Экспериментальные исследования прочности твердых тел при субмикросекундных нагружениях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

российская академия наук

институт проблем машиноведения

На правах рукописи

никитин ОРЙИ борисович

экспериментальные исследования прочности ТВЕРДЫХ тел при сувникросекундшх нагрухеьиях

/

диссертации ж соискание ученой степени кандидата йвзико - математически:-: наук

Саикг - Петербург 195 3

Работа выполнена в Санкг - Петербургской государственном университете.

Научный руководитель - кандидат Физнко - математических наук,

стакзик паучник сотрудник В. В. Судьекков.

официальные овпонекты: доктор Физика - математических наук.

зав. лаб, физики разрушения йПИА® РАН е. К. Нешеряков;

доктор -Физико - натеиатачееккх наук, ведущий научный сотрудник фтк им. к. Ф. Иоффе РАН Г. С. Пугачев.

Ведущая организация - Омский государственный университет.

Зашита состоится 2i> Xwic^iA. 199^ года /3часов на заседании специализированного совета дгоо. 17. 01 в институте проблем иапииоаедения Ран по адресу: 13917В. санкт - Петербург, Е. О. , Большой проспект. &1.

с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ^¿¡¿¿ч/pi 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совета

- ^—j

" V-i.^x.-.-«:^

, В. П. ГЛИЕИН

- э ■

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМИ. В настояиее время исследования ударно-еолноеых процессов з тверлнх телах закииаат все &опее значительное несто в механике деформируемых срея. Успехи в этой области тесно связан« с запросами современной промышленности: с применением импульсного кагрузения во многих технологических процессах (обработка металлов давлением, Формовка листов, упрочнение и Резание заготовок;, с добыче? полезных ископаемых, с сепсморазаэдкой и т. а.

К нзстояпему времени установлено, что структурные изменения в материалах при удг.ряом нагрухенпи в значительной степени зависят от их исходной структуры ¡наличия дефектов и их плотнсти. иикротрепигн. размера зерна в поликристаллах и т. д. >. Поэтому исследования, направленные па изучение влияния исходной структуры материалов на параметры ударно-волновых процессов и на их свойства после нагрухения, могут создать возможности для получения необходимых свойств при использовании импульсного нагрухения. Однако, к настоящему времени, основной объем исследовании изменения структуры материалов при их пластическом деформировании отностися к квазистатическому диапазону нагрузок и ударный нагружениям с длительностью > ю'( с.

Особый интерес в последнее время приобретает исследования распространения субмикросекундньгх золн напряжений в материалах в связи с тем. что при таких длительностях импульсов напряжений размеры области нагруяения становятся сравнимыми с характерными размерами дефектной структуры материалов.

ЦЕЛЬ РАВОТН. Целью настояшей работы лвлял>сь следующее: - разработка и усовершенствование методик измерения параметров субмикросекуядных импульсов напряжении, создаваемых лазер-

- и -

кым излучением;

- экспериментальные исследования влияния структуры на распространение упругие и упругопластических золн напряжения суб-микросеклшной длительности в металлах;

- разработка методов исследования ударно-волновых процессов в условиях статического нагружения материалов;

- экспериментальное изучение влияния статического нагружения на распространение упругих к везгпругих волн нагруженкя субникро-секунднон длительности в нетаялах с разной структурой;

- разработка методики генерации ударных нагрузок сложной Формы;

- экспериментальное исследование .откола в шелочногалоидкых кристаллах при воздействии импульсов нагружения с у бккк.рс секундной длительности.

ИЕТОДША ДОСЛЕДОВАНИЯ. В работе был использован озтико- акустический нетод генерации иилульсов нагрукения субиикросекукдной длительности. Регистрация профилей импульсов давления на свободной поверхности образцов осуществлялась пьезокерамическиии датчиками, либо лазерным дифференциальным интерферометром.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Результаты проведениях исследований показали значительное отличие зависимостей параметров ударного .упрочнения от структуры металлов ери субмшросекунднон капруаекии от' аналогичных зависимостей наблюдаемый при ударных нагрузках длительно--6

стыо более 10 с. это определяется отличием вклада различных механизмов пластического течения в провдсс -упрочнения металлов при субшкросекундных и традияиошшх длительностях ударного наг-ружения.

в процессе исследований разработана методика оценки вклада ротаций зерен в пластическую деформацию металлов при субмикро-секушшом нагрухении и показан существенный вклад роташга в

пластическое течение.

Разработана методика измерения затухания упругих и неулругих волн нагружешя а образцах металлов, находящихся в напряженном состоянии. Проведенные по этой методике исследования позволили проследить влияние различных структурных механизмов микроплас-тиздости и определить пороговые значения напряжения их включения.

впервые была разработана простая и оригинальная методика генерации ударных нагрузок в виде последовательности субмикросе-кундных импульсов сжатия, либо сжатая - растяжения. Были проведены исследования разрушения монокристаллов наС1 при воздействии таких икпулъсов. фрактографические исследования позволили обнаружить хорошую корреляцию распределения микроотколов в исследуемых кристаллах с временными профилями нагружаших импульсов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Предложенные в работе методики позволяют:

- обнаруживать структурные изменения в металлах как в ненапряженном, так и в напряженном состоянии, что делает возможным их использование для, нераэрупгашего контроля материалов и изделии;

- разработать методы и приборы для эффективного диспергирования материалов (нзпример гэрнш пород, минеральных отложений и т. д.».

АЛРОНАШ1Я работы. Результата диссертааиокнои работы обсуждались на XI всесовзнсй акустической конференции <1991г.). на семинаре кафедры теории упругости СПСГУ (1992г.). на семинаре лаборатории сизики разрушения ИЯМАЯ РАН (1993г. >. на семинаре -афедрь; ->ТТ Омсксго госунчвгрситота ; 1993г. !. на семинаре лзбо-.-атуг-;й! л^-'пн,:ти ям А.-г. ИО$г ?аЯ ::99'г.

ПУБЛИКАЦИИ, основные результаты диссертационной работе опубликованы в б работах, список которых приведен в конце реферата.

структура к ОБЪЕК РАБОТЫ, диссертация состоит из введения, четырех глав, заключнеия и списка литературы, содержащего гоо наименований. Обшай обьек работы составляет 4 23 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется и обосновывается цель работы, описываются основные ее результаты, структура и краткое содержание.

Глава 1 лосвяшена обзору современного состояния проблем высокоскоростного деформирования твердых тел и описанию современных экспериментальная методов исследования ударно-волновых процессов в материалам

Приводятся краткий обзор теоретических моделей, используемых для описания динамического поведения материалов при высокоскоростном деформировании ударом в широкой диапазоне нагрузок.

В главе 2 описываются экспериментальные установки для'измерения параметров ударных волн в твердых телах.

В разделе г. 1 представлены функциональные схемы установок для исследования акустических свойств образцов находящихся как в ненапряженном состоянии, так и в состоянии одноосного растяжения.

В разделе г. 2 представлена, функциональная схема установки длл исследования распространения ношных ударных волн в твердых телах. Показана схена лазернбго дифференциального интерферометра со стабилизацией длины плеча задержки,' которьш использовался для регистрации временного профиля скорости свободной поверхности образца. Приведена электрическая принципиальная схема стабилиза-

нип плеча задержки пртррФерометра.

3 разделе Р.. 3 описывается иетсоика получения образцов металлов с разная структурой. Различная структура образцов ал:омшше-зого сплава Д1 б, ггелегз О, Ззр и никеля ш создавалась вакуумкл! отжигом з диапазоне температур 50 - юсо5с (иатервгл 50 - юо°С5. Приводятся значения ппкротвердостп и размера зерна у образцов отола»яйнх ПРИ расшх температурах.

В третей глазе представлена результата исследований влияния

структуры металлов на пропесс распространения- в них субмикро-

-2

секундных волн напряжения (длительность гашульса */ 7 ю с).

в разделе 3.I содержатся результата экспериментов по упругону иагружгнмо металлов (давление нагружения р ~ 0,01 МЛа). По разработанной методике, позволяющей одновременно регистрировать временные профили эхо-импульсов, многократно прошедших через образец, определялся козФФипиент затухания упругих импульсов в оеразяа.ч с разной структурой, приводятся; зависимости коэффициента затухания от температура отжига материалов.. Анализ приведенных зависимостей поззолил отметать- следующие, характерные яля всех иследуемых материалов особенности'.

- наличке минимума затухания в области протекания процессов возврата ¡Т < 200°С), что определяется уменьшением остаточных напряжений и упорядочением дислокационной структуры в результата отжига;

- увеличение затухания упругих золн в области вторичной рек-

а <1

ристаллкзаиии (Т > зоо с для Д1& и т > воо с для о. 32Р и нп, которое обусловлено увеличением вклада рассеяния с ростом размера зерна, т. е. когда размер зерна становится соизмеримым с размером области импульсного зозиутзгеяия.

3 разделе 3. г. сздеггагся результаты исследования мнения структуры нз распространение упрзтсаяастичееюпг вояк язпрягеяия

в металла:', величина давления кг нагружаемой поверхности образ-па была гоооипа. с помопыс пьезокерамического датчика, либо интерферометра измерялась величина к Форма импульса давления на границе образец - датчик, одновременно измерялось время прохождения импульса через толешну образна, форма регистрируемых профилей импульсов достаточно четко продемонстрировала их автхв&я-новой характер; профили состоят из лидирующего- упругого ареаге-стника и следующего за ним пластического фрокга. водке.

Определялись: динамический предел Гюгояио б^г. и упрочнение поверхности образцов в зоне ударного нагружекия &.Н"(Н-Нс)/ца где Но - никротвердость до удара. И - после удара, представлены зависимости динамического предела Гюгонио (рис. з> и поверхностного упрочнения (рис. ¿) образцов от размера зерна, на рис. 1 для сравнения пунктирными линиями показаны результаты статических испытаний образцов на растяжение. По результатам исследований были также построены динамические диаграммы

(Ту. г., И |Ь

дН, %

-1-,-и

О 0,{ 0,1 0} а г,пт ь О

-г

а.1 0,1 о^ (1гт

Рас. 1.

Р ми

Анализ приведенных зависимостей показал, что при суьмикрс, кундяом нагрухении не выполняется известное соотношение Холла -

Петча. Зависимости динамического предела Гюгснио и упрочнения поверхности от размера зерна иосит" противоположная характер г, сравнению со статическими испытаниями И Динамическими исследс ваниями при больших ( > ю"6с) длительностях нагрузок.

Обнаруженные различия позволили сделать предположение. чтс при субмикросекуштом нагрузсеняя. незначительно превышающем п дел упругости Гкгошто. т. е. 3 случае малости коэффициента раз множения дислокация, основной вклад 8' пластическое течение вн сят ротации зерен. Была разработана яетодяка для оценки вклад ротапии в пластическое течение. Расчеты, проведенные по этой методике, подтвердили справедливость выдвинутого предположены

Основной вклад в упрочнение при больших размерах зерна, по видимому, вносит образование и увеличение обьеявой плотности двоиников.

В разделе 3. 3 представлена результата исследования влияния статического напряжения н"аг распространение упругий я неупруги волн нагрудения в металлах: с разной структурой. Определялось затухание упругих и кеупРУгях (давление нагруа^ния п'орядка дм мического предела гюгонио) вйлн нагруяеии» б образцах находятся в состоянии оянооского растяжения. Ив Р((С. 3 гГРедсгавлены з. аисиности. затухания упругжг вол» от относгятелтыгой деформации для образцов никеля- Н1 при разная температура? отзига. На это! хе рисунке показаны статические1 диаграмма <Г- С (пунктирная линия I. из приведенных завис икостей' зидйо, что наибольшее изм! нение затухания происходит в области перехода от упругих дефо) мадий к пластическим. Зависимости, аналогичные представлено« } рис.3. были получены и для образцов алюминиевого сплава Д18 и железа О, ЗЖР.

>ТППч

,г

г ос, Сс ■5 мое

л

. - 5ьс

ч гео

500

- 1150

2С£>

;

С £

С

к/

Рис.3.

Также представлены экспериментально полученные зависимости затухания неупругих волн нагрулсення субмикросекундкой длительности ог температурь; стхига и статического напряжения для тех материалоз. Отличительной особенность» затухания ноупругих волн является наксимальное затухание при статическом напряжении .

ростом СГсг происходит значительное снижение коэффициента за-гух.тних при есрх температурах отжига.

Различие в затухании упругих и неупругих воли кагрухения в металлах мехно объяснить действием различных механизмов релаксации капрчхе.чии. Это предположение подтверждается наличием мак-гкмуу.з затухания неунругих волн в оьразиах с минимальным размером :<?рна. С ростом статического напряжения происходит •замораживание* к<?зз?р?нких механизмов ччхгог^длстичности. что проявляет-.-ч в еккхеник гатгхаккя не упругих волн. таким оьразск одно-Еогаепстзд? статических и дйкаиичесюа нагрузок поз-"взгнаг^ат** ¿.«■пстрир одних структурных »ровней яе^орма-

шш и "включать" другие, такие исследования дадут возможность определений характерных времен релаксаций тех или иных .структурных уровней деформации.

В разделе г. 4 приводятся результаты исследований возможностей применения оптико - акустического эффекта в дефектоскопии материалов. определялись скорость и затухание звука в снльнопоглоша-ютих материалах (пористое железо, фторопласт). Традиционными ултразвукоЕЫИя методами провести такие измерения не удавалось из-за сильного поглощения ультразвука, оптико - акустический метод позволил также зарегистрировать изменения скорости и затухания звука в облети максимальных напряжений, возникающих в условиях циклического нагружения,турбинной лопатки.

В главе 4 представлены результаты исследований разрушения монокристаллов НаС1 при воздействии субмикросекуидикх импульсов нагрухениа сложной Формц.

В разделе ч-. 1 приводится краткий обзор современного состояния исследований разрушения твердых тел при высокоскоростном ударном нагружении.

В разделе 4.2 представлены результаты экспериментальных исследований динамического откола в монокристаллах !!аС1. Описана разработанная методика генерации ударных нагрузок в виде последовательности субмикросекундных импульсов сжатия, либо сжатия -растяжения. Генерация таких импульсов осуществлялась воздействием импульса лазерного излучения на многослойный генератор ударной нагрузки с различным соотнопеиием механических инпеданссв Образцы находились с акустическом контакте с генератором с пометь» интерферометра регистрировались граненные пюФили с.чорос-ти свободной поверхности образца.

Анализ при помощи x - г диаграмм и данные фрактсграфическ;:* исследований позволили обнаружить хоропус- корреляций расщ-еае-

ления микроотколов в исследуемых образцах с временными профилям? нагружающих импульсов. На рис. 4 показаны: X - t диагранма разрушения образца нас! (а), фрактограмма (6) и профили нагрузки в се ¿ниях разрушения te) для случая пульсирующей нагрузки.

Результаты исследований показали снижение порога разрушения кристаллов Nac¡ при сложной Форме импульса нагружения. что. по-видимому. обусловлено возникновением в плоскости откола знакопеременной циклическом нагрузки.

данные фрактографических исследований формы микроотколов показали. что при пульсируюшеи нагрузке трешина продвигается только во время Фаз сжатия. а при знакопеременной нагрузке движение продолжается и во время Фаз растяжения. По-видимому. уменьшение длительности циклов и увеличение скорости нагрузки в случае знакопеременного нагружения приводит к изменению соотношения времен нагружения и релаксации локальных внутренних напряжении и, в следствии этого, к квазирезонансному механизму раэ^ вития микротрешин.

- i3 -

i, HC

s

t,MKM 800 боа 4Ш

:t 4 . ft "al i * г i Л 'if,'? 'V. f О-Чл-Х

^ ¡i h¿ «¿гмц тф.

Iii ltL ,4 fb ..Jf»

jt /j* • dy -iu

6, ¡Illa

i

csu.í

t , но

V

t, ЙС

m

p'ac. ü.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Проведены систематические исследования влияния сгркутуры сплава Д1&, железа о. зхр и никеля Н1 па процесс распространения упругих и упругопласгкческнх субмикросекундных волк напряжения.

г. Показано, что вклад различных, механизмов в пластическое течение сушестзенко отличает области тгадишюннкх ударно-волко-внх исследовании и область субмикросекунднык нагр/жений..

3. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования процесса распространения с/бмикросекунсных волн напряжения в образцах, находящихся в напряженном состоянии. Установлено. что наиболее значительные изменения затухания упругих импульсов субмикросекундноп длительности происходят при статически:!: напряжениях соответствующих области перехода от упругих д^'Юрмацик к пластическим.

4. Исследован лроаесс сткольного разрушения в монокристаллах Мае 1 при субмикросекундном ударном нагружекии импульсами сложной формы. Установлено, что пространственное распределение мик-гоотколез коррелирует с формой нагружающего импульса.

Обнаружено снижение порога разрешения кристаллов КаСЦ при суоммкросекундном ударном нагрухении при возникновении е сечениях разрушения знакопеременной нагрузки.

о. Обнаружен з«Фект квазирезонансного неханюиа развития микг отрешин.

иодерхакие диссертации нашло отражение в следующих публикациях автора:

!. нжсвткн Ю. В. . Орлова С. а. . Судьенков ¡0. в. исследование гозно-тлостен сптоакустической десектсскспии материалов. -X! Всесоюзя. акустическая конференция, доклада, секи. 'л Москва, 199!. - С. 15 - 16.

г. Орлова' с. А. . Никитин в. Б. Олтоакустический метод исследования акустических свойств в сильнсиоглсиактих материалах. // зестник лгнингр. ун-та. - 1990.- сер. i.n 22, - с. 99 -101.

3. Никитин ю. Б. , судьенкоз Ю. В. Исследование влияния пластической деформации на затухание упругих волн з железе и сплаве Д1б.// весииик е. - Петербург, ун-та, - 1992.- сер. 1. N 1. с. из - Цб.

Чг, судьекков ю, в., Никитин ю, Б.. Орлова с. а. оптико-акусти-чееккй эффект в исследованиях структуры и дефектоскопии твердых тел.// Дефектоскопия. - 1992.- н 12,- с. 24 - зо.

5. Никитин ¡0. б. , судьонков ¡0. в. Множественный квазипериодический откол в Н&С1 при пульсирующей и знакопеременной ударных нагрузках. // Письма в ЖТФ. - 1 993. - Т. 19. вып. 12. -С. 50 - 65.

5, Никитин р. Б., судьенков ю. в. экспериментальные исследования влияния структуры на распространение упругопластических волч напряжения 8 металлах при субникросекундном наг-рухении. // Письма з ЖТФ. - 1993. - т. 19. Вып. 12. - с. 69 - 72.