книги / Скоростное деформирование конструкционных материалов

В. И. Майборода А.С. Кравчук Н.Н. Холин

СКОРОСТНОЕ

ДЕФОРМИРОВАНИЕ

КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Москва «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1986.

ББК 30.121 М14

УДК 539.3

Р е ц е н з е н т чл.-корр. АН СССР А. А. Поздеев

ВВЕДЕНИЕ

Создание надежных методов прочностных расчетов элементов конструкций, работающих в условиях кратковременных импульсных воздействий, больших скоростей деформации, высоких температур, интенсивного радиационного облучения и других сложных физико­ химических условиях — является весьма актуальной научно-техни­ ческой проблемой, для решения которой необходимы совместные усилия инженеров, механиков и физиков — специалистов в области механики и физики деформируемого твердого тела. Комплексный подход к созданию современных методов прочностных расчетов конструкций, работающих в экстремальных, или близких к экстре­ мальным, условиях, предполагает учет структурных изменений в материале, происходящих в процессе приложения внешних дина­ мических нагрузок, а также широкое использование ЭВМ для число­ вого моделирования механического поведения материалов. Поэтому большое внимание в настоящей монографии уделено анализу дина­ мических процессов в конструкционных материалах с общих термо­ динамических позиций и построению адекватных соотношений между напряжениями и деформациями на основе данных механических испытаний и структурных исследований. Результаты такого ком­ плексного исследования динамического поведения конструкционных материалов необходимы для создания обоснованных инженерных методов прочностных расчетов конструкций, работающих в сложных физико-химических условиях.

Неупругая деформация и разрушение являются основными фор­ мами реакции материала на внешнее динамическое воздействие, приводящими к релаксации внутренних напряжений. Конкретные формы реакции материала определяются характером изменения его структуры. К механизмам неупругой деформации и разрушения конструкционных металлических материалов следует отнести прежде всего скольжение дислокаций’и двойникование, образование и рост субзерен, образование, рост и коагуляция микропор и микротрещин. На макроскопическом уровне скольжение дислокаций приводит к необратимым пластическим сдвигам и образованию макротрещин. В поликристаллических агрегатах существенное влияние на реакцию

3

ностыо материала обычно понимается изменение диаграммы напря­ жение — деформация при изменении скорости деформации, которое в ряде случаев сопровождается наличием ярко выраженного пика текучести. Для низкоуглеродистой стали при увеличении скорости деформации предел текучести может увеличиться в 3—4 раза. Свой­ ство скоростной чувствительности металлических материалов суще­ ственно влияет на процесс динамического разрушения, в частности, на разрушение отколом. Следует отметить, что чувствительность к изменению скоростей деформации, в той или иной степени проявля­ ющаяся практически у всех конструкционных металлических мате­ риалов, существенно зависит от условий деформирования — скорости деформации, температуры, предварительной термообработки, ради­ ационного облучения и т. д. Так, например, высокочувствительная к изменениям скорости деформации низкоуглеродистая сталь при низких температурах (Т « 70 К) в значительной степени утрачивает это свойство.

В литературе, посвященной проблемам динамической пластич­ ности, термин «пластическая деформация» часто используется для обозначения неупругих деформаций, зависящих от масштаба вре­ мени t. Однако в теории пластичности этим термином обозначены остаточные деформации, не зависящие от масштаба времени. Авторы стремились к сохранению традиционного значения термина «пласти­ ческая деформация». Для обозначения неупругих деформаций, зависящих от масштаба времени, используется термин «вязкопласти­ ческие деформации».

В монографии развивается кинетический подход к описанию неупругого деформирования и разрушения металлов. В число опре­ деляющих параметров среды, входят некоторые кинетические (вну­ тренние) параметры, соответствующие структурным изменениям материала в результате деформации. Для металлов такими пара­ метрами могут быть компоненты тензора плотности дислокаций пи , объемное содержание фаз а, тензор поврежденности материала T ijf зернистость материала z и т. д. Изменения кинетических параметров

правая часть которых зависит от полной системы определяющих параметров среды. Для конкретизации вида зависимости необ­

ходимо использовать определенную информацию о физических свой­ ствах среды и ее структуре. В ряде случаев такая информация может отсутствовать в связи с трудностями измерений. Так обстоит дело с фазовыми переходами в металлах на фронтах сильных ударных волн. В этом случае используют подход, основанный на термодина­ мических представлениях и на использовании косвенных экспери­ ментальных данных, например, характерного времени фазовых переходов.

4

Влитературе имеется немало работ, посвященных различным аспектам механики скоростного деформирования конструкционных материалов. Многочисленные работы посвящены проблемам созда­ ния прогрессивных технологических процессов высокоскоростного деформирования — штамповка импульсным воздействием, упроч­ нения крупногабаритных изделий сложной формы, создание новых синтетических и композиционных материалов и т. д. Большой прак­ тический интерес представляют возможности использования явления сверхпластичности, наблюдаемого при наличии определенных микро­ структуры металлов и температурно-скоростных условий деформа­ ции. Ускоренными темпами развивается теория длительной проч­ ности конструкционных материалов.

Вработах, посвященных вопросам механики скоростного дефор­ мирования конструкционных материалов, одной из основных задач является математическое моделирование процесса на основе исполь­

зования адекватных определяющих уравнений механического по­ ведения среды и экспериментальных данных. Эта задача актуальна в связи с тем, что экспериментальные исследования скоростного деформирования материалов часто затруднены из-за отсутствия четкого понимания роли определяющих физических факторов в том или ином явлении, наблюдаемом в механическом эксперименте.

В настоящей книге на основе единого подхода изложены важные прикладные аспекты скоростного деформирования материалов. Боль­ шое внимание уделяется методам испытания металлов в широком диапазоне изменения скоростей деформации и получению данных

опластических и прочностных характеристиках.

Вгл. 1 описаны современные экспериментальные методы иссле­ дования механического поведения металлов при ударном воздей­ ствии. Особое внимание уделяется методу лазерной интерфероме­ трии, обладающему высокой разрешающей способностью во времени (10-° с). Этот метод широко используется для исследования разруше­ ния конструкционных материалов отколом по данным о движении

свободной поверхности мишени в результате взаимодействия с удар­ ной волной. Проводится анализ данных ударно-волновых экспери­ ментов.

Многочисленные практические приложения нашло явление ано­ мально высокого упрочнения металлов, претерпевающих фазовые переходы на фронтах сильных ударных волн (с давлением на фронте свыше 10 ГПа). Экспериментальные данные по фазовому упрочнению металлов приведены в п. 1.4.

В гл. 2 проводится сравнительный анализ определяющих соотно­ шений динамической пластичности, наиболее часто используемых для решения одноосных механических задач. Обстоятельный обзор по этому вопросу содержится в работе [21. Авторы этой работы отмечают, что волновую картину в стержне можно воспроизвести путем числового решения задач, используя определяющие соотноше­ ния разных типов. Однако это утверждение становится неверным, если исследуются переходные процессы типа нагружение—раз­ грузка, нагружение—дополнительная нагрузка, ступенчатое

5

нагружение и т. д. Исследование процессов такого рода позволяет установить адекватные определяющие уравнения. Поэтому описанию переходных процессов в гл. 2 уделяется особое внимание. В гл. 2 рассматриваются возможные типы кинетических уравнений. Для некоторых конкретных типов механических испытаний приводятся кинетические уравнения, описывающие изменения структуры метал­ лов в процессе деформации. Описана квазигидродинамическая модель для расчетов механического поведения металлов при высоких давле­ ниях, когда прочностные эффекты малы, а определяющую роль играет объемная сжимаемость материала.

Вгл. 3 рассматриваются вопросы, связанные со скоростным квазистатическим (без учета волнообразования) деформированием конструкционных материалов. На основе соответствующих экспери­ ментальных данных разрабатывается методика определения кине­ тических постоянных, входящих в кинетические уравнения.

Рассматриваются одноосная ползучесть и сверхпластичность ме­ таллов. Основное внимание уделяется установлению адекватности используемых определяющих уравнений. Развивается кинетическая теория распространения квазистатических волн пластичности (Людерса).

Вгл. 4 описаны исследования ударно-волновых процессов в ме­ таллах. В конкретных числовых расчетах широко используются

данные предыдущих глав. Ставятся и численно решаются задачи в одномерной и двумерной осесимметричной постановках. Результаты полученных решений сравниваются с соответствующими экспери­ ментальными данными, приведенными в гл. 1.

В гл. 5 на основе кинетических представлений рассматриваются различные типы разрушения металлов. Описывается динамический рост трещины от кольцевого концентратора в стержне, проводится числовое моделирование явления разрушения металлов отколом. Исследуется рост трещины в процессе ползучести в условиях пло­ ского напряженного состояния. В инженерной практике часто приходится сталкиваться с такой ситуацией, когда в конструкции либо уже содержатся, либо непременно появятся трещины в процессе эксплуатации. Задача состоит в том, чтобы определить условия страгивания и локализации трещины в конкретных условиях экс­ плуатации конструкции. Следует отметить, что с точки зрения микроструктуры в рассмотренных в гл. 5 типах разрушения есть общие закономерности — образование микропор на «слабых» местах структуры (поверхности зерен, .точечных дефектах, включениях фаз и др.), их последующий рост и коагуляция, приводящая к обра­ зованию макротрещин.

Исследования распространения волн в слоистых материалах приобретают все большее значение как в связи с применением в тех­ нике многослойных конструкций (слоистые оболочки, метеоритная защита, противовзрывные конструкции), так и в связи с созданием новых композиционных материалов и исследованием их свойств при высоких динамических нагрузках. Этим вопросам посвящена гл. 6 монографии.

6

на затухание амплитуды упругой волны сказывается поперечная инерция материала.

Наряду с волновыми экспериментами в условиях одноосно-напря­ женного состояния, для изучения механического поведения кон­ струкционных материалов большое значение имеют квазистатические эксперименты при высоких скоростях деформации. Для выявления адекватности определяющих соотношений динамического поведения конструкционных материалов особое значение имеют эксперимен­ тальные данные при резком изменении режима нагружения. В работе Линдхольма [331 приведены результаты испытания стержневых образцов из технически чистого алюминия со скоростями деформации

= 10"4 с-1 и ё2 = 103 с-1.

Соответствующие кривые напряжение—деформация приведены на рис. 1.5. В испытаниях были реализованы следующие три про­ граммы: 1) статическое нагружение—разгрузка—динамическое нагружение; 2) динамическое нагружение—разгрузка—статическое нагружение; 3) динамическое нагружение—разгрузка—динами­ ческое нагружение.

Опыты первой и второй программ выявили снижение чувстви­ тельности материала к скорости деформации после предварительной статической деформации. С точки зрения дислокационной структуры материала этот факт объясняется увеличением общей плотности дислокаций в процессе статической деформации и, как следствие, запиранием подвижных дислокаций — элементарных носителей пла­ стических сдвигов в металлах.

Аналогичные программы испытаний низкоуглеродистой стали в ряде работ реализуются с трубчатыми тонкостенными образцами. Образцы подвергаются кручению с постоянной скоростью деформа­

10