Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МІЦНОСТІ ім. Г.С. Писаренка

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

УДК 539.4

РОЗВИТОК ЛОКАЛІЗОВАНОГО ЗСУВУ В МЕТАЛАХ ЗА УМОВ УДАРНОГО НАВАНТАЖЕННЯ

Спеціальність 05.02.09 динаміка і міцність машин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Широков Андрій Володимирович

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка Національної Академії Наук України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Степанов Геннадій Володимирович, завідувач відділу міцності та руйнування за умов ударного та імпульсного навантаження Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Петушков Володимир Георгійович, головний науковий співробітник відділу зварювання, різання та обробки зварюваних з'єднань вибухом Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України;

кандидат технічних наук, Воробйов Євген Валерійович, старший науковий співробітник Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України.

Провідна установа: Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться 17.06.2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої ученої ради Д26.241.01, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, 01014, м. Київ, вул. Тімірязєвська, 2

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, 01014, м. Київ, вул. Тімірязєвська, 2 Автореферат розісланий 14.05.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор_________________ Карпінос Б.С.

ініціювання зсув метал навантаження

ВСТУП

Актуальність теми. Розвиток локалізованого зсуву має суттєвий вплив на деформування та руйнування матеріалів при ударній взаємодії тіл, різанні, штампуванні, вирубці, прокатці та ін. технологічних процесах металообробки, що супроводжуються високошвидкісним деформуванням. Тому підвищення точності прогнозування кінетики деформування матеріалів та елементів конструкцій у таких процесах неможливо без урахування ефектів, що пов'язані з локалізацією пластичної деформації.

Існуючі дані недостатньо повно відбивають особливості ініціювання та розвитку локалізованого зсуву в металах. В основному це пов'язано з труднощами проведення експериментів (малий час протікання процесу, великі пластичні деформації, розвиток процесу усередині зразка і т.п.). Крім того, локалізація деформації супроводжується рядом взаємозалежних процесів (зміцнення, розігрів, пошкодження і т.п.), що розвиваються в часі й ускладнюють її аналітичне та чисельне моделювання.

Проведені раніше експериментальні дослідження присвячені, як правило, вивченню сформованих смуг локалізованого й адіабатичного зсуву. Смуги адіабатичного зсуву, основною особливістю яких є наявність слідів плавлення і рекристалізації, є різновидом інтенсивного локалізованого зсуву, тому надалі смугою зсуву (СЗ) називається смуга, як адіабатичного, так і локалізованого зсуву. Для ряду металів були також визначені деякі параметри, що характеризують смуги зсуву, серед них локальна (у смузі) і середня (у зразку) величини деформації, ширина СЗ, температури зразка і СЗ. Приведено загальні уявлення про механізми зародження і розповсюдження СЗ.

Однак, на сьогоднішній день, жодна з експериментальних методик не дозволяє вивчати особливості розвитку СЗ із достатньою точністю.

Тому одержало широке розповсюдження дослідження локалізації пластичної деформації з використанням аналітичних і чисельних методів. Більшість проведених досліджень спрямовані на побудову критеріїв переходу металу до нестабільного стану, зіставленню отриманих результатів з експериментальними дослідженнями. І тільки в обмеженій кількості робіт проводиться вивчення розвитку локалізованого зсуву.

З приведеного короткого аналізу літературних даних випливає, що вивчення основних закономірностей ініціювання та розвитку локалізованого зсуву в металевих матеріалах при високошвидкісному деформуванні є актуальною задачею на сьогоднішній день.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у відділі міцності та руйнування за умов ударного та імпульсного навантаження в рамках НДР 1.3.4.251 "Дослідження неоднорідності деформування матеріалів при динамічному навантаженні та її впливу на деформування та руйнування конструкцій" (постанова Бюро ВМ НАНУ від 27.06.2001 р., протокол № 4) та колективного проекту науково-дослідних робіт молодих учених НАН України "Особливості накопичення пошкоджень у конструкційних сталях за умов статичного, циклічного та динамічного навантаження" (постанова Президії НАН України від 9.07.2003 р. №203).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення особливостей ініціювання, розповсюдження і взаємодії смуг зсуву в металах при ударному навантаженні.

У роботі поставлені та вирішені наступні задачі:

?одержання нових даних щодо властивостей, основних закономірностей деформування та руйнування конструкційних металів за умов високошвидкісного деформування;

?дослідження особливостей ініціювання та розвитку локалізованого зсуву в металах при ударному навантаженні;

?оцінка впливу параметрів навантаження та рівнянь стану металу на ініціювання смуг зсуву;

дослідження особливостей взаємодії смуг локалізованого зсуву.

Методи досліджень. З метою одержання нових даних щодо властивостей конструкційних металів, особливостей деформування та утворення СЗ за умов високошвидкісного деформування проводили експерименти з ударного стиску тонколистових зразків з низьковуглецевої і високоміцної сталей та титанового сплаву. Методика дозволяє здійснювати навантаження матеріалів в діапазоні швидкості деформації 10⁴ .. 2.5·10⁵ с^-1 з реєстрацією зміни тиску в процесі деформування. Для дослідження особливостей деформування вивчали мікроструктуру зразків методами оптичної металографії.

Щоб дослідити специфічні особливості ініціювання, розповсюдження та взаємодії СЗ була розроблена програма, що дозволяє проводити моделювання поведінки тонкого шару ізотропного матеріалу в умовах зсуву при ударному навантаженні з використанням методу кінцевих різностей.

Наукова новизна одержаних результатів.

отримано нові дані щодо впливу швидкості деформації в діапазоні 10⁴ .. 2·10⁵ с^-1 на границю текучості конструкційних металів. Вперше експериментально встановлено зменшення різниці в рівні опору низьковуглецевої та високоміцної сталей з ростом швидкості деформації;

встановлено, що швидкість розповсюдження заданого рівня пластичної деформації у смузі зсуву зростає до швидкості пружної хвилі зсуву в металі при віддаленні від області ініціювання локалізованого зсуву;

проведена якісна оцінка впливу головних чинників, що визначають деформування металу, на час до ініціювання локалізованого зсуву в умовах високошвидкісного деформування;

встановлено, що вид взаємодії двох близьколежачих смуг зсуву визначається релаксаційними процесами, пов'язаними з розповсюдженням смуги зсуву, що утворена першою.

Достовірність отриманих результатів забезпечується використанням сучасних експериментальних методів і методик чисельного моделювання, задовільною відповідністю результатів чисельного моделювання з результатами експериментальних випробувань, а також даними інших досліджень.

Наукове значення роботи полягає у визначенні основних закономірностей ініціювання, розвитку і взаємодії СЗ при високошвидкісному деформуванні, що дозволяє з більшою вірогідністю проводити моделювання процесів, що супроводжуються локалізацією пластичної деформації при динамічному навантаженні елементів конструкцій.

Практичне значення отриманих результатів полягає у врахуванні особливостей деформування металів, що пов'язані з ініціюванням та розповсюдженням локалізації пластичної деформації, за умов ударного навантаження, що підвищує надійність розрахунків кінетики високошвидкісного деформування та руйнування елементів конструкцій.

Результати роботи були використані в центральному НДІ озброєння та військової техніки Збройних Сил України при виборі шляхів підвищення протиснарядної та протикульної стійкості сучасних і перспективних зразків озброєння.

Особистий внесок здобувача полягає в:

проведенні огляду і аналізу результатів відомих досліджень;

участі у проведенні експериментів по ударному стиску тонколистових металів та обробці результатів експериментів;

проведенні якісної оцінки впливу головних чинників, що визначають деформування металу, на час до ініціювання локалізованого зсуву;

отриманні нових результатів та залежностей, що відображають особливості ініціювання, розповсюдження та взаємодії смуг зсуву.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені до дисертації, проходили апробацію на наступних міжнародних конференціях: 4^th International symposium “Strength and fracture of materials and structural members under impulse loading - Impulse - 2001”, Україна, м. Київ, 22-24 травня 2001р.; "Shock waves іn condensed matter", Росія, м. Санкт-Петербург, 1-6 вересня 2002р.; "12th International scientific and technological military engineering conference on transport and building infrastructure in crisis situations", Польща, м. Варшава - Рина, 10-12 червня 2002р.; "DYMAT- 2003", Португалія, м. Порто, 8-12 вересня 2003р.; тематичному семінарі Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України "Коливання, хвильові процеси та імпульсне навантаження".

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 7 друкованих працях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація містить вступ, чотири глави, загальні висновки, список використаних джерел. Вона представлена на 124 сторінках друкованого тексту, включаючи 56 малюнків, 5 таблиць, списку використаних джерел з 132 найменувань і одного додатка.

Дисертаційна робота виконана у відділі міцності та руйнування за умов ударного та імпульсного навантаження Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, наукову і практичну значимість проблеми, сформульовано мету і задачі досліджень, коротко освітлені загальні характеристики роботи.

В першому розділі окреслено етапи розвитку наукових досліджень локалізованого зсуву в матеріалах, представлено основні експериментальні методики, що використовуються для дослідження СЗ при динамічному навантаженні.

Наведено найбільш використовувані моделі, що описують поведінку матеріалів при високошвидкісному навантаженні. Показано, що чисельне моделювання з використанням існуючих рівнянь стану металу дозволяє вивчати особливості розвитку локалізованого зсуву в матеріалах.

Сформульовано основні висновки, мету і задачі досліджень.

У другому розділі наведено опис експериментальної методики, що була використана для дослідження особливостей поведінки металів за умов високошвидкісного деформування. Описано установку й апаратуру для проведення експериментів.

Представлено результати експериментальних досліджень.

Методика експериментів. Для випробувань використовували ідентичні зразки 6 рис.1, б з високоміцної (типу 20Х2Н4А) та низьковуглецевої (Ст. 20) сталей, титанового сплаву (типу Вт 8) у вигляді пластин з розміром робочої частини (вузькі смуги металу між прорізами) 90Ч90 мм. Товщина зразків з високоміцної сталі та титанового сплаву складала 2 мм, з низьковуглецевої сталі - 1 і 2 мм. Зразки виготовляли фрезуванням пазів у пластинах, що були вирізані із смуги листового металу в стані постачання. Твердість зразків складала 43HRC (високоміцна сталь) і 42HRC (титановий сплав). Механічна обробка включала шліфування поверхонь. Зразки з низьковуглецевої сталі відпалювали при температурі 700 ^оС протягом однієї години із наступним охолодженням разом із піччю.

Ударний стиск зразків проводили за відомою методикою, що дозволяє досягти швидкості деформації у діапазоні 10⁴ .. 2.5*10⁵ с^-1.

Схема навантаження зразка наведена на рис.1, а. Робоча частина зразка 6 деформується між плоскими поверхнями плити-ударника 2 та плити-ковадла 3. Ударник, закріплений на легкому алюмінієвому піддоні 1 (у вигляді циліндра діаметром 90 мм і довжиною 60 мм), розганяється до заданої швидкості (у діапазоні 50 .. 400 м/с) по каналу ствола тиском стиснутого газу.

Товщину ударника визначали з умови стиску смуги металу до максимальної деформації _max=0.5 з постійною швидкістю, тобто без впливу бічного розвантаження. У проведених експериментах використовували ударник (діаметр 88 мм і товщина 10 мм) та ковадло (діаметр 120 мм і товщина 15 мм), що були виготовлені з загартованої сталі зі шліфованими поверхнями.

Зразок з ковадлом закріплювали на фланці 7 поблизу зрізу ствола. Опорну поверхню фланця перед навантаженням виставляли паралельно поверхні ударника, що забезпечувало плоске зіткнення ударника й зразка. У проведених експериментах для реєстрації інтенсивності пружної хвилі в ковадлі використовували діелектричний датчик тиску 4, що розташовували між тильною поверхнею цієї пластини і пластиною з оргскла 5. Така методика забезпечила реєстрацію фронту хвилі навантаження із роздільною здатністю за часом до 0.2 мкс. У даній роботі методика була модифікована: реєстрацію сигналу датчика проводили за допомогою цифрового осцилографа 8, з'єднаного з ЕОМ 9, що підвищило точність і надійність реєстрації сигналу. Для підвищення надійності реєстрації використовували два паралельно з'єднаних цифрових осцилографа.

Вимір швидкості ударника проводили за часом прольоту ударником базової відстані між двома електричними контактами 10, що розташовані наприкінці ствола. Реєстрацію швидкості проводили з використанням електронного частотоміра Ч3-34 11. Для підвищення надійності реєстрації використовували два паралельно з'єднаних частотоміри.

Результати експериментів. Представлена на рис.2. залежність границі текучості конструкційних металів від швидкості деформації показує, що опір усіх металів істотно залежить від величини швидкості деформації.

Отримані графіки якісно можна описати аналогічними залежностями, що мають ділянку значного росту і більш пологу ділянку насичення. Відзначається, що відносне підвищення опору низьковуглецевої сталі вище, ніж високоміцної сталі. Так, границя текучості високоміцної сталі при високошвидкісному деформуванні в 2 .. 2.5 рази вище, ніж при квазистатичному деформуванні, а границя текучості низьковуглецевої сталі підвищується в 6 .. 8 разів. Отже, зі збільшенням рівня швидкості деформації різниця в опорі низьковуглецевої і високоміцної сталей знижується.

Опір зразків з низьковуглецевої сталі товщиною 1 мм трохи вище, ніж зразків з того ж металу товщиною 2 мм. Це може бути пов'язане із більш однорідним (за товщиною) деформуванням зразків товщиною 1мм (при тій же швидкості деформації коротше період вирівнювання напруги в об'ємі металу).

Розрахунок коефіцієнтів в'язкості. З огляду на обмежену кількість достовірних даних про в'язкість металів, був проведений розрахунок коефіцієнтів в'язкості µ.

З метою спрощення розрахунків характерні ділянки графіків, що наведені на рис. 2, апроксимували прямими лініями, нахил яких характеризує в'язкість металу в даному діапазоні швидкості деформації.

Дослідження мікроструктури. Дослідження особливостей деформування випробуваних металів проводили за допомогою вивчення мікроструктури зразків методами оптичної металографії. Для цього з центра робочої області зразка вирізали частину деформованої смуги металу (?20 мм), виготовляли шліфи та травили поверхню (поверхня 1, рис. 1, в) і торець (поверхня 2, рис. 1, в) за стандартною методикою.

Після ударного стиску зразків з низьковуглецевої сталі зі швидкістю деформації 1.58·10⁵ с^-1, спостерігається збільшення товщини деформованих зерен від поверхні навантаження в глиб зразка. Поблизу поверхні навантаження товщина зерен складає 4 мкм (відносна деформація 700%).

Зі зниженням швидкості деформації загальний характер змін мікроструктури не змінюється, однак обсяг металу зразка із сильнодеформованими зернами та величина деформації зерен зменшуються. Руйнувань у зразках з низьковуглецевої сталі в проведеній серії випробувань не спостерігали.

При деформуванні зразків з високоміцної сталі та титанового сплаву в областях дії високих дотичних напружин утворюється СЗ. Після зародження СЗ у зразку, подальше деформування, а в багатьох випадках і руйнування, контролюється її розповсюдженням, що підтверджується даними інших робіт.

Аналіз мікроструктури зразків з титанового сплаву та високоміцної сталі показує, що у титановому сплаві СЗ з'являються при меншій швидкості навантаження, що свідчить за більшу схильність титанового сплаву до утворення СЗ.

Характерний вид макроруйнування зразків приведено на рис3.

Товщина СЗ у зразках з високоміцної сталі і титанового сплаву складала 5-7 мкм.

В третьому розділі наведено методику та результати чисельного моделювання (у двомірній постановці, що відповідає плоскій деформації) особливостей ініціювання та розповсюдження смуги зсуву.

Враховуючи, що простежити розвиток локалізованого зсуву безпосередньо в експериментах на сьогоднішній день не є можливим, для дослідження використовували чисельне моделювання. Була розроблена програма для моделювання поведінки шару ізотропного матеріалу товщини Н=2 мм (далі зразок) нескінченної довжини в умовах зсуву при ударному навантаженні рис.4, а.

У початковий момент часу в зразку має місце нульовий напружено-деформований стан (НДС):

Граничні умови визначаються заданими швидкостями переміщення:

Неоднорідне пластичне деформування матеріалу зразка і подальша локалізація деформації ініціюються шляхом включення лінійного дефекту розміром l =250 мкм (рис.4, а).

Зразок моделювали прямокутною матрицею NxЧNy=200Ч40 вузлів.

Схема розбивки наведена на рис.4, б, де темні крапки - вузли, світлі - міжвузля. Відстань між вузлами складала 50 мкм у напрямку обох осей. Крок за часом вибирали з умови стійкості розрахунку Куранта.

Дефект моделювали рядом міжвузлів зі зниженим на 2% статичним опором (^д_ст = 0.98_ст).

Щоб зменшити вплив крайових ефектів площа поперечного перерізу зразка збільшується від центра до краю за формулою.

Різниця перерізів на краю зразка й у центрі складає 3.6%.

Припускали, що матеріал зразку пружнов'язкопластичний і його поведінку моделювали за допомогою модифікованого рівняння стану Джонсона-Кука, що враховує деформаційне зміцнення, термічне знеміцнення та коефіцієнт в'язкості.

Приймали, що Т_с=0.5Т_пл, де Т_пл - температура плавлення матеріалу.

Вважали, що в результаті підвищення температури матеріалу зразка змінюється модуль пружного зсуву, що враховували залежністю.

Рівняння, що визначають деформування при плоскій деформації представляли в звичайній формі.

Дослідження особливостей ініціювання та розповсюдження області локалізованого зсуву. З огляду на схожість поведінки високоміцної сталі та титанового сплаву при деформуванні, розрахунок проводили тільки для високоміцної сталі. Базові параметри, що визначають деформування високоміцної сталі представлені в таблиці 1. Границя текучості, коефіцієнти деформаційного зміцнення та в'язкості були визначені за результатами проведених експериментів. Враховуючи, що в даній роботі особливу увагу приділяли високим швидкостям деформації (10⁴..10⁵ с^-1) дослідження особливостей ініціювання та розвитку СЗ проводили при швидкості навантаження 200 м/с.

Коефіцієнт в'язкості вважали постійним та брали його значення для ділянки значного росту границі текучості від швидкості деформації (рис. 2). Зважаючи, що при швидкості деформації вищій за 3·10⁴ с^-1 коефіцієнт в'язкості зменшується з 30900 Пас до 1800 Пас, було проведено порівняльний розрахунок деформування зразка з постійним та змінним (в залежності від швидкості деформації) коефіцієнтом в'язкості. З аналізу отриманих результатів виходить, що при швидкості навантаження 200 м/с значне зниження коефіцієнта в'язкості не змінює якісної картини ініціювання та розповсюдження СЗ у зразку, але призводить до значної нестабільності розрахунку. Тому використання постійного коефіцієнта в'язкості дозволяє визначити основні закономірності ініціювання та розвитку СЗ при швидкості навантаження 200 м/с та спрощує розрахунок.

За результатами чисельного моделювання вплив лінійного дефекту на НДС у зразку до початку локалізації деформації несуттєвий (рис. 5, а). Підвищення рівня деформації в зоні дефекту складає менше 0.5% у порівнянні з деформацією в прилеглому об'ємі матеріалу. З початком локалізації деформації положення змінюється. В області дефекту відбувається різке підвищення пластичної деформації. Далі область локалізованого зсуву симетрично розширюється уздовж осі x і її розповсюдження є основним процесом, що протікає у зразку рис. 5, б.

У даній роботі не ставилася мета досліджувати руйнування, тому вивчення розвитку СЗ обмежували спаданням напруги у зоні СЗ у 5 .. 10 разів у порівнянні з її рівнем до початку локалізованого зсуву.

Аналіз розвитку локалізованого зсуву показує, що швидкість розповсюдження заданого рівня пластичної деформації у СЗ зростає з віддаленням від початкового дефекту до швидкості пружної хвилі зсуву в металі.

Оцінка впливу параметрів, що визначають деформування матеріалу при ударному навантаженні, є актуальною задачею на сьогоднішній день. Знаючи вплив того чи іншого параметра можна робити якісну оцінку схильності досліджуваного матеріалу до утворення СЗ. Це, у свою чергу, необхідно для оптимального підбору матеріалу та товщини елементів конструкцій, що використовуються, наприклад, для забезпечення надійного захисту від дії ударного навантаження.

Для цього був визначений час, необхідний для ініціювання СЗ у зразку з високоміцної сталі, для базового варіанта параметрів (таблиця 1) при швидкості навантаження 200 м/с. Зменшуючи (збільшуючи) удвічі значення усіх параметрів (таблиця 2) та порівнюючи отриманий результат з результатом розрахунку для базового варіанта за формулою 5, було визначено вплив кожного з параметрів.

Зміна розглянутих параметрів приводить як до більш раннього, так і до більш пізнього (у порівнянні з базовим варіантом) ініціювання СЗ (рис. 6).

Знак мінус у приведених на рис. 6 гістограмах показує, що ініціювання СЗ відбувається пізніше, ніж у базовому варіанті.

На рис. 6, б відсутні дані щодо модуля пружності і коефіцієнта Пуассона, тому що при їх збільшенні в два рази спостерігається значна нестійкість розрахунку.

Аналіз результатів наведених на рис. 6 показує, що найбільш схильні до утворення СЗ матеріали з низькими значеннями теплоємності, критичної температури, в'язкості та з високими термічним знеміцненням і міцністю.

Відповідно, найменш схильні до утворення СЗ матеріали з високими значеннями критичної температури, теплоємності, в'язкості та з низькими міцністю і термічним знеміцненням.

Вплив окремих параметрів на утворення локалізованого зсуву підтверджується, як результатами проведених та відомих експериментальних досліджень, так і результатами відомих чисельних розрахунків.

Так, титановий сплав (низька теплоємність і висока міцність) більш схильний до утворення СЗ, ніж високоміцна сталь (висока міцність).

Узагальнені результати (формула 5) зведені на гістограмі, що представлена на рис. 7.

Найбільший вплив на час до ініціювання локалізації пластичної деформації при зміні параметрів у 2 рази мають швидкість навантаження (108%), критична температура (76%), об'ємна теплоємність (75%).

За результатами чисельного моделювання сформульовано рекомендації щодо вибору матеріалів для захисних елементів конструкцій.

В четвертому розділі наведено результати чисельного моделювання взаємодії двох СЗ.

Для дослідження взаємодії СЗ у зразок був введений ще один дефект (рис.8).

Другий дефект відрізнявся від першого менш, ніж на 0.2 % (^д1_ст = 0.98_ст, ^д2_ст = 0.981_ст).

Відстань між дефектами h змінювали для з'ясування особливостей взаємодії СЗ, що розвиваються.

Вплив двох і одного дефектів до початку локалізації деформації ідентичний.

Однак, з початком локалізованого зсуву спостерігається ряд особливостей подальшого деформування зразка. Ініціювання СЗ у першому дефекті (з меншим статичним опором) призводить до зниження рівня напруги у прилеглих областях. Внаслідок цього спостерігаються три випадки взаємодії СЗ в залежності від відстані між дефектами (рис. 9).

Перший випадок (рис. 9, а) - у зразку розвивається тільки одна СЗ; другий (рис. 9, б) - смуга, ініційована пізніше, припиняє свій розвиток через деякий час і третій (рис. 9, в) - у зразку розвиваються обидві СЗ. Слід зазначити, що в третьому випадку температура в обох СЗ досягає критичної.

Наявність другого дефекту після ініціювання СЗ у всіх трьох випадках приводить до більш повільного підвищення рівня пластичної деформації в СЗ. Це проявляється більш сильно з віддаленням дефектів один від одного, що пов'язано з підвищенням температури і, як наслідок, зі зниженням рівня напруги в області другого дефекту.

Таким чином, характер взаємодії СЗ залежить від відстані між ними та релаксаційних процесів, пов'язаних з розвитком СЗ, що була ініційована першою.

ВИСНОВКИ

У представленій роботі, з використанням експериментальних досліджень та чисельного моделювання, визначені основні закономірності ініціювання, розвитку і взаємодії СЗ при високошвидкісному деформуванні. Основні результати свідчать про наступне:

За результатами проведених експериментальних досліджень отримано нові дані щодо впливу швидкості деформації в діапазоні 10⁴ .. 2·10⁵ с^-1 на границю текучості конструкційних металів. Встановлено, що із підвищенням швидкості деформації зменшується різниця в опорі сталей різної статичної міцності.

На достатньому віддаленні від місця ініціювання, швидкість розповсюдження різних рівнів пластичної деформації в СЗ можна прийняти постійною. В умовах зсуву, для однорідного пружнов'якопластичного матеріалу, швидкість розповсюдження СЗ досягає швидкості пружної хвилі зсуву в матеріалі.

Отримані дані щодо впливу основних параметрів навантаження та властивостей матеріалу на час до ініціювання СЗ дозволяють якісно оцінювати схильність матеріалу до утворення СЗ. Встановлено, що найбільший вплив на час до ініціювання СЗ мають швидкість навантаження, критична температура та теплоємність матеріалу.

Показано, що характер взаємодії СЗ залежить від відстані між ними та від релаксаційних процесів, що пов'язані з розвитком СЗ, яка була ініційована першою. Встановлено, що досягнення критичної температури в СЗ створює умови для її подальшого розповсюдження незалежно від загального зниження напруги у прилеглому об'ємі матеріалу, що дозволяє розвиватися у зразку більше однієї СЗ.

Ґрунтуючись на аналізі результатів проведених експериментальних досліджень і чисельного моделювання можна зробити висновок, що після ініціювання СЗ подальше деформування об'єму металу істотно залежить від розвитку СЗ. Тому при прогнозуванні поведінки елементів конструкцій, в умовах високошвидкісної деформації, необхідно враховувати особливості деформування металів, пов'язані з ініціюванням та розповсюдженням локалізації пластичної деформації.

СПИСОК ПРАЦЬ

1. Широков А.В. Численное исследование локализации пластического течения в металлах// Проб. прочности. - 2002. - № 3. - с. 77-81.

2. Степанов Г.В., Широков А.В. Распространение зоны локализованного пластического течения при простом сдвиге// Пробл. прочности. - 2002. - № 4. - с. 75-82.

Здобувачем розроблено алгоритм розрахунку та проведена обробка результатів експерименту.

3. В.И. Зубов, Г.В. Степанов, А.В. Широков. Влияние скорости деформации на предел текучести сталей различной прочности// Пробл. прочности. - 2003. - № 5. - с. 113 - 121.

Здобувачем проведені аналіз літератури, обробка результатів експериментів, розрахунок коефіцієнтів в'язкості, дослідження мікроструктури.

4. A.V. Shirokov, G. Stepanov, V. Zubov. Strain rate influence on yield stress of some metals// J. Phys. IV France. - 2003. - 110. - p. 171-175.

Здобувачем проведені обробка результатів експериментів та дослідження мікроструктури.

5. A.V. Shirokov. Computer simulation of a shear band propagation in a metal strip// Proc. 4^th International symposium on strength and fracture of materials and structural members under impulse loading. - Kiev (Ukraine). - 2001. - p. 45.

6. G.V. Stepanov, A.V. Shirokov. Localized plastic shear propagation in a metal layer// Proc. shock waves in condensed matter. - Saint-Petersburg (Russia). -2002г. - р. 4-6.

Здобувачем розроблено алгоритм розрахунку та проведена обробка результатів експерименту.

7. Gennadiy Stepanov, Andrey Shirokov. Numerical simulation of localized plastic shear propagation in a metal layer// Proc. 12^th International scientific and technological military engineering conference on transport and building infrastructure in crisis situations. - Warsaw-Rynia (Poland). - 2002. - p. 223-228.

Здобувачем розроблено алгоритм розрахунку та проведена обробка результатів експерименту.

АНОТАЦІЯ

Широков А.В. Розвиток локалізованого зсуву в металах за умов ударного навантаження. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 - динаміка і міцність машин. - Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, м. Київ, 2004.

Отримані нові данні щодо впливу швидкості деформації в діапазоні 10⁴ .. 2·10⁵ с^-1 на границю текучості конструкційних металів та висвітлені особливості деформування та руйнування випробуваних металів за умов ударного навантаження.

Розроблено програму (двовимірний випадок) за допомогою якої проведено моделювання ініціювання та розвитку смуги зсуву в тонкому шарі пружнов'язкопластичного матеріалу за умов зсуву при ударному навантаженні.

Оцінено вплив головних чинників, що визначають деформування металу, на час до ініціювання локалізованого зсуву в металі за умов високошвидкісного навантаження.

Показані особливості ініціювання, розвитку та взаємодії смуг зсуву в тонкому шарі високоміцної сталі за умов високошвидкісного деформування.

Показано, що ініціювання та розвиток СЗ в металах має суттєвий вплив на процес деформування, що необхідно враховувати при розрахунках кінетики деформування та руйнування елементів конструкцій за умов ударного навантаження.

Ключові слова: розвиток локалізованого зсуву, ударне навантаження, швидкість деформації, пружнов'язкопластичний матеріал.

АННОТАЦИЯ

Широков А.В. Развитие локализованного сдвига в металлах при ударном нагружении. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 - динамика и прочность машин. - Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, Киев, 2004.

Диссертация посвящена изучению особенностей инициирования, распространения и взаимовлияния полос сдвига в металлах при высокоскоростном нагружении.

В результате проведения экспериментальных исследований получено новые данные о влияния скорости деформации в диапазоне 10⁴ .. 2·10⁵ с^-1 на предел текучести конструкционных металлов и определены основные особенности деформирования и разрушения металлов при ударном нагружении.

Разработано программу (двухмерный случай) с помощью которой проведено моделирование инициирования и развития полосы сдвига в тонком слое упруговязкопластического материала в условиях сдвига при высокоскоростном нагружении.

Показано особенности развития локализованного сдвига в слое из высокопрочной стали при высокоскоростном деформировании.

Оценено влияние основных параметров, определяющих деформирование металла, на инициирование локализованного сдвига в металле при высокоскоростном нагружении.

Проведено качественное сопоставление результатов экспериментов и численных расчетов.

Определено основные особенности взаимовлияния полос сдвига в слое из высокопрочной стали при их совместном инициировании и распространении.

Показано, что образование и распространение полос сдвига в материалах оказывает существенное влияние на процесс деформирования, что необходимо учитывать при расчетах кинетики деформирования и разрушения элементов конструкций при ударном нагружении.

Ключевые слова: развитие локализованного сдвига, ударное нагужение, скорость деформации, упруговязкопластичный материал.

ANNOTATION

Shirokov A.V. Development of Localized Shear in Metals under Impact Loading. - Manuscript.

Thesis for the degree of a Candidate of Technical Sciences in specialty 05.02.09 - dynamics and strength of machines. - G. S. Pisarenko Institute for Problems of Strength, National Ac. Sci. of Ukraine, Kyiv, 2004.

New data as to the effect of the strain rate in the range from 10⁴ to 210⁵ s^-1 on the yield strength of structural materials were obtained and the deformation and fracture behavior of the metals tested under impact loading was illuminated.

A program (for the two-dimensional case) was developed, which was employed to model the initiation and growth of a shear band in a thin layer of elastic viscoplastic material in shear under impact loading.

The specific features of development of localized shear in a thin layer of high-strength steel under high strain-rate conditions are described.

The effect of major factors governing the metal deformation on the initiation of localized shear in metals under high strain-rate conditions was estimated.

The peculiarities of interaction of shear bands in elastic viscoplastic materials were established.

The results of the tests and numerical simulations conducted allow the conclusion to be made that obtaining data on the deformation kinetics of structural elements under impact loading requires consideration of the effects related to the initiation and propagation of localized shear under particular loading conditions.

Key words: development of localized shear, impact loading, strain rate, elastic viscoplastic material.

Размещено на Allbest.ru

...