Исследование динамического предела текучести конструкционных материалов при ударном нагружении Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УДАРНОМ

НАГРУЖЕНИИ

Ю.И. Мещеряков, А.С. Самохвалов

Задача исследования - определение величины динамического предела текучести, измеренного при ударном нагружении плоских мишеней в легкогазовой пушке. Проведены серии экспериментальных испытаний. На основе теоретического анализа полученных данных определены значения динамического предела текучести для алюминиевого сплава Д16 и легированной конструкционной стали 38ХН3МФА.

Для решения большинства задач при использовании материалов достаточно иметь представление об их свойствах в статических условиях, когда приложенные нагрузки меняются медленно. Однако такие исследования не обеспечивают надежного прогнозирования поведения материалов при динамических нагрузках, особенно в случае скоростей нагружения, сопоставимых со скоростью звука в материале.

В динамических исследованиях для реализации возможных способов возбуждения импульсов ударной нагрузки в конденсированных средах применяется различная экспериментальная техника [1-3, 7]. Лабораторные методы создания плоских ударных волн, использующие высокоинтенсивные источники энергии (детонация взрывчатого вещества, электровзрыв фольги, электронный пучок, лазерное излучение, сжатый газ), позволяют в широком диапазоне варьировать параметры ударной волны. Также существует большое количество методов регистрации импульсов ударной нагрузки в динамических исследованиях [1, 3]. Применение того или иного метода регистрации давлений и скоростей поверхностей обусловлено конструкцией экспериментальной установки и параметрами проведения эксперимента.

Задачей данной работы явилось проведение серии динамических испытаний материалов с целью определения динамического предела текучести при ударном нагружении. Динамический предел текучести является важным показателем прочности материалов и соответствует наименьшему напряжению, при котором образец пластически деформируется без увеличения динамической нагрузки. Так как большинство металлов не имеют явно выраженной площадки текучести, за значение динамического предела текучести обычно принимают величину напряжения, при котором остаточная деформация образца равна 0,2 %.

Реализация метода ударного нагружения плоских мишеней в легкогазовой пушке состоит в соударении летящего с большой скоростью ударника с плоскостью мишени, изготовленной из исследуемого материала (рис. 1). Распространение в мишени возникших после соударения волн деформаций приводит к формированию в плоскости, называемой плоскостью откола, растягивающих напряжений, вызывающих отрыв тыльной части мишени. Такое разрушение называется откольным.

ф

Ой

Ударник Мишень

Расстояние

Рис. 1. Откольное разрушение

С точки зрения механики разрушения тыльный откол является сложным процессом, реализации которого на макроуровне предшествуют многие процессы на микроуровне [5]. Развитие разрушения начинается с одиночных трещин, очагом возникновения которых являются присутствовавшие до приложения нагрузки микротрещины и микропоры. С повышением нагрузки все большее количество микротрещин начинает активно расти, объединяясь в магистральную трещину, проходящую через весь образец. Так возникает область откольного разрушения, которая располагается на некотором расстоянии от свободной поверхности образца.

Действие ударной волны в материале можно рассматривать как действие продольной волны, которая приводит к образованию продольных напряжений

о = 2р( + ГНЕ1 (о, - ер)), (1)

где р - плотность материала; - скорость свободной поверхности; ор - скорость пластического фронта; УНЕЬ - скорость на пределе упругости Гюгонио; о, - скорость продольной волны. Образование продольных напряжений приводит к деформации материала:

1

8 = — 2

^ УНЕЬ + УР УНЕ1 ^

о, о

V 1 р У

(2)

При выполнении экспериментов по реализации тыльного откола оказывается возможным непрерывно регистрировать временную историю напряжения или скорости частиц в плоскости откола, т. е. измеряемой характеристикой является временной профиль скорости свободной поверхности мишени. Для его регистрации широкое применение нашли лазерные интерферометры, используемые для измерения скорости частиц в процессе ударного нагружения материала. При реализации метода наибольшее распространение получил скоростной (дифференциальный) интерферометр [6], в котором лазерный луч, падая на движущуюся поверхность мишени, изменяет свою частоту пропорционально скорости этой поверхности, что и фиксируется последующей электронной схемой интерферометра.

Используя лазерный дифференциальный интерферометр в качестве регистратора скорости свободной поверхности мишени, можно измерить среднюю скорость частиц по частоте биений интерференционного сигнала. Изменение частоты биений определяет изменение средней скорости движения частиц

У (() = ^ N ((), (3)

где У (() - изменение во времени средней скорости частиц; N(/) - изменение числа биений интерференционного сигнала; X0- длина волны лазерного излучения; т3 -

время задержки лазерного луча в плече задержки интерферометра.

Установка для проведения экспериментов по ударному нагружению плоских мишеней (рис. 2) состоит из следующих частей: легкогазовой пневматической пушки, защитной вакуумной камеры, датчика скорости, лазерного дифференциального двухканального интерферометра.

Исследуемый образец (мишень) 3 устанавливается в защитной вакуумной камере 1. Предварительно к образцу крепятся контакты 2 устройства запуска регистрирующей аппаратуры. Снаряд, состоящий из ударника 4, закрепленного на полиэтиленовом пыже 5, помещается в ствол 6. После этого осуществляется откачка ствола до вакуума 10 атм для уменьшения воздушной подушки перед летящим снарядом. Разгон снаряда начинается после прорыва мембраны 7, отделяющей ствол от камеры высокого

давления 8, с помощью устройства прорыва 9. При этом в данном эксперименте скорость снаряда перед соударением с мишенью доходила до 400 м/с.

БЗ

V

■ ФД ФИ

. ФД

/

V

V

П

ЧМ

ФЭУ -,

¿ЫгЫ А

г

П

ФЭУ

Рис. 2. Установка для проведения экспериментов по ударному нагружению

плоских мишеней

Снаряд, пролетев ствол установки, соударяется с образцом, перед этим последовательно пересекая два лазерных луча, проходящих внутрь защитной вакуумной камеры через специальные окна. В момент прерывания лучей в фотодиодах ФД возникают разнесенные во времени сигналы, которые после прохождения формирователя импульсов ФИ поступают в частотомер ЧМ, измеряющий временной интервал между этими импульсами, что позволяет вычислить скорость полета снаряда. Относительная погрешность определения скорости составила ~1%.

При соударении ударника с образцом происходит замыкание контактов устройства запуска регистрирующей аппаратуры. Сигнал с контактов подается на блок задержки запускающего импульса БЗ, который, в свою очередь, после определенной задержки посылает сигнал запуска на осциллографы. Задержка производится с учетом времени прохождения ударной волны через образец.

Регистрация реакции материала образца на ударное воздействие производится с помощью лазерного дифференциального двухканального интерферометра, в состав которого входит светоделительное полупрозрачное зеркало, разделяющее луч лазера, отраженный от тыльной полированной поверхности образца, на два луча. Эти лучи, проходя различные пути через поляризаторы П, повернутые друг относительно друга на 90°, попадают в фотоэлектронные умножители ФЭУ, формирующие электрические сигналы, поступающие на осциллографы. В момент появления на экранах результирующих сигналов в виде интерферограмм проводится их фоторегистрация.

Для проведения экспериментов по ударному нагружению плоских мишеней в легкогазовой пушке были отобраны восемь образцов из сплава Д16 после естественного старения и восемь образцов из стали 38ХН3МФА в нормализованном состоянии [4]. Образцы представляли собой плоские полированные диски диаметром 52 мм и высотой 15 мм для образцов из дюралюминия и 5,68 мм для образцов из стали.

Расшифровка интерферограмм, полученных в результате испытаний, заключалась в построении на их основе профилей скорости свободной поверхности мишеней.

Графический анализ полученных профилей скорости свободной поверхности мишени позволил определить следующие величины: и^ - скорость свободной

поверхности, иНЕЬ - скорость на пределе упругости Гюгонио, Дt - время задержки между упругим и пластическим фронтом волны.

е, %

Рис. 3. Динамическая диаграмма ударного нагружения для сплава Д16

е, %

Рис. 4. Динамическая диаграмма ударного нагружения для стали 38ХН3МФА

Используя значения этих величин, а также значения плотности р и скорости распространения упругих продольных волн с1 для исследуемых материалов,

производились вычисления продольных напряжений а (1) и деформаций е (2). По полученным значениям продольных напряжений и деформаций строились динамические диаграммы ударного нагружения сплава Д16 (рис. 3) и легированной стали 38ХН3МФА (рис. 4). Графический анализ диаграмм нагружения позволил получить динамический предел текучести Ув образцов каждого из материалов, который соответствовал 0,2% пластической деформации образцов.

В результате проведенных динамических испытаний, последующего графического анализа профилей скоростей свободной поверхности образцов и построенных на их основе динамических диаграмм получены следующие значения динамического предела текучести: для сплава Д16 - 0,93 ГПа, для легированной конструкционной стали 38ХН3МФА - 2,75 Гпа.

На основе проведенных исследований сделаны следующие выводы:

• использованный метод ударного нагружения плоских мишеней позволяет по результатам испытаний построить динамическую диаграмму нагружения и исследовать зависимость а(е), которая является важной характеристикой динамических свойств материала;

• проведенные экспериментальные испытания дали возможность впервые получить численные значения динамического предела текучести для алюминиевого сплава Д16 и легированной конструкционной стали 38ХН3МФА. Значения Ув, полученные в результате динамических испытаний, превышают значения статических пределов текучести, что физически оправдано;

• метод ударного нагружения плоских мишеней в легкогазовой пушке целесообразно применять при изучении динамических характеристик новых материалов при их комплексном исследовании, а также для сопоставления результатов динамических испытаний с результатами микроструктурных исследований;

• экспериментальные испытания с применением метода плоских мишеней носят комплексный характер, что отражает современные тенденции исследования материалов.

Литература

1. Глушак Б.Л., Куропатенко В.Ф., Новиков С.А.. Исследование прочности материалов при динамических нагрузках. Новосибирск: Наука, 1992.

2. Динамика удара: Пер. с англ. / Зукас Дж.А., Николас Т., Свифт Х.В. и др. М.: Мир, 1985.

3. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е.. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. М.: Янус-К, 1996.

4. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990.

5. Мещеряков Ю.И., Атрошенко С.А., Баличева Т.В., Диваков А.К., Петров Ю.А. Некристаллографические структурные уровни локализации динамического деформирования и разрушения материалов. Ленинград, 1989 (препринт / Ленинградский филиал Института машиноведения имени А.А. Благонравова АН СССР)

6. Мещеряков Ю.И., Диваков А.К.. Интерференционный метод регистрации скоростной неоднородности частиц в упруго-пластических волнах нагрузки в твердых телах. Ленинград, 1989 (препринт / Ленинградский филиал Института машиноведения имени А. А. Благонравова АН СССР)

7. Степанов Г.В.. Упруго-пластическое деформирование материалов под действием импульсных нагрузок. К.: Наукова думка, 1979.