Исследование и разработка методов определения характеристик сопротивления разрушению материалов при локальном высокоскоростном деформировании в условиях низких температур тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Российская Академия наук

Сибирское отделение Якутский научный центр Институт физико-технических проблем Севера '

На правах рукописи

Семенов Христофор Николаевич

УДК 539.4

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Якутск - 1992

Работа выполнена в Институте физико-технических проблем Севера Якутского научного центра Сибирского отделения Российской Академии наук.

Научный руководитель - член-корреспокдент РАН, доктор технических наук, профессор Ларионов В.П. Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Мали-

нин Н.И.

- кандидат физико-математических наук Сав-винов A.C.

Ведущая организация - Институт машиноведения им. академика

А.А.Едагонравова

час. на заседании специализированного совета К.003.43.01 в Институте физико-технических проблем Севера ЯНЦ Сибирского отделения РАН по адресу: 677891, г.Якутск, ул. Октябрьская, I.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института-физико-технических проблем Севера ЯНЦ СО РАН.

Защита диссертации состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного Совета, к. т. н., с. н. с.

ilßJiQ-L^ Н. П. Болотина

" ) ' ОЩЛЛ ХАРЛ1СТЕРИСТШ РАБОТЫ

и

..актуальность проблемы. Основной причиной преждевременного ^хрупкЬго разрушения элементов конструкций, эксплуатирующихся соотуелЬвяях Севера}является лавинообразный рост трещин, развивающихся от первоначальных дефектов безопасных размеров (согласно нормам технического контроля). Существенная роль колебательных процессов в росте трещин до критических размеров, возникающих при реальных нагрузках и. действующих самостоятельно' или в сочетании с другими случайными импульсными факторами не вызывает соменения. В связи с этим, актуально исследование зарождения и распространения трещин в конструкциях испытывающих различные динамические перегрузки на фоне номинальных рабочих нагрузок и низких температур с учетом динамики процессов.

Цель работы состоит в исследовании особенностей развития фронта быстрой трещины в различных условиях нагружения и температуры испытания. Для достижения намеченной цели сформулированы следующие задачи:

- разработать экспериментальный метод динамической механики разрушения и стенд, позволяющий определить кинетические характеристики фронта трещины на различных стадиях ее развития;

- выявить характерные особенности страгивания трещин в условиях комбинированного нагругг.ения образцов " растяжение -„удар.....

расклинипанием" и "ударный изгиб";

- исследовать и сформулировать локалыша критерии разрушения при страгивании трещины; •

Научная новизна. Разработан и реализован новый способ высокоскоростного фотографирования быстропротекающих процессов, сочетающий конструктивные особенности высокоскоростных фотокамер с оптико-механической коммутацией изображения и позволяющий регистрировать скорость и направление развития фронта трещины.

Разработана экспериментальная методика исследования развития быстрой трещины в модельных прозрачных образцах при различных напряженно-деформированных состояниях и пониженных температурах криокамеры,.отличающаяся от существующих (динамическая фотоупругость, метод каустик и проецирование.на фокальную плоскость) тем, что процесс развития фронта трещины фиксируется по

\

зеркальной, матовой и перьевой зонам, & также по толщине испытываемого образца.

Разработан экспериментальный стенд имеющий систему синхронизации нагружения,регистрации. - - ~ развития быстрых трещин, в режиме реального времени на различных формах образцов и схемах приложения нагрузок.

Разработана номограмма, позволяющая определить распределение средних скоростей фронта трещины по пути её распространения}

- осуществлен расчет локальных разрушающих напряжений в вершине начального концентратора на основе допущений механики раз- . рушения; ^

- оценены предельные скорости страгивания магистральной трещины и скорость отрыва ядра в упруго-деформированной области на основе математических моделей Моношкова и Гилмана.

Практическая ценность работы состоит в.создании оптического метода высокоскоростной съемки, в котором на единой технической методологической основе объединены методы каустики, фотоупругости и проецирования на фокальную плоскость. Метод ло-воляет исследовать процессы, протекающие в материале перед вершиной до её страгивания. .

Методология исследований и достоверность научных положений

В предлагаемом методе высокоскоростного, фотографирования реализована оригинальная схема оптической съемки, исключающая влияние коэффициента оптического искажения линзы имеющейся в известных оптических методах измерений скорости трещины. Использование оптического способа синхронизации запуска фоторегистратора позволило детально исследовать процесс страгивания трещины.

На защиту выносятся: ~

- метод и результаты измерения' средней скорости распространён ния фронта трещины, номограммная техника определения распределения средних скоростей распространения трещины;

- экспериментальное доказательство существования кристаллического следа разрушения между вершиной начального надреза и "зеркальной" зоной;

- экспериментальное доказательство существования времени задержки страгивания трещины в (сериалах типа оргстекла при определенных условиях напряженно-деформированного состояния (ЦЦС) й температурах.

Апробация работы. Основные-положения диссертации были доложены на У1 Всесоюзной конференции "Физика разрушения" (Киев, 26-28 сентября 1989 г.)» на 14-й Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропро-текающих процессов" (Москва, ноябрь 1989 г.); на Международной конференции "Зарождение и рост трещины в,металлах и в керамике -роль структуры и окружающей среды" (Болгария, Варна, июль 1991 г.)» на всесовзной научно-технической {сонференции "Живучесть и безопасность конструкций технических систем" (г.Красноярск, октябрь • 1991 г.); на Всесовзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография^ фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (г.Москва, декабрь 1991 г.); на выставке "Сибирский прибор" СО АН СССР (г. Якутск, 1990 г.).

Публикации. Результаты выполненных по теме диссертации исследований опубликованы в 6-ти научных публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, , четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований. Содержание работы изложено на 206 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

В первой главе изложен аналитический литературный обзор. ___

теоретических и экспериментальной? работ по определению предельных скоростей распространения трещин в конструкционных материалах. Анализ показал, что предельные скорости распространения трещин зависят от упругих постоянных материалов. В теоретических , исследованиях предельные скорости трещин вычислявтся на основе решений полученных для бесконечных и полубесконечных упругих тел. Для случая распространения трещины в ограниченных по размерам образцах предельная скорость трещины меньше, чем в бесконечных и полубесконечных телах. Скорость трещины в образце помимо упругих параметров материала зависит от геометрии образца, размера трещины, температура тела, вида напряженно-деформированного состояния (НДС). На остове анализа экспериментальных методов динамической механики разрушения, сформулированы задачи диссертационной работы.

В главе П дано описание разработанного экспериментального стенда для динамических испытаний материалов в частности для исследования

- б -

развития фронта и распространения быстрых трещин в условиях комбинированного нагружения растяжение-удар расклиниванием, трехточечным сосредоточенным импульсным ударным изгибом образцов с одним боковым надрезом в условиях комнатной и пониженных температур криокамеры. Описан способ синхронизации запуска.нагружающей магнитно-импульсной установки и сверхскоростной фотокамеры для фотографирования распространения и развития фронта быстрых трещин. Изложены разработанные автором способы высокоскоростного фотографирования движущейся трещины,- учитывающие характерные конструктивные особенности высокоскоростных фотокамер с' оптико-механической коммутацией изображения. ' ' ■ В главе Ш приведены экспериментальные данные по физико-механическим свойствам оргстекла (полиметилметакрилата), скоростям упругих волн и предельным скоростям распространения трещины. Разработаны методики исследования динамики импульсного нагружения образца;с-У-образным односторонним надрезом методом фотоупругости. Описана экспериментальная методика определения предельной скорости разрушения образца с ОБК при трехточечном сосредоточенном импульсном ударном изгибе.

В 1У главе описаны экспериментальные исследования влияния" номинальных напряжений растяжения на скорость разрушения образцов с ОБН. Установлены характерные зоны разрушения ("зеркальная", "матовая" и "перьевая"), разработаны методики'определения пре-дельнрй критической длины при страгизании трещины, определения локальных разрушающих напряжений в вершине начального концентратора при неустойчивом распространении трещины в условиях растяжение-удар расклиниванием. Изучено влияние низкой температуры на ско"-ростные характеристики разрушения.

Испытательный стенд для исследования быстропротекающих про-1 цессов и методы высокис^остного фотографирования. Необходимость проведения испытаний со скоростями деформирования от нескольких метров в секунду до сотен тысяч метров в секунду привела к созданию целого ряда специальных методов возбуждения усилий и разработке новых средств получения информации. В данной работе для получения импульсных нагрузок различной энергии осуществляется взаимодействие электромаг-'тных полей. При этом удовлетворяются следующие требования:

- стабильность и воспроизводимость заданных параметров на-

гружения;

- широкий диапазон регулируемых скоростей активного органа;

- возможность проведения испытаний в'условиях низких температур*

- компактность конструкции.

Силовая часть стенда позволяет развивать при растяжении'усилия до 20 кН, ударный трехточечный изгиб осуществляется бойком о анергией удара в диапазоне 5,65 х 10~3 + 13,5 х Ю_2Дж.

Принципиальная схема стенда, предназначенного для комбинированного нагружения (растяжение-удар расклиниванием} образцов с одним бокозым надрезом приведена на рис. I. Растягивающая нагрузка передается на образец с помощью винтового • механизма, приводимого в движение через червячную передачу. Инициирование начала разрушения осуществляется посредством ударника, изготовленного из электропроводящего материала. Ударник приобретает строго калиброванную энергию под воздействием импульсного электромагнитного поля, возбуждаемого специально сконструированным магнитно-импульсным индуктором. На динамометр наклеены тензометричесг.ие датчики, соединенные по мостовой схеме и включенные на вход прибора СИИТ-3. Силовая ось нагружающего устройства направлена по горизонтали. Испытываемый образец устанавливается в специальных захватах и зажимается винтовым устройством с целью предотвращения

изгибающего момента, возникающего при комбинированном нагружении---

растяжение-удар, а также для создания жесткости а системе образец -нагружающее устройство. Правильность установки образца контролируется через оптическую систему фотокамеры с высокой точностью. Охлаждение образца проводится внутри кркокамеры парами азота о принудительной вентиляцией для стабилизации температурного поля в криокамере. Температура охлаждения контролируется термопарами ХН^ ¡подключенными к прибору Ф 316/2.

При ¡проведении .-эксперимента с пульта управления зарядкой конденрак^ров '('$?&) ;аклпив§рся .выпрямительное устройство В, проводился зарядка накопительны» ловденсаторов Сн по однополуперио-дной асеме выпрямления <ясрогр ,рр ^шифрованному времени. За 1015 «екунд др -конц^ зарядки конденсаторов Сн вклошеяея мотор фотокамеры О^Р-З,, ¡а гпо $рсда»ении заданной скорости «ращения развертывающего аеркада -на разрядник

К подается высоковольтный инициирующий электрический импульс от пульта управления СФР-1. При этом происходит ионизация межэлектрое-дного промежутка разряднк а К, батарея накопительных конденсаторов Сн разряжается на индуктор И^ вследствие чего происходит разгон ударника и тем самым производится импульсное расклинивание па. У -образному надрезу предварительно растянутого образца. Страгивание и распространение магистральной трещина фотографируется высокоскоростной фотокамерой СФР-1, направленной под углом 20° * 45° к плоскости исследуемого образца.

Разрядник К, выполняющий функцию устройства управления синхронизацией запуска магнитно-импульсной уст ановки испытательного стенда, СФР-1 и импульсных источников света позволяет реализовать бесконтактное магнитно-оптическое управление синхронным запуском измерительно-контрольных приборов. Для импульсного осзещения процесса разрушения испытываемого образца используется импульсный источник света управляющий электрод которого электрически

связан со светочувствительным датчиком ФСК-2, установленным против отверстия (диафрагмы) в корпусе индуктора Ин. Поскольку начало страгивания трещины зависит от величины силы давления ударника на У- образный надрез, которая диктуется формой нарастания амплитуды и длительности импульсного тока,-протекающего через индуктор Ин, то воспроизводимость силы давления ударника контролирует- . ся осциллографированием амплитуды и длительности импульсного тока, проходящего через индуктор Ин, с помощью пояса Роговского и осциллографа С9-17. При анализе электрических и мез&ических параметров разрушения исследуемого, образца в качестве начального мог- ■ мента отсчета времени используется начало вспышки импульсной поде ветки, что упрощает достаточно сложный процесс увязки быстро^ протекающих процессов нагружения и быстрого распространения трещины во времени без дополнительных электронных устройств.

Главная особенность разработанного экспериментального стенда дня динамических испытаний материалов - простота синхронизации запуска всего комплекса аппаратуры без применения сложных электронных схем. Осуществлен.единый технический и методологический подход по практическому применению экспериментальных методов в динамической механике разрушения, обобщающий методы динамической фотоупругости, каустик, фотоупругих покрытий, а также метод проецирования на фокальную плоскость стационарного фотодетектора.

Номограмма распредления средних скоростей «трещин по длине пути распространения. Направленное развитие фронта магистральной трещины и конструктивные, особенности фотокамеры с оптико-механичэс'оП коммутацией изображения позволили достаточно точно определить координаты вершины трещины в условиях больших смещений изображения фронта трещины по направлению вращения развертывающего зеркала фотокамеры при съемках со сменными оптическими насадками. На этой основе'разработана ноь^рамма построения графика зависимости средней скорости трещины от длины пути распространения по трем координатам: скорости, времени и по-длине пути (рис.2). По этой номограмме имея, например, две точки на лучах I и П, и проведя биссектрису через точку В можно получить проекцию точки С на оси абсцисс, т.е. точку Д. Расстояние АД дает усредненное значение длины участка зеркальной зоны. Номограмма позволяет определить усредненное значение протяженности зеркальной зоны страгивания трещины.

Локальный критерий надрыва ядра в упруго-деформированной области вершины концентратора.Энергетическое условие Гриффитса-есть условие неустойчивого равновесия трещины в теле, находящимся под действием нагрузки. По этому условию, чтобы заставить трещину расти, напряжение 6"0.< необходимо увеличить (бесконечно мало) до некоторого значения &сг • Анализ фрактограмм излома образцов разрушенных в условиях комбинированного нагру-" жония растяжение-удар расклиниванием и трехточечного сосредоточенного изгиба импульсной нагрузкой показал, что наблюдается кристаллический след разрушения между вершиной начального надреза и "зеркальной" зоной с протяженностью 0,12 * 0,25 мм в среднем. В условиях внецентренного статического растяжения образца с ОБН надрыв ядра имел сложный характер. Кристаллический след разрушения завершается сферическим фронтом, который резко вццеляется очертанием границ сферы." Далее "зеркальная" зона продолжается до "матовой" зоны. Рзамер сложного следа разрушения составлял в среднем I мм при толщине образца 5 мм.

"Ядро" упруго-деформированной области, показан на рис. 3 в виде окружности с центром в вершине начального концентратора (с радиусом р * 0,1 мм). Отрыв ядра упруго-деформированной области начинается с самопроизвольного распространения трещины за счет освобождения упругой энергии, накопленной в мал-

ой области при вершине начального концентратора. Самопроизвольное распространение трещины ограничивается зеркальной зоной. По протяженности этой зоны можно оценить величину упругой энергии деформации или величину прочности надрыва ядра упруго-деформи-рованой области. С учетом изложенного выше ■ Кс и 0 « 0. Далее, при "£<>= « 0,15 мм и £ия »1 мм, локальная прочность надрыва ядра упруго-деформированной области в вершине начального концентратора:

ст

_ Кс —. к^ ...

^ уяг |етсг (1)

ст Кс _ _ к Г_

ь" ~гшг г^щг - .

где в"н.я - —прочность надрыва ядра в вершине начального концентратора в условиях комбинированного нагрукения растяжение-удар расклиниванием; 6£я - прочность в условиях'внецентрен-ного статического растяжения образца с ОШ. Степень локализации напряжений яри импульсном расклинивании

о

(3)

«СТ ^и.я

Таким образом, получены экспериментальные значения: б£в = «.23$кГ/*м«, = 0,479«Г/„„г,

Скорость зарождения нестабильной трещины в локальной области вершины концентратора. Согласно Моношкову, скорость распространения трещины

- V =—Ь_- с (4)

Уу Ь + г

где: % - протяженность области концентрации напряжений; Ь - протяженность упруго-нагруженной области. Сомножитель Ь/И+г отражает влияние упругих свойств материала через соотношение размеров упруго-деформированных частей в малой облает., вершины трещины. Поэтому его можно представить следующим образом:

ЫГ I' , тогда

Л/г = г

Стр

На рис. 4. представлена расчетная кривая зависимости скорости стра-гивания трещины от длины зеркальной зоны или от толщины испытываемого материала, описываемая формулой (б).

Время задержки до страгивания трещины. Надрыв."ядра" упруго-деформированной области, который оставляет за собой кристаллический след разрушения, служит признаком квазихрупкого разрушения по типу I.

Кривые зависимости времени задержки от величины уровня растягивающих нагрузок (Р) й эдергии расклинивания при температурных условиях испытания: + 20 С, -40°С и -90°С представлены на рис. 5 а,б,в. Установлено; что с увеличением ¡энергии расклинивающего удара и уровня растягивающей нагрузки время задержки страгивания трещины уменьшается, ото же наблюдается й при понижении температуры испытания. Чувствительность материала образца

к разрушению заметно увеличивается с понижением температур м-ис--

питания, особенно при низких уровнях величины предварительных нагрузок растяжения и энергии импульсного расклинивания. Увеличение нагрузки растяжения при низком уровне анергии расклиниванием стабилизирует задержку магистральной трещины, которое при понижении : температуры испытания заметно уменьшаемся, сохраняя постоянство во времени. Увеличение энергии удара расклинивания при температуре испытания -40°С приводит к постоянству величины времени задержки.

Таким образом, установлено, что с понижением температуры испытания чувствительность материала образца к страгиванию магистральной трещины заметно увеличивается при низких анергиях импульсного расклинивания.

Коэффициенты интенсивности напряжений, соответствующие инициировании трещины, определялись для комбинированного нагружения растяжение-удар расклиниванием и для трехточечного импульсного ударного испытания изгибом. Динамический коэффициент интенсив-, ности напряжений, соответствующий инициированию трещины из вф-

гДе ¿тР= 10+

шины начального концентратора с учетом инерционных эффектов,» вычисляется по скорости надрыва ядра Унс^ в малой области вершины Начального концентратора в условиях статического внецентренного растяжения образца с ОЩ

Для комбинированного нагружения растяжения-удар расклиниванием образца с ОБН - по скорости надрыва ядра у,°я в малой области вершины начального концентратора

. (к^-^-ф-)* "> .

При трехточечном импульсном ударном :изгибе образца с ОБН -по предельной постоянной скорости распространения магистральной трещины УпР

'<в>

На рис. б представлена зависимость коэффициента интенсивнрс-ти напряжений от скорости трещин, вычисленных по соотношениям (б), (7), (8).

вывода .

1. Разработан экспериментальный метод, позволяющий определить движение фронта трещины'по зонам: "зеркальная", "матовая" и "перьевая" в условиях динамического распространения трещины.

2. Разработан и изготовлен стенд дня исследования быстропро-текающих процессов .(быстрых трещин) в модельных образцах из поли- • мерных прозрачных материалов (в том числе фотоупругих) в сложных условиях нагружения и температуры испытания.

3. Разработана номограмма распределения средних скоростей распространения трещины, ¡£твслш$ая$

- построить зависимости средней скорости трещины от длины пути распространения (по ширине образца);

- графически определить усредненное значение величины зеркальной зоны при страгиванкл трещины.

4. Обнаружено существование кристаллического следа разрушь ния в области вершины концентратора, позволяющего:

1 --определить локальные критерии разрушения (надрыва ядра) » условиях комбинированного нагрукения растяжение-удар расклиним нием и статического нагружения растяжением;

- строить зависимость динамического коэффициента интенсив ности напряжений при страгивании трепшны от скорости трещины.

5. Установлено существование времени задержки начала стра -гивания трещины в материалах типа оргстекла в определенных уело виях НДС и температуры.

6. Установлено существование корреляции между изменением скорости трещины по длине пути и положениями "зеркальной", "матовой" и "перьевой" зон разрушения на поверхности излома в оргстек ле полиметилметаг.крилат.

7. Установлена эмпирическая зависимость скорости страгива-ния трещины и ограниченной "зеркальной" зоны, при допущении, что критический коэффициент интенсивности напряжения - постоянная характеристика для данной конструкции материала образца.

8. Осуществлен расчет критических напряжений разрушения в зависимости от критической длины страгивания трещины, ограниченной "зеркальной" зоной, при допущении, что критический коэффициент интенсивности напряжения - постоянная характеристика для

данной конструкции материала образца.

Разработанный экспериментальный метод применяется в ИФТПС СО РАН для исследования процессов разрушения конструкционных материалов в различных условиях нагружения и температуры.

Основные результаты выполненной работы отражены в следующих публикациях:

' ' I. Семенов Х.Н., Ларионов В.П., Лыглаев A.B. Методика фотографирования быстрых трещин при комбинированном нагружении растяжение-удар. - Тезисы докл. У1 Всесоюзной конференции "Физика разрушения", Киев, 26-28 сентября 1989. С.309-310.

2. Семенов Х.Н., Ларионов В.П., Лыглаев A.B. Высокоскоростное фотографирование, распространения и остановки быстрых трещи:-1. - Тезисы докл. 14-й Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстро-протекающих процессов". - М.НПО ВНИИОФИ. - С. 173.

3. A.C. № I462I53 от 19.05.86 г. Магнитно-импульсная уста-

ноька для динамических испытаний материалов В.П.Ларионов, A.B. Лыглаев, Х.Н.Семенов, Н.В.Мыревв, ИФТПС, г. Якутск.

4. К.Н.Семенов, А.В.Ддолаев, В.П.Ларионов, Магнитно-импульсная установка для динамических испытаний и методика комбинированного нагружения расгяжелке-удар //Технология и свойства материалов техники Севера: Сборник научных трудов. - Якутск: ЯНЦ СО

АН СССР, 1990 г. - С. 14-26, ''

5. Х.Н.Семенов, А.В.йыгдлее, В.П.Ларионов. Исследование динамики развития быстрой трещины методом высокоскоростной фотографии. - Тезисы докл. 15-й Всесоюзной научно-технической конференции' "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быс-тропротекающих процессов": - М.НПО ВНИИОФИ. - С.107.

6. Х.Н.Семенов. Способы высокоскоростного фотографирования бысгропротекающих процессов //Информационный листок о научно-техническом достижении № 91-09. - Якутский центр научно технической информации, 1991 г.

Рис.1. Схема экспериментального стенда

- 1Ь-

Утр, */с

Рио.2, Номограша распределения средних скоростей трещин по длине цути распространения

Рис.З. Схема расклинивание ударным бойком.

- радиус концентратора, - радиус ядра упруго-деформированной области.

240

200 160 120

^,-925--go

40

и

/

Иг

"J

ЩГ)

0,13

1

I !

it,

мм

Рис.4. Зависимость скорости стрвгивания трвцйад от длины зеркальной зоны.

Рис.5. Кривые зависимости времени задержки от величина уровня растягивающих нагрузок и анергии расклинивания при различных температурах испытания.

Рис.б. Зависимость динамического коэффициента интенсивности« напряжений о* скорости трещин» при« сграгивании.