книги / Характеристики прочности и пластичности конструкционных материалов при высоких скоростях деформации

Х АР А К ТЕ Р И С ТИ К И ПРОЧНОСТИ И П ЛАСТИ Ч Н О СТИ КОНСТРУКЦИОННЫ Х М А ТЕ Р И АЛ О В

ПРИ ВЫСОКИХ С К О Р О С ТЯ Х ДЕФОРМ АЦИИ

(методы испытаний)

Г.П. Степпнов

П р е п р и н т

КИЕВ - 1П78

го Может быть принято однородным). Тикам мошцом оириделены прочностные и деформационные характеристики ма­ териалов в большинстве проведенных до настоящего време­ ни исследований, в основном, при испытаниях на одноосной растяжение или сжатие.

Имеющиеся в литературе результаты квазиститическпх испытаний! как правило, ограничены скоростями деформи­ рования до 10 м/сек /7.1^7. Область более высоких ск о ­ ростей, особенно при испытаниях на растяжение, обеспечи­ вающих получение наиболее полной информации о поведении

.материала под нагрузкой, практически не исследована. Ограниченные результаты исследований при скорости дефор­

метре и других элементах цепи нагружения, ведущих к на­ рушению однородности деформирования и омиоосностн на­ пряженного состояния по объему рабочей час ти образца н искаженной регистрации кривой деформирования.'В связи с этим проведение кваэистлтических испытаний с высокими скоростями деформирования требует разработки специаль­ ных методов.

Ограничение допустимой скорости деформирования при квазистатических испытаниях, связанное с возможным на­ рушением однородности деформации, обусловило поиск новых методов поотроеннп динамической кривой деформирования по результатам исследования дроцесса неоднородного де­ формирования материала, чаще всего при распространении

упругопластической волны в стержнях /20 7 . Необходимость применения для анализа процесса деформировании теории распространении упругопластических воля и априорной мо­ дели материала является основной причиной ограниченных возможностей таких исследований. Кроме того, высокая скорость деформаций имеет место только- в начальный мо­ мент распростанения волны в области материала, приле­ гающей к нагружаемому торцу стержня /"2.4/, где эффек­

ты радиальной инерции существенно нарушают одипосность. напряженного состояния.

Л

Ограниченную информацию о влиянии скорости на сопро­ тивление деформации (обычно на предел текучести) дает

ходимая для построения уравнений состояния и оценки проч­ ностных и деформационных характеристик материалов, в на - стоящее время может быть получена только по результатам квазистатических испытаний с регистрацией полной кривой деформирования.

В настоящей работе изложены разработанные в Институте проблем прочности АН УССР теоретические основы квазистатических испытаний с высокими скоростями дефор­ мирования, специальные методики таких испытаний и их ана­ лиз на основе экспериментальных исследований. Учитывая влияние режима нагружения на механическое поведение ма­ териала под нагрузкой, приведен общий анализ связи процес­ сов нагружения и деформирований и ее конкретное представле­ ние для металлических конструкционных материалов.

Данные методические указания по обобщению результа­ тов испытаний будут полезны специалистам в области ис­ следования механического поведения конструкционных ма­ териалов, которые Предназначены для изготовления элемен­ тов конструкций, подверженных действию импульсных нагру­ зок.

Автор будет признателен всем Читателям за поправки, замечания и дополнения Ло содержанию работы

5

Г л а в а 1

ДЕФОРМИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛА ПРИ ОДНООСНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

1.1 Функциональная связь процессов нагружения и деформирования конструкционных материалов

При растяжении или сжатии стержневых элементов с однородной'деформацией по их длине кривая деформирова­ ния материала Q ( £ ) определяется реализуемым в про­ цессе испытания законом изменения во времени напряжения или деформации ( (Г ( V ) или £ ( Т ) соответственно)- параметра испытания, задаваемого испытате.льной машиной, т.е, функциональной связью [7.AJ

£(rj -l{o (rJ] „т вег) - L '[£ < # 1 и , . )

Сопротивление материала деформации определяется его начальным состоянием, реализуемым параметром испытания И выбором момента измерения t или связанной с ним ве­ личины деформации ё (напряжения (Т ), что приводит к эквивалентным зависимостям

Параметр испытания, характеризующий процесс нагру­ жения, аналитически можно представить в виде разложения в степенной ряд в окрестности -произвольной точки t# (предпола. ается существование производных в этой точке)

6

Задание начальной деформации £ ( О ) при Т = О дает дополнительную зависимость коэффициентов разложения

с использованием которой любой из коэффициентов разло­ жения может быть определен через начальную деформацию и, следовательно, исключен в выражениях для сопротивле­

7

£

i - —г* , поверхности деформирования

(1 .4 )

При произвольном параметре испытания старшие произ­ водные £ О (при Я >• 1) и нет оснований ожидать, что результаты испытаний всегда соответствуют поверхности (1 .4 ), построенной по экспериментальным результатам, по­ лученным при постоянной скорости деформации, т.е. при другой истории нагружения. Последняя, как показано, опре­ деляется не только первой, но также и с таршими производ­ ными по времени параметра испытания.

При произвольном Параметре испытания уравнение (1 .4 ,а) .можио принять за уравнение состояния материала,

если его сопротивление деформации однозначно опреде-яет - ся только' мгновенными значениями величины и скорости деформации в момент^ измерения и не зависит от процесса нагружения, в котором достигнуто такое состояние. Заме­ тим, что если для материала справедливо уравнение состоя­ ния Бьда (1 .4 ,а), то два пути нагружения, приводящие к одной и той же величине и скорости деформации (в различ­ ные моменты времени), приведут к одной и Той же величи­ не сопротивления. Следовательно,, при этом не может вы­ полняться уравнение состояния вида (1 .4,6) ил» (1 .4 ,в), в которые явно входит время нагружения.

На основании имеющихся в литературе данных [f l 1,257 можно сделать вывод о том, Что повышенная скорость Де­ формации сопровождается большим* упрочнением материала1 при одной и той же степени Деформации-. Следовательно, уравнение состояния вида (1 .4 ,а)может быть йспользойа-

•но для описания поведения материала поднагрузкой' только при ограниченном отклонении режима нагружения от тою, который, был использован для построения зависимости в виде (1 .4 ,а).

При произвольном законе Нагружения уравнения (1 .4 ,б) и (1 .4 ,в) справедливы для материала, сопротивление Де­ формации которою не зависит явно от скорости и величины

8

H ypnnilCIIIISl ( 1 .4), соответствуют повелению материала При режимах, близких к режимам испытании, и которых полу­ чены экспериментальные данные дли этих зависимостей. При различных режимах испытания .зависимости (J .5 ,6 ) исключают одна другую.

Связь напряжений и деформаций, определяемая первым выражением в (1 .5 ,6 ), преобразованная к виду

-■ $ ($ .£ * )■ >

обычно принимается как наиболее общее уравнение состоя­ ния материала при упруго-пластическом деформировании, что в соответствии с вышеизложенным справедливо только для материала, не чувствительного к истории нагружения. Такое уравнение состоянии предполагает, что мгновенная скорость пластической деформации определяется мгновен­ ными условиями нагружения, которые'характеризуются ве­ личиной напряжений и состоянием материала. Последнее определяется величиной пластической деформации независи­ мо от процесса ее накопления по времени.

Таким образом, проведение испытаний с целью опре­ деления сопротивления материала деформации при эксплуа­ тационном режиме нагружения требует обеспечения парамет­ ра испытания, соответствующего этому режиму. Построен­ ные по результатам испытаний трехмерные поверхности в пространство ( ( Г , £ * < f ) . { < $ , € • £ ) или ( (5*,

£ , t ) надежно характеризуют поведение материала только в режиме нагружении, близком к реализованному, при испытаниях. Обобщение результатов испытаний чри различных режимах нагружения требует учета всей истории предшествующего нагружения, которая может быть опреде­ лена набором •рпизподных параметра испытания но времени.

10