диаметром 1 мм, имеет 5 витков, диаметр катушки 25 мм. Ток, проходящий через катушку, измерялся поясом Рогов-ского и отображался на цифровом осциллографе, информация с которого записывалась на электронном носителе. При разрыве кольца, коаксиально закрепленного на середине катушки, возникала искра, которая позволяла с помощью фотодиода фиксировать момент разрушения образца.
На рис. 3 изображены осциллограммы тока (1) через катушку и сигналов с фотодиода (2), фиксирующего момент разрыва медного (а) с надрезом и алюминиевого (б) без надреза образцов.
По моменту резкого изменения сигнала с фотодиода определялось время до разрушения образца А1. Скорость трещин находили из сравнения времени разрушения при различных значениях ширины кольца без надреза Н или при различных значениях Дк = Н - к по формулам
V- = {н2, - Ні і )/К -Ді у)
или
V- = {Дк2і - Дкіі )/(Д^2г - Д1 і) .
Были получены следующие значения скоростей трещин: для меди при Т = 1 мкс V = 252,5 м/с, при Т = 7,5 мкс V = 73,5 м/с; для алюминия при Т = 1 мкс V = 240,0 м/с. Такие невысокие значения скоростей очевидно связаны с характером напряженно-деформи-
1655
рованного состояния (плоско-напряженное) и небольшими значениями зоны предразрушения [2].
Тек Jlu • Acq Complete М Роя 3.680jus
СН2 500mVBy М I^JOjus
12-Jan-13 15:12 <10Hz
а)
Тек JL #Acq Complete M Pos: 9.900jus CURSOR
CH1 100mV CH2 5.00V M 2.50jus
18-Feb-1017:23 <10Hz
б)
Рис. 3. Осциллограммы тока с катушки (1) и с фотодиода (2)
Несмотря на то, что скорости трещин для меди и алюминия при Т = 1 мкс практически одинаковы, характер разрушенных поверхностей совершенно разный. Так, для меди значительная часть поверхности разрушения имеет характерные округлые очертания (рис. 4а), которые, как правило, присущи разрушению металлов с оплавлением. В то время как для алюминиевых образцов характерно наличие следов микропла-стической деформации и расслоение сверхтонких участков фольги. Чешуйки расслоения (показаны стрелками) наблюдались и в медных образцах, но в меньших количествах (рис. 5).
В работе [1] получено выражение для скорости трещин в динамически разрушаемом материале:
Уг = ек (0,3ае1/ Лек )1-1/О ,
здесь а - параметр кристаллической решетки материала при Т = 0 К; с1 - продольная скорость звука в материале; Л - длина свободного пробега фононов; -
фрактальная размерность контура трещины.
В соответствии с расчетами по полученной формуле и результатами экспериментов по определению скоростей трещин фрактальные размерности их контуров в алюминиевом и медном образцах должны быть близки к 2, что характерно для вязкого излома при квазих-рупком переходе [3]. Особенно хорошее совпадение с фрактальной размерностью = 2 должно быть для
меди, поскольку в работе [1] именно при этом значении получено теоретическое значение = 75,5 м/с.
б)
Рис. 4. Поверхности разрушения медного (а) и алюминиевого (б) образцов
Рис. 5. Морфология волокнисто-чешуйчатого излома в медном образце
ЛИТЕРАТУРА
1. Морозов В.А., Савенков Г.Г. Предельная скорость распространения трещин в динамически разрушаемых материалах // ПМТФ. 2013. Т. 54. № 1. С. 163-169.
2. Broberg K.B. How fast can a crack go? // Физико-химическая механика материалов. 1996. № 1. С. 91-98.
3. Баланкин А.С., Иванова В.С., Бреусов В.П. Коллективные эффекты в кинетике разрушения и спонтанные изменения фрактальной размерности диссипативной структуры при вязкохрупком переходе // Докл. АН СССР. 1992. Т. 322. № 6. С. 1080-1085.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Morozov V.A., Savenkov G.G., Lukin A.A., Barakhtin B.K., Rudometkin K.A. EXPERIMENTAL AND THEORETICAL DETERMINATION OF SPLIT VELOCITY IN ALUMINUM AND COPPER SAMPLES UNDER PULSE LOAD CONDITIONS
The results of determining of crack speed in ring aluminum and copper samples with incision under radial distributed load impact method are presented. The received experimental values of speeds were compared with theoretical ones.
Key words: crack; impulse tension; sound speed; magnetic-impulse method; ring sample.
1656
