Исследование материалов различной физической природы с использованием метода кольского и его модификаций тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ.

1.1. Нагружающие устройства.

1.2. Средства регистрации.

1.3. Методики динамических испытаний.

1.3.1. Копровые испытания.

1.3.2. Кулачковый пластометр.

1.3.3. Методика раздачи кольцевых образцов.

1.3.4. Метод Тейлора.

1.3.5. Метод Кольского и его модификации.

1.4. Результаты динамических испытаний материалов.

1.4.1 .Металлы и сплавы.

1.4.1.1 Армко-железо и стали.;.

1.4.1.2 Алюминий и его сплавы.

1.4.3. Горные породы.

1.4.5. Грунтовые среды.

1.5. Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. МЕТОД КОЛЬСКОГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРЕЗНОГО СТЕРЖНЯ ГОПКИНСОНА И ЕГО МОДИФИКАЦИИ.;.

2.1. Основные положения метода Кольского.

2.1.1. Математическая модель РСГ.

2.1.2. Вывод основных зависимостей метода Кольского.

2.2. Анализ применимости метода РСГ.

2.2.1. Анализ инерционных эффектов.

2.2.2. Анализ погрешностей регистрации волн деформации в стержнях.

2.2.3. Погрешности проведения эксперимента.

2.2.4. Точность построения динамической диаграммы.

2.3. Экспериментальная установка для высокоскоростного деформирования материалов

2.4. Модификации метода Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона

2.4.1. Модификация метода Кольского для исследования влияния истории изменения скорости деформации.

2.4.2. Модификация метода Кольского для исследования свойств малоплотных материалов при высокоскоростном циклическом деформировании.

2.4.3. Метод прямого удара.

2.5. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ РЯДА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ.

3.1. Армко-железо.

3.1.1. Армко-железо партии 1.

3.1.1.1. Исследование влияние скорости деформации и температуры на механические свойства.

3.1.1.2. Исследование влияния истории нагружения на механические свойства армко-железа.

3.1.2. Армко-железо партии 2.

3.1.2.1. Исследование влияние скорости деформации, историй ее изменения и температуры на механические свойства.;.

3.1.2.2 Исследование влияния ударно-волнового нагружения на механические свойства.

3.1.2.2а. Взрывное нагружение и подготовка образцов.

3.1.2.26. Результаты испытаний.

3.2. Исследование динамических свойств некоторых сталей.

3.2.1 Сталь 30ХГСА.

3.2.1.1 Влияние скорости деформации, истории ее изменения и температуры на механические свойства стали 30ХГСА.

3.2.1.2 Влияние предварительного ударно-волнового нагружения на механические свойства стали ЗОХГСА.

3.2.2 Стали 20и09Г2С.

3.3. Исследование динамических свойств алюминиевых сплавов АК-6, АМг-6, АД-1.

3.3.1. Влияние скорости деформации и температуры на механические свойства алюминиевых сплавов.

3.3.2. Исследования влияния истории нагружения на механические свойства алюминиевых сплавов.

3.5. Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ

ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ.

4.1. Исследование динамической сжимаемости грунтовых сред.

4.1.1. Модификация метода Кольского для динамических испытаний мягких грунтов

4.1.2. Анализ особенностей измерения динамических характеристик мягких грунтов

Ч, методом Кольского.

4.1.2.1. Выбор геометрии ограничивающей обоймы и длины образца.

4.1.2.2. Результаты численных расчетов.

4.1.2.3.Анализ эффектов трения.

4.1.3. Результаты испытаний песка.

4.1.4. Методика построения единой кривой динамической сжимаемости грунта.

4.2. Исследование динамических свойств некоторых горных пород.

4.2.1. Методы испытаний и образцы.

4.2.2. Результаты статических испытаний.

4.2.3. Результаты динамических испытаний.

4.2.3.1. Мрамор.

4.2.3.2. Гранит габбро-диабаз.

4.3. Исследование динамической сжимаемости древесины.

4.3.1. Испытуемые образцы.

4.3.2. Определение диаграмм деформирования древесины при различных углах ориентации волокон.

4.3.3. Зависимость прочности древесины от ориентации волокон и скорости деформации.".

4.4. Выводы к главе 4.

Одной из актуальных проблем экспериментальной механики деформируемого твердого тела является исследование закономерностей поведения материалов различной физической природы в широком диапазоне изменения температур, скоростей деформации и амплитуд нагрузок. Особое место в подобных исследованиях отводится вопросу влияния скорости деформации и истории ее изменения на физико-механические свойства материалов при скоростях деформации 102 -И О5 с"1. Этому вопросу посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Подробное изучение этого вопроса началось в работах Н.Н.Давиденкова, Д.Даффи, Р.Дэвиса, Ф.Ф.Витмана и Н.А.Златина, А.А.Ильюшина и В.СЛенского, Г.Тейлора, Г.Кольского, Д.Кэмпбелла, В.А.Степанова и др. К настоящему времени результаты систематических исследований процессов высокоскоростной деформации различных материалов представлены в работах К. Альбертини, A.M. Брагова, Р.Грея, В.Пруда, С.А.Новикова, Я.Клепачко, Д.Филда и др. Регулярно проводимые конференции и симпозиумы по высокоскоростной деформации (EURODYMAT и др.) свидетельствуют о том, что интерес к изучению поведения материалов при динамическом нагружении не снижается.

Однако в силу больших методических трудностей проведения высокоскоростных испытаний с одной стороны и появлением новых конструкционных материалов (керамики, наноструктурные материалы, материалы с эффектом памяти формы и т.д.) с другой, проблемы высокоскоростной деформации до сих пор остаются не решенными полностью.

В общем случае задача проектирования и расчета динамически нагруженных конструкций носит комплексный характер. Например, в последние годы решается проблема контейнерных перевозок различных радиоактивных, химических и взрывоопасных материалов. Одними из основных элементов контейнера являются жесткий стальной корпус и демпфирующая оболочка. В качестве материала демпфирующей оболочки контейнера могут быть использованы некоторые породы древесины. Для рационального проектирования контейнера в условиях ударного взаимодействия с деформируемой конструкцией, грунтом или другой средой необходимы данные о динамических свойствах целого ряда материалов. Аналогичная ситуация возникает при решении задач пробивания, проникания и пр.

В связи с этим разработка и обоснование методик динамических испытаний, создание экспериментальных комплексов и получение на их основе данных о механических свойствах широкого круга материалов: металлов и сплавов, грунтов и бетонов, горных пород и т.д. являются актуальными и необходимыми.

Диссертация посвящена решению задачи экспериментальной механики деформируемого твердого тела, связанной с исследованием процессов высокоскоростного деформирования и разрушения материалов различной физической природы, определением прочностных и деформационных характеристик и зависимости их от скорости деформации, температуры, истории нагружения. Для этого в работе в основном применен метод Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона (РСГ) и некоторые его модификации.

Цель работы состоит в развитии модификаций метода Кольского и исследовании на их основе влияния скорости деформации, истории ее изменения, температуры и амплитуд нагрузок на механические свойства материалов различной физической природы.

Научная новизна

Диссертационная работа посвящена развитию и обоснованию модификаций метода Кольского, исследованию динамических свойств материалов различной физической природы (металлы и их сплавы, грунты, древесина, горные породы) и установлению зависимости этих свойств от условий нагружения.

В этой связи:

- Создана модификация метода Кольского для испытаний малоплотных материалов при высокоскоростном циклическом деформировании.

- Проведены анализ и усовершенствование модификации метода Кольского для динамических испытаний грунтовых сред.

- Предложена и реализована методика построения единой кривой деформирования мягких грунтов в диапазоне давлений 0.01-2ГПа на основании модифицированного метода Кольского и метода плосковолнового эксперимента.

- Проведены динамические испытания, получены деформационные и прочностные характеристики, установлены основные закономерности высокоскоростного деформирования различных материалов, в том числе таких малоисследованных материалов, как горные породы, грунты, древесина при скоростях деформации ~103с"'.

Практическая ценность.

Результаты выполненных исследований в виде конкретных данных по динамическим свойствам используются при расчетах напряженно-деформированного состояния и прочности объектов новой техники, испытывающей интенсивные кратковременные воздействия. Полученные результаты используются в Федеральных Ядерных центрах: ВНИИЭФ, ВНИИТФ.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается выбором современных методов исследования динамических свойств материалов, их тщательным анализом с целью выявления основных эффектов, влияющих на полученные результаты, совпадением полученных в работе результатов с данными зарубежных и отечественных исследователей.

Основные положения, представляемые к защите:

1. Модификация метода Кольского для испытаний малоплотных материалов при высокоскоростном циклическом деформировании.

2. Анализ и развитие модификации метода Кольского для исследования динамической сжимаемости, сопротивления сдвигу и его зависимости от давления грунтовых сред и других малоплотных материалов.

3. Методика построения единой кривой деформирования мягких грунтов в диапазоне давлений 0.01-2ГПа.

4. Получение опытных данных по механическим свойствам материалов различной физической природы, в том числе таких малоисследованных материалов при скоростях деформации 102 * 104 с"1, горные породы, грунты, древесина.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.т.н. А.М.Брагову и научному консультанту к.т.н А.К. Ломунову за постоянное внимание и помощь в работе.

Также автор весьма признателен сотрудникам НИИ механики:

- кандидатам технических наук Л.Н.Крамареву и Е.Е.Русину, кандидату физико-математических наук В.В. Баландину, ведущему инженеру В.Б.Коробову за сотрудничество и помощь в работе,

- кандидату физико-математических наук ВЛ.Котову за помощь в расчетном обосновании методик испытаний,

- другим сотрудникам НИИ механики.

Автор благодарен сотруднику Федерального Ядерного центра ВНИЭФ к.т.н. А.П.Большакову за поддержку, ценные советы и замечания.

5. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведен анализ методов динамических испытаний, который показал, что наиболее теоретически обоснованными и простыми в реализации являются метод Кольского и его модификации, позволяющие получать динамические диаграммы деформирования широкого круга конструкционных материалов в диапазоне скоростей деформаций 102<ё<104с"1. Анализ результатов испытаний различных классов материалов показал, что имеются практически важные материалы, свойства которых при скоростях деформации -10 с' на сегодняшний день исследованы слабо. К таким материалам относятся грунтовые среды, горные породы, древесина и др.

2. Предложена и апробирована новая модификация метода Кольского, которая позволяет исследовать поведение малоплотных материалов при циклическом высокоскоростном деформ ировании.

3. С использованием метода Кольского и его модификаций проведено комплексное исследование влияния температуры, скорости деформации и истории ее изменения на механические свойства армко-железа, сталей 30ХГСА, 20, 09Г2С и алюминиевых сплавов АК-6, АМг-6 и АД-1. Отмечено значительное влияние температуры и скорости деформации на поведение материала. Для описания механических свойств материалов в диапазоне скоростей деформации 10^-104 с"1 и температур 293-593К определены параметры определяющих соотношений Зерелли-Армстронга и Джонсона-Кука.

4. Проведено исследование влияния на механические свойства армко-железа и стали 30ХГСА предварительного ударно-волнового нагружения в область а ~ е фазового превращения. Поведение материала в этой области характеризуется увеличением напряжения пластического течения более чем на 40% по отношению к исходной а-фазе. Отмечено, что в области а ~ е фазового превращения заметно снижается влияние скорости деформации на напряжение пластического течения. Как в области исходной а-фазы, так и в области а ~ z фазового превращения заметного влияние истории изменения скорости деформации на диаграммы деформирования не отмечено.

5. Проведен численно-экспериментальный анализ модифицированного метода Кольского для динамических испытаний мягких грунтов в упругой обойме. Показана однородность осевых и радиальных напряжений в образце, определена рациональная геометрия обоймы, отмечено влияние сил трения на получаемую динамическую диаграмму деформирования. Получены экспериментальные данные по динамической сжимаемости и определены зависимости сдвиговой прочности сухого песка от давления в диапазоне 50-500МПа при скоростях деформации ~103с"'. Отмечена независимость кривых деформирования от скорости деформации. Предложена и реализована методика построения единой кривой динамической сжимаемости грунта. Показана возможность использования двух взаимодополняющих методов (модифицированного метода Кольского и ударного плосковолнового эксперимента) для исследования сжимаемости грунтовых материалов в широком диапазоне нагрузок. Построены единые кривые динамической сжимаемости сухого песка в осях ox~sx и P~sx.

Получены динамические диаграммы деформирования двух сортов мрамора и гранита, а также зависимости прочностных свойств этих материалов от скорости нагружения при сжатии и раскалывании.

С использованием метода Кольского и его модификации для циклического деформирования малоплотных материалов получены динамические диаграммы деформирования секвойи и березы с различной ориентацией волокон по отношению к направлению нагружения. Построены зависимости предела прочности древесины от скорости деформации и угла ориентации волокон. Показано, что древесина обладает значительной демпфирующей способностью при деформациях значительно превышающих деформацию на пределе прочности. Отмечено существенное влияние вида напряженно-деформированного состояния на механические свойства древесины.

1. Альтшулер J1.B., Павловский М.Н. Исследования глины и глинистого сланца при сильных динамических воздействиях//ПМТФ.-1971.- N1.- С.171-176.

2. Баженов В.Г., Врагов A.M., Котов B.JI. и др. Анализ применимости модифицированного метода Кольского для динамических испытаний грунтовых сред в деформируемой обойме. // ПМТФ. 2000. Т. 41. № 3. С. 155-162.

3. Баландин В.В., Брагов A.M., Подгорнова Т.Д., Садырин А.И. Анализ процесса деформирования стержня при соударении его с жесткой преградой // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Всесоюзн. межвуз. сб., Горьк. ун-т, 1987, вып.36, С. 100-109.

4. Беллендир Э.Н., Клятченко В.Ф., Козачук А.И., Орлов А.В., Пугачев Г.С. Сопротивление разрушению горных пород при временах нагружения 102-10"6с // ФТПРПИ, №2,1991,с.46-49

5. Беллендир Э.Н., Пугачев Г.С., Синани А.Б. Прочностные свойства хрупких тел при разрушении волнами напряжений // Докл. IV. Всесоюз. совещания по детонации. -Телави, 1988

6. Беляев В.И. и др. Высокоскоростная деформация металлов. Минск: Наука и техника. 1976.

7. Богорад M.JI., Лошкарев М.А. Новый метод импульсных нагрузок для исследования динамической прочности полимерных материалов // Механика полимеров. 1966. -№ 1. - С. 139-142.

8. Большаков А.П., Балакшина М.А., Гердюков Н.Н. Зотов Е.В. и др. Демпфирующие свойства секвойи, березы, сосны и осины при ударном нагружении // ПМТФ, 2001, Т.42, №2, с.23-32

9. Большаков А.П., Новиков С.А., Синицын В.А. Исследование динамических диаграмм одноосного растяжения и сжатия меди и сплава АМгб // Пробл. прочности. 1979. - № 10. - С7 87-88.

10. Братов A.M., Гандурин В.П., Грушевский Г.М., Ломунов А.К. Методические особенности изучения динамической сжимаемости мягких грунтов в диапазоне давлений 0.05-1.5 ГПа // Химическая физика 1995, т. 14, N 2-3, с. 126-135

11. Брагов A.M., Гандурин В.П., Грушевский Г.М., Ломунов А.К. Новые возможности метода Кольского для исследования динамических свойств мягких грунтов // Прикладная механика и техническая физика, 1995, т.36, №3, с.179-186

12. Брагов A.M., Грушевский Г.М. Влияние влажности и гранулометрического состава на ударную сжимаемость песка// Письма в ЖТФ. 1993. т. 19. Вып. 12. С. 70-72

13. Брагов A.M., Ломунов А.К. Особенности построения диаграмм деформирования методом Кольского // Прикладные проблемы прочности и пластичности: Всесоюз. межвуз. сб. / Горьк. ун-т, Горький. -1984. -Вып.28., С.125-137

14. Брагов A.M., Ломунов А.К. Упругопластические свойства алюминиевого сплава АМгбМ при высоких скоростях деформации // ПМТФ. 1988. N 5. С. 168-171.

15. Брагов A.M., Ломунов А.К., Медведев А.А. Модификация метода Кольского для динамических циклических испытаний материалов И Прикладные проблемы прочности и пластичности: Всесоюз. межвуз. сб. /Горьк. ун-т, Горький. 1987, С.90-95.

16. Брагов A.M., Ломунов А.К., Сергеичев И.В. Модификация метода Кольского для исследования свойств малоплотных материалов при высокоскоростном циклическом деформировании // Прикладная механика и техническая физика, 2001, т.42, №6, с. 199-204

17. Быков JI.A. и др. Новый универсальный пластометр // Зав.лабор. 1966. - №9. - С. 1137-1139.

18. Бэлл Дж. Экспериментальная проверка квазистатической гипотезы в опыте на ССГ при помощи дифракционных решеток // Механика. 1968. - № 5. - С. 138-156.

19. Ващенко А.П., Степанов Г.В. Установки для исследования конструкционных материалов при высокоскоростном деформировании в широком диапазоне температур // Проблемы прочности. 1973. - № 12. С. 100-102.

20. Ващенко А.П., Степанов Г.В., Токарев В.М., Леонов В.П., Мотовилина Г.Д., Эглит А.С. Влияние скорости нагружения на механические свойства сталей разного уровня прочности И Проблемы прочности, N10,1989, с.42-48.

21. Викторов В.В., Бивин Ю.К., Чурсин А.С. Пневматическое устройство для скоростного метания тел //Прикладные проблемы прочности и пластичности: Всесоюз. межвуз. сб. / Горьк. ун-т. 1978. - Вып. 9. - С. 140-145

22. Викторов В.В., Шапиро Г.С. Об определении динамических диаграмм растяжения металлов при умеренно-высоких скоростях деформации // Механика твердого тела. -1968.-№2.-С. 184-187.

23. Витковский И. и др. Взрывающаяся проволочка - источник рентгеновского излучения // Электрический взрыв проводников. / Под ред. А.А.Рухадзе, И.С.Шпигель. - М.: Мир. - 1965. - С. 108-118.

24. Глушак Б.Л., Игнатова О.И., Пушков В.А., Новиков С.А., Гирин А.С., Синицын В.А. Динамическое деформирование сплава АМг-6 при нормальной и повышенной температурах // Прикладная механика и техническая физика, 2000, Т.41, №6, с.139-143

25. Головин Ю.И., Брусенцов Ю.А., Финкель В.М. Установка для получения волн напряжений с плоским фронтом // Зав. лабор. 1974. - Т. 40. - № 8. - С. 1081-1032.

26. Гольдерман М.А., Храбровицкая Е.Д., Молокова Л.Д. Установки для ударных испытаний материалов и конструкций: Обзорная информация // ЦНИИТЭИ приборостроения. М. - 1981. - ТС-7. - Вып. 1 - С. 1-44.

27. Гольдсмит В. Физическое исследование высокоскоростного деформирования металлов // Физика быстропротекающих процессов. -М.: Мир, 1971. Т. 2. - С. 69100.32.