Динамика удара - Зукас Дж. А.
Скачать (прямая ссылка):
5.3.5. ИСПЫТАНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКИЙ ИЗГИБ
При рассмотрении динамических экспериментов уместно уделить некоторое внимание ударным испытаниям по методу Шарпи, или на динамический изгиб. Испытание по Шарпи включает в себя определение полной энергии разрушения образца с надрезом при трехточечном ударном изгибе. Его главное назначение-отбор материалов, их сравнение, определение температуры перехода стали от мягкого состояния к хрупкому при ударе. Из-за применения надрезанного образца и регистрации только полной энергии этот вид испытаний не имеет особой ценности для вывода уравнений состояния или качественного критерия разрушения материалов. Но подкупает его чрезвычайная простота и быстрота выполнения.
В последние годы был разработан вариант испытаний по Шарпи с усложненной измерительной схемой, позволяющей регистрировать реальную зависимость нагрузки от перемещения [3]. Нагрузка измеряется с помощью тензодатчиков, помещенных непосредственно на нагружаю- Поведение материалов при высоких скоростях деформации 237
щую головку или боек маятникового копра, в то время как перемещение определяется вычисленным с помощью энергетических соотношений изменением скорости бойка при заданной начальной скорости. Результирующая кривая нагрузка-перемещение может быть проинтегрирована и получена кривая зависимости энергии от времени или перемещения. Эта информация позволяет лучше понять поведение материала при динамическом изгибе с надрезом и широко используется для оценки трещиностойкости, но с ее помощью все еще нельзя установить вид уравнений состояния.
Чтобы избежать трудностей анализа результатов по изгибу надрезанной балки, в некоторых испытаниях по методу Шарпи использовали ненадрезанные образцы. В этом случае с помощью теории балки на основе экспериментальных данных можно выполнить некоторые приближенные вычисления. Например, для линейноупругих материалов, таких, как некоторые композиты, или, если ограничить рассмотрение линейным участком кривой нагрузка-перемещение, можно получить численные результаты по пределу текучести или прочности при динамическом нагружении. Информация, полученная в испытаниях по Шарпи с ненадрезанными образцами, совместно с полученной при квазистатическом трехточечном изгибе на идентичных образцах может быть полезной в исследованиях по определению чувствительности материала к скорости деформации порядка IOOc"1.
Как и в других экспериментальных методах, существуют фундаментальные ограничения по скорости дефсірмации, связанные с распространением волн и инерцией. В испытаниях по методу Шарпи уже при скоростях удара около 1,5 м/с начинает сказываться инерция, а время прохождения изгибной волны по образцу становится большим по сравнению с полным временем испытания. В результате кривая нагрузка— время все сильнее искажается вследствие инерции и вибрации образца (рис. 5.15). Аналогично случаю стержня Гопкинсона при возрастании скорости нагружения все хуже выполняется предположение о равенстве нагрузки на опоры балки нагрузке в центре. Таким образом, существуют сильные ограничения, не позволяющие проводить испытания по методу Шарпи со все возрастающей скоростью удара.
Следует сделать еще одно замечание, касающееся установления критерия разрушения на основе испытания по методу Шарпи. При трехточечном изгибе ненадрезанного образца разрушение большинства изотропных материалов начинается с разрыва наиболее удаленных волокон. В анизотропных материалах, особенно в слоистых композитах, при такой же геометрии образца разрушение начинается вследствие сдвига между слоями. Таким образом, сравнивая пределы прочности и соответствующие значения поглощенной энергии, чрезвычайно важно знать, какой тип разрушения наступает первым [80]. Для обеспечения разрушения преимущественно разрывного типа при трехточечном изгибе по методу Шарпи некоторые исследователи рекомендуют применять относительно тонкие образцы. При правильном применении на образцах без надреза усовершенствованного метода Шарпи можно получить 238
Г лава 2
ценную дополнительную информацию о чувствительности материалов к скорости деформации, особенно композитных материалов, для которых из-за сложности изготовления образцов трудно применять другие методы. Прямое сравнение диаграмм нагрузка - прогиб, полученных в квазистатических и ударных испытаниях одинаковых образцов, может стать удобным методом определения чувствительности материала к скорости деформации при изгибе в промежуточном диапазоне скоростей деформации порядка IO2 с"
5.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
5.4.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
За последнее время опубликовано слишком много результатов исследований динамических свойств материалов, так что не представляется возможным даже упомянуть о них всех. В некоторых обзорных статьях [69, 93] результаты ряда исследований представлены в виде графиков и таблиц. На рис. 5.19 показан один из методов сравнения данных для алюминиевых сплавов различных марок в виде зависимости параметра чувствительности к скорости деформации от статического предела текучести [51, 63, 91]. Этот параметр определен как разность динамического и статического пределов текучести при данной деформации, деленная на статический предел текучести, и разность логарифмов соответствующих скоростей деформации. Он представляет собой изменение напряжения на единицу логарифма скорости деформации. Полученное отношение может быть полезным при сравнении свойств мате-
