Динамика удара - Зукас Дж. А.
Скачать (прямая ссылка):
Рассматриваемый подход, связанный с введением внутренних переменных и микростатистической скоростной зависимости, обладает заманчивыми возможностями, так как в принципе он может учесть микроструктурные переменные и тем самым создать связующее звено между механикой разрушения и материаловедением. Тем не менее до недавнего времени эти возможности в значительной степени не были
Рис. 6.2. Микрот^ещины вблизи вершины трещины в образце двойной консольной балки из стали Fe-3Si.Динамическое разрушение
259
реализованы не только из-за сильной нелинейности определяющих уравнений состояния, статистически описывающих процесс микроразрушений, а следовательно, и трудностей теоретического анализа, но также и из-за отсутствия точных данных о зарождении, росте и слиянии микропустот и трещин.
Однако за последние 10 лет был достигнут значительный прогресс по обоим вопросам. Во-первых, широкомасштабное применение ЭВМ сделало возможным численное моделирование сильно нелинейного поведения материала. Во-вторых, использование управляемого удара, взрывного нагружения и метода прерываемых квазистатических испытаний позволило установить связь между параметрами наблюдаемых микропустот и известными величинами амплитуд и длительностей напряжений и деформаций, путем «замораживания» в испытаниях кинетики микропустот на разных стадиях развития и получать точные кинетические данные. Наконец, с развитием теоретических моделей микроскопических процессов (таких, как зарождение микропустот, их дальнейший рост на границах зерен и включениях) удалось объединить теорию с экспериментальными данными и численным моделированием, чтобы добиться максимально реалистического описания разрушения материала при динамических и квазистатических условиях.
В этой главе мы сосредоточим внимание на обзоре достижений второго, микростатистического, подхода. Мы обсудим, как нужно построить определяющие уравнения состояния для моделей зарождения, роста и слияния микропустот и микротрещин и как проверить соответствие моделей экспериментальным данным.
6.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ МИКРОПУСТОТ
В металлах обычно наблюдаются три типа микроповреждений: эллипсоидальные пустоты (рис. 6.1), раскрытые трещины и полосы сдвига. Чтобы наблюдать кинетику развития повреждений каждого из этих типов, можно произвести динамические эксперименты, в которых образцы материала подвергаются при заданной температуре воздействию напряжений или деформаций различной амплитуды и длительности. Если Длительность выбрана достаточно малой по сравнению со временами, необходимыми для зарождения, роста и слияния микропустот, трещин или полос сдвига, то повреждение может быть «заморожено» на различных стадиях развития, и таким образом можно получить сведения, характеризирующие кинетику.
Обычно используемая для определения кинетики микроскопических Щстот и трещин установка [1, 26] показана на рис. 6.3. Газовая пушка выстреливает пластиной, которая соударяется с пластиной-мишенью. ® результате взаимодействия волн напряжений со свободными поверхностями обеих пластин (как это подробно описано в работах [1, 26]) в Пластине-мишени формируется область растягивающих напряжений.
Длительность растягивающего напряжения максимальна в центре260
Г лава 2
Рис. 6.3. Экспериментальная установка МА-6128-6А по соударению пластин для изучения динамического разрушения.
/-ствол пушки, 2-образец, 3-приемная камера, 4-мягкая ветошь, 5-ударяющая плита, б-снаряд
мишени и убывает в направлении к лицевой и тыльной поверхностям, вследствие чего центр подвергается наибольшим повреждениям, как это видно из рис. 6.4 (на рисунке вертикальная ось соответствует направлению удара).
Выполняя серию таких экспериментов при различных скоростях соударения и различных толщинах пластин, можно в широких пределах варьировать амплитуду и длительность импульса растягивающих напряжений. После каждого эксперимента образцы мишени могут быть распилены и отполированы с целью выявления повреждений. Таким образом можно измерить пустоты и трещины и подсчитать их число для получения данных о кинетике. На рис. 6.5 показаны результаты такой процедуры для железа армко. На приведенном графике по оси ординат отложено число трещин в единице объема, радиусы которых превышают заданное значение, по оси абсцисс отложен радиус трещины Четыре кривые соответствуют четырем длительностям импульса напряжения при заданной его амплитуде. Как показано в работе [26], на основании этих данных можно получить сведения о скорости зарождения трещин и их роста в зависимости от приложенного напряжения
Аналогичный подход возможен и для изучения процесса зарождения и развития полос сдвига. Один эксперимент, значимость которого доказана, состоит в размещении и детонации взрывчатой смеси в полом цилиндре из исследуемого материала [10]. По мере расширения цилиндра на внутренней его поверхности зарождаются и растут полосы сдвига, что в конце концов приводит к разрыву цилиндра на части. Однако если цилиндр окружен пластической оболочкой и заключен в массивный кольцевой слой (рис. 6.6), то расширение управляемо разрушающегося цилиндра (УРЦ) может быть остановлено на различных стадиях развития. Полосы сдвига затем можно подсчитать и измерить для получения кумулятивной функции распределения по размерам точно так же, как и для пустот и трещин.Динамическое разрушение