Влияние температуры и полиморфных превращений на откольное разрушение металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

В в е д е н и е.

Глава 1. Деформирование и разрушение твёрдых тел в ударных волнах.

1.1 Уравнения одномерного движения сжимаемых сред.

1.2 Структура волн сжатия и разрежения в упругопластическом теле и в среде с фазовыми превращениями.

1.3 Откольное разрушение твёрдых тел.

1.4 Методы измерения откольной прочности.

Глава 2. Методы генерации ударных волн и регистрации параметров состояния.

Введение.

2.1 Взрывные генераторы динамических давлений.

2.2 Лазерный допплеровский измеритель скорости движения свободных и контактных поверхностей образцов.

Глава 3. Влияние температуры на сопротивление динамическому деформированию и разрушению металлов.

3.1 Обзор литературы.

3.2 Высокоскоростное деформирование и разрушение алюминия и магния при повышенных температурах.

3.3 Высокоскоростное деформирование и разрушение монокристаллов цинка при повышенных температурах.

Глава 4. Влияние термообработки и полиморфного превращения на сопротивление динамическому разрушению стали.

4.1 Обзор литературы.

4.2 Влияние термообработки и полиморфного превращения в ударной волне на сопротивление динамическому разрушению стали 40Х.

Глава 5. Одномерное моделирование откольного разрушения металлов в широком диапазоне температур и длительности нагружения.

5.1 Обзор моделей.

5.2 Модель влияния температуры на сопротивление динамическому разрушению металлов.

5.3 Определяющее соотношение пластического течения.

5.4 Кинетика вязкого разрушения металлов.

5.5 Динамическое разупрочнение.

5.6 Одномерное моделирование откола.

Интенсивные импульсные воздействия на вещество - взрыв, высокоскоростной удар, мощные потоки лазерного и корпускулярного излучения, широко используются в последнее время как для решения прикладных задач, так и для изучения свойств вещества при высоких давлениях, температурах и скоростях деформирования. Одним из результатов импульсного воздействия на материал является его динамическое разрушение-откол. Исследования откольных явлений активно ведутся с 50-х годов и были главным образом направлены на решение прикладных задач оценки и прогнозирования ресурса конструкций при ударных нагрузках. В настоящее время информация о процессе и определяющих факторах динамического разрушения, которое происходит при кратковременных (~10~5 с и менее) воздействиях, находит применение в физике твёрдого тела, физике прочности и метериаловедении, а также при численном моделировании импульсных воздействий.

Известно, что прочность материалов в статических условиях сильно зависит от как от микроструктуры, так и от условий нагружения (температура, скорость деформирования и т.д.). В условиях интенсивных импульсных воздействий материал перед разрушением испытывает сжатие в ударной волне, которое сопровождается его необратимым разогревом и, в некоторых случаях, перестройкой кристаллической структуры. Следовательно, для прогнозирования динамического разрушения необходимо знать влияние этих факторов на прочность материала. Несмотря на то, что отколу посвящено достаточно много работ, имеется крайне мало надёжных и систематических данных о влиянии свойств материала и условий нагружения на сопротивление динамическому разрушению.

Таким образом, актуальность исследований сопротивления материалов высокоскоростному деформированию и разрушению при ударно-волновом нагружении определяется потребностью в экспериментальных сведениях о прочностных и упру-гопластических свойствах материалов.

Предметом диссертации является исследование влияния температуры, скорости деформирования, исходной структуры материала и его полиморфных превращений в ударной волне на сопротивление динамическому деформированию и разрушению.

Метод исследований основан на непрерывной регистрации скорости движения свободной поверхности образца лазерным допплеровским интерферометром при нагружении последнего импульсами сжатия различной интенсивности и длительности. Образцы перед нагружением подвергались нагреву или термообработки. Информация о динамике и параметрах изучаемых явлений извлекалась из анализа волновых профилей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Способ регистрации волновых профилей в предварительно нагретых образцах во взрывном эксперименте.

2. Результаты исследования влияния температуры и длительности нагружения на процесс откольного разрушения сплавов АД1, Мг95 и монокристалла цинка.

3. Результаты исследования влияния термообработки и полиморфного превращения на сопротивление откольному разрушению конструкционной стали 40Х.

4. Механизм потери прочности вблизи плавления.

5. Определяющие кинетические соотношения для вязкого разрушения металлов в широком диапазоне начальных температур и длительностей воздействия.

6. Результаты одномерного моделирования откольного разрушения.

Новизна полученных результатов.

Предложен способ регистрации профилей скорости свободной поверхности предварительно нагретых образцов во взрывных экспериментах. С использованием этого метода показано, что откольная прочность поликристаллических образцов алюминия, магния и монокристалла цинка различной ориентации практически не зависит от начальной температуры в широком диапазоне и резко уменьшается вблизи температуры плавления.

Впервые экспериментально наблюдали рост предела текучести поликристаллических алюминия и магния с ростом температуры.

Экспериментально подтверждено предположение о переходе механизма пластического деформирования от термофлуктуационного к атермическому.

Показано, что предварительная термообработка и полиморфное превращение материала в ударной волне могут оказывать заметное влияние на откольную прочность металлов.

Предложен механизм потери прочности металлов при высоких температурах, связанный с локальным разогревом и плавлением материала вблизи растущих не-сплошностей.

Получены определяющие кинетические соотношения вязкого разрушения, описывающие экспериментальную зависимость откольной прочности материала от скорости деформирования в разгрузочной части импульса сжатия и температуры в широком диапазоне изменения параметров.

Практическая и теоретическая ценность работы. Полученные в работе экспериментальные данные по влиянию температуры, длительности и интенсивности нагружения, а также термообработки и полиморфного превращения в ударных волнах сопротивление деформированию и откольному разрушению могут быть использованы для построения определяющих соотношений для расчёта реакции материалов и реальных конструкций на импульсные воздействия.

Экспериментальная информация о прочностных и упругопластических свойствах металлов сопротивлении металлов в широком диапазоне параметров нагрузки и начального состояния необходима для развития физики твёрдого тела, физики прочности и пластичности в области высоких скоростей деформирования.

Полученные на основе предложенного механизма потери прочности при высоких температурах определяющие кинетические соотношения для вязкого разрушения могут быть использованы при 2-х и 3-х мерном моделировании импульсного воздействия на конструкции в широком диапазоне начальных температур и длительностей нагрузки.

Основные результаты работы опубликованы в [115,123,148,163,172] и докладывались на Международной конференции «Новые модели и численное моделирование ударно-волновых процессов в конденсированных средах» (Санкт-Петербург, 1995 г.), Международной конференции «Нестабильность материалов при механическом на-гружении» (Санкт-Петербург, 1996 г.), Международной конференции «Ударные волны в конденсированных средах» (Санкт-Петербург, 1996 г.), XI Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1996 г.), Международном симпозиуме «Ударные волны в конденсированных средах» (Амхерст, США, 1997г.), XIII Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (п. Терскол, 1998 г.), а также на семинарах и конкурсах научных работ ИПХФ РАН.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, в котором приведены основные результаты и выводы, списка цитированной литерату

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан способ регистрации волновых профилей лазерным интерферометром в предварительно нагретых образцах во взрывном эксперименте.

2. Экспериментально установлено, что откольная прочность алюминия АД1, магния Мг95 и монокристаллических образцов цинка двух ориентаций не зависит от температуры до 0.7-0.85Тп. Вблизи температуры плавления прочность алюминия уменьшается до величины близкой к нулю, тогда как прочность монокристаллических образцов цинка уменьшается на 30-50%.

3. Экспериментально установлено, что с увеличением температуры амплитуда упругой волны сжатия в цинке не меняется и увеличивается в алюминии и магнии вблизи плавления.

4. Предложен механизм разупрочнения металлов вблизи температуры плавления, в основе которого лежит предположение о локальном разогреве и плавлении материала. Численное моделирование показало, что эта модель описывает экспериментальные зависимости откольной прочности от температуры и скорости деформирования в широком диапазоне изменения параметров.

5. Экспериментально установлено, что вызванные твердофазными превращениями в результате термообработки и полиморфного перехода в ударной волне изменения микроструктуры увеличивают откольную прочность стали 40Х.

Таким образом, на основании результатов работы следует вывод, что температура и микроструктура материала являются важными факторами, влияющими на процесс динамического разрушения.

1. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука. 1966.

2. Баум Ф.А.,Орленко JI.П.,Станюкович К.П.,Челышев В.П.,Шехтер Б.И. Физика взрыва. М.: Наука, 1975.

3. Райхарт Дж. С.,Пирсон Дж. Поведение материалов при импульсных нагрузках. М. Ил. 1958.

4. Кальдирола П., Кнопфель Г. Физика высоких плотностей энергии. М.: Мир. 1974.

5. Степанов Г.В. Упруго-пластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении. Киев. Наукова думка. 1991.

6. Кормер С.Б. // УФН. 1968 . Т.94 № 4. С.640.

7. Г.И.Канель, В.Е.Фортов. // Успехи механики. 1987. Т.10. № 3. С.З.

8. Годунов С.К. Элементы механики сплошной среды. М.: Наука, 1978.

9. Ландау Л.Д.,Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.6. Гидродинамика. М.: Наука. 1986.

10. Курант Р.,Фридрихе К. Сверхзвуковое течение и ударные волны. М.: Иностр. лит. 1950.

11. Высокоскоростные явления. Ред. Р. Кинслоу М.: Мир. 1953.

12. Бушман A.B., Фортов В.Е. // УФН. 1983. Т. 140. № 2. С. 177.

13. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа. 1968.

14. Нигматулин Р.И., Холин H.H. // Изв. АН СССР. Механика тв.тела. 1974. №4. С. 131.

15. Meyers М.А., Aimone С.Т. // Progress in Material Science. 1983. V.28. P.l.

16. Платова T.M., Макаров П.В., Скрипняк B.A. // ФГВ. 1983. №5.

17. Альтшулер Л.В. // ПМТФ. 1978. № 4. С.93.

18. Duvall G.E., Graham R.A. // Rev.Modern Phys. 1977. V.49. № 3. P.523.

19. Иванов А.Г., Новиков С.А. //ЖЭТФ. 1961. Т.40. № 6. С. 1880.

20. Bancroft D., Peterson E.L., Minshall S.J. // J.Appl.Phys. 1956. V.27. № 3. P.291.

21. Balchan A., Drickamer H.G. // J.Rev.Scient.Inst. 1961. V.32. № 3, P.308.

22. Johnson P.C., Stein B.A., Davis R.S. // J.Appl.Phys. 1962. V.33. № 2. P.557.

23. Clendenen R.L., Driskamer H.G. // J.Phys.Chem.Solids. 1964.V.25. № 8. P.865.

24. Ананьин A.B., Дремин A.H., Канель Г.И. // ФГВ. 1981. № 3. С.93.

25. Зильберштейн В.А., Эстрин Э.И. ФММ. 1971. № 2. С.436.

26. А.Р. Jephcoat, H.K. Мао, and P.M. Bell. // J. Geophys.Resear. 1986. V.91. N.B5. P.4677.

27. Barker L.H., Hollenbach R.E. // J.Appl.Phys. 1974. V.45. № 11. P.4872

28. Эпштейн Г.H. Строение металлов, деформированных взрывом. М.: Металл. 1980.

29. Дерибас A.A. Физика упрочнения и сварки взрывом. Новосибирск. Наука. 1980.

30. Bertholf L.D., Buxton L.D., Thorne В J. et.al. // J.Appl. Phys. 1975. V.46. № 9. P.3776.

31. Сугак С.Г., Канель Г.И., Фортов B.E. и др. // ФГВ. 1983. № 2. С.121.

32. Альтшулер Л.В. // УФН. 1965. Т.85. №2. С.197.

33. Ахмадеев Н.Х. Динамическое разрушение твердых тел в волнах напряжений. Уфа. 1988. 168 С.

34. Голубев В.К. Прочность и разрушение материалов при интенсивных динамических нагрузках. 4.1. Металлы и сплавы. 4.2. Неметаллические материалы. (Обзор). ЦНИИатоминформ. 1989.

35. Канель Г.И., Разоренов C.B., Уткин A.B., Фортов В.Е. Ударноволновые явления в конденсированных средах. М.: Янус-К. 1996.

36. Hopkinson В. // Proc.Roy.Soc. 1914. V.213A. Р.437.

37. Reinhart J.S. //J.Appl.Phys. 1951. V.22. №9. Р.1178.

38. O'Brein J.L. Response of metals to high velocity deformation. N-Y London. 1960. P.371.

39. McQueen R.G.,Marsh S.P. // J.Appl.Phys. 1962. V.33. № 2. P.654.

40. Breed B.R., Mader C.L., Venable D. // J.Appl.Phys. 1967. V.38. № 8. P.327.

41. Smith J.H. // ASTM Spec.Tech.Publ. 1962. № 336. P.264.

42. Голубев B.K.,Новиков С.А., Соболев Ю.С., Юкина H.A. // ПМТФ. 1982. № 6. С.108.

43. Curran D.R., Seaman L., ShockeyD.A. // Phys. Reports, 1987, V.147. № 5-6. P.253.

44. Мещеряков Ю.И., Атрошенко C.A., Баличева T.B. и др. Некристаллографические структурные уровни локализации динамического деформирования и разрушения материалов. Ленинградский филиал института машиноведения АН СССР. Препринт №24. 1989.

45. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Макаров П.В. и др. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Т.1. Новосибирск: Наука. 1995.

46. Альтшулер Л.В., Новиков С.А., Дивнов И.И. // ДАН СССР. 1966. Т. 166. №1 С.67.

47. Рыбаков А.П., Ментешев Е.В., Шавков В.П. // ФГВ. 1968. №1. С. 126.

48. Ментешев Е.В., Ратников В.П., Рыбаков А.П. и др. // ФГВ. 1967. №2. С.286.

49. Степанов Г.В. Поведение конструкционных материалов в упругопластических волнах нагрузки. Киев: Наукова думка, 1978.

50. Erlich D.C., Wooten D.C., Crewdson R.C. // J.Appl.Phys. 1971. V.42. № 13, P.5495.

51. Романченко В.И., Степанов Г.В. // ПМТФ. 1980. №4. С.141.

52. Романченко В.И., Степанов Г.В., Амельянович К.К., Соболев Е.В. // Проблемы прочности. 1978. №6. С. 102.

53. Канель Г.И., Уткин A.B. // ПМТФ. 1991. № 4. С.23.

54. Мержиевский Л.А.,Титов В.М.,Фадеенко Ю.И., Швецов Г.А. // ФГВ. 1987. №5. С.77.

55. Леконт К. Высокоскоростное метание. / В сб. Физика быстропротекающих процес56