Определение характеристик динамической прочности и пластичности материала в условиях ударного нагружения в диапазоне скоростей деформации 105÷107 с-1

Независимое измерение скорости ударника позволяет определить дефект массовой скорости как разность между скоростью ударника и максимальным значением скорости свободной поверхности на плато импульса сжатия:

 (53)

Рис.8.3. Временной профиль скорости свободной поверхности мишени азотосодержащей стали, нагруженной при скорости ударника 308 м/с.

Наконец, откольная прочность определяется по величине разности между максимальным значением скорости свободной поверхности и первым минимумом на заднем фронте импульса сжатия (отрезок СD). В акустическом приближении откольная прочность рассчитывается по следующей формуле:

, (54)

где - гидростатическая скорость.

8. Эксперимент

Известно, что как при квазистатических условиях нагружения, так и при ударном нагружении, окончательному разрушению твердого тела предшествует стадия скрытого разрушения. Интегральной макроскопической характеристикой скрытой стадии разрушения, используемой в теории, является так называемый параметр «сплошности» [38] или «повреждаемости» [39]. Этот параметр характеризует процесс постепенной деградации материала и не является критериальной характеристикой процесса разрушения. Вместе с тем, отсутствие критериальных (пороговых) соотношений для параметра повреждаемости делает теоретические подходы неконструктивными в части описания реального поведения материла при ударном нагружении. Под «пороговыми» понимаются такие соотношения, при выполнении которых качественно изменяется макроскопический отклик материала на ударное нагружение и одновременно изменяется характер протекания элементарных процессов на микроуровне.

С целью определения пороговых характеристик динамического деформирования проведены ударные испытания алюминиевого сплава Д - 16 при скоростях деформации, соответствующих диапазону скоростей ударника 370 и 451 м/с.

Условие (34) теоретически получено из анализа распространения одномерной волны в двухуровневой упруго-пластической среде [42] и экспериментально подтверждено для сложно-легированных сталей [42, 43]. В настоящей работе проверена справедливость соотношения (34) для исследуемого алюминиевого сплава Д-16. С этой целью рассмотрены два временных профиля скорости свободной поверхности ufs(t). Первый профиль (рис. 9.1) полученный при скорости ударника Uуд= 370 м/с, соответствует такой скорости деформации, когда материал еще не переходит в структурно-неустойчивое состояние. Второй временной профиль (рис. 9.2), полученный при скорости ударника Uуд = 451 м/с, соответствует скорости деформации, для которой характерна большая величина дефекта скорости. Расшифрованные временные профили скорости свободной поверхности ufs(t) вместе с профилями вариации скорости D(t) представлены на рис.9.3. и 9.4.

Для профиля скорости свободной поверхности ufs(t), соответствующего скорости ударника 370 м/с, характерно плавное нарастание средней скорости от его значения на упругом предвестнике до его максимального значения на плато импульса сжатия. При этом вариация скорости достигает максимума в середине пластического фронта. Для применения критерия (34) воспользуемся наиболее крутым участком профиля вариации скорости AB, т.е. там, где скорость ее изменения dD/dt максимальна (рис.9.3). На профиле средней скорости это соответствует участку A'B' Для участков AB и A'B' имеем:

D = 36,5 м/с; u = 250 м/с; dD/dt = 0,5 ?1011 см/с; du/dt = 2 ?1011 см/с.

Подставляя эти данные в выражение (34), получим , т.е. критерий перехода в структурно-неустойчивое состояние не выполняется.

Проведем аналогичные расчеты для профилей скорости свободой поверхности и вариации скорости, представленных на рис. 9.4 (скорость ударника 451 м/с). Для участков DE и D'E', соответствующих наибольшей скорости изменения вариации и средней скорости, соответственно, имеем следующий набор данных:

D = 87,3?102 см/с; u = 295?102 см/с так что их отношение равно Одновременно на участке DE имеет место резкое нарастание дисперсии - вариация скорости изменяется от 49, 2 м/с в точке D до 87,3 м/с в точке E. Таким образом, градиент вариации скорости на отрезке DE достигает величины dD = 87,3 - 49,3 = 38 м/с, в то время как градиент массовой скорости на этом же отрезке равен 0,87 м/с, откуда . Подстановка в выражение (34) дает . В соответствии с критерием (34), при скорости ударника Uуд = 451 м/с материал переходит в структурно-неустойчивое состояние.

Как это видно из рис. 9.4, при скорости ударника 451 м/с наблюдается отчетливый срыв биений интерференционного сигнала, которому соответствует резкое увеличение дефекта скорости.

Рис. 9.1. Интерферограмма профиля скорости свободной поверхности в алюминии Д16 при скорости ударника 370 м/с

На основании экспериментальных данных и вышеприведенного анализа можно заключить, что ударно-волновое поведение сплава Д-16 в плоских волнах нагрузки характеризуется следующими основными признаками.

1) Обратимые флюктуации массовой скорости мезоскопического масштаба, количественной характеристикой которых является дисперсия массовой скорости, имеют место только в пределах пластического фронта волны сжатия.

2) При некоторой пороговой величине скорости деформации на пластическом фронте происходит структурный переход, приводящий к резкому увеличению дефекта скорости.

Для выяснения типа структурного перехода проведены микроструктурные и исследования образцов в различных диапазонах скоростей деформации.

Рис. 9.2. Интерферограмма профиля скорости свободной поверхности в алюминии Д16 при скорости ударника 451 м/с

Рис. 9.3. Профиль скорости и вариация для алюминия Д-16 (скорость ударника 370 м/с)

Рис. 9.4. Профиль скорости свободной поверхности в алюминии Д-16 при скорости ударника 451 м/с

9. Расчет динамических характеристик

Характеристики алюминиевого сплава Д-16:

; ; ; .

;

;

;

.

Скорость ударника 370 м/с:

;

Скорость ударника 451 м/с:

.

Выводы

Проведенные экспериментальные исследования алюминиевого сплава Д-16 показывают, что в зависимости от скорости деформации в ударной волне могут реализоваться два различных режима динамического деформирования.

Первый режим, так называемый "допороговый режим динамического деформирования" реализуется в том случае, когда скорость изменения вариации массовой скорости в ударной волне ниже скорости изменения средней скорости (ускорения).

Второй режим, наоборот, реализуется при условии, что скорость изменения вариации массовой скорости выше массового ускорения.

Указанные выводы подтверждаются аналитической обработкой полученных в эксперименте временных профилей массовой скорости и вариации скорости для двух ударных нагружений мишеней из сплава Д-16: 370 м/с и 451 м/с.

Список литературы

[1] Lindholm U. S., in Techniques in Metals Research, R. F. Bunshah (Ed.), Vol. 5, pt 1, Interscience, N.Y., 1971.

[2] Taylor G.I, Proc. Roy. Soc, London A, 194, 289 (1948).

[3] Wiffin A.C., Proc. Roy. Soc, London A, 194, 300 (1948).

[4] Wilkins M.L, Guinan M.W, J. Appl. Phys, 44, 1200 (1973).

[5] Papirno R. P, Mescall J. F, Hansen A. M, Proceedings of the Army Symposium on Solids Mechanics-1980, Technical Rpt AMMRC MS 80-4, Watertown, MA, 1980, p. 367.

[6] Lee E.H., Tupper S.J, J. Appl. MecK Trans. ASME9 21, 63 (1954).

[7] Raftopoulos D, Davids N, AIAA J, 5, 2254 (1967). [Имеется перевод: Рафто-пулос, Дэвиде. Удар упругопластического снаряда о жесткую мишень-Ракетная техника и космонавтика, 1967, № 12, с. 174.].

[8] Recht R.E, Int. J. Eng. Sei, 16, 809 (1978).

[9] Kolsky H., Proc. Phys. Soc, B, 62, 676 (1949).

[10] Lindholm U.S., J. Mech. Phys. Solids9 12, 317 (1964).

[11] DaviesE. D., Phil. Trans. Roy. Soc., London A., 240, 375 (1948).

[12] Davies E.D., Hunter S.C., J. Mech. Phys. Solids9 11, 155 (1963).

[13] ConnAF., J. Mech.9 Phys. Solids9 13, 311 (1965).

[14] Hauser F.E., Simmons J. A., Dorn J. E., in Response of Metals to High Velocity Deformation, P.G. Shewmon V.F. Zackay (Eds.). Interscience, N.Y., 1961, p. 93.

[15] Hauser F. E., Exp. Mech., 6, 395, (1966).

[16] Bell J. F., J. Mech. Phys. Solids, 14, 309 (1966).

[17] Jahsman W.E, J. Appl Mech, rRans. ASME, 38, 75 (1971). [Имеется перевод: Джасмен. Проверка применимости методики Кольского при исследовании динамических характеристик материалов-Труды амер. о-ва инж.-мех, сер. Е: Прикладная механика, 1971, № 1, с. 72.].

[18] Nicholas T, J. Appl. Mech, Trans. ASME, 10, 277 (1973). [Имеется перевод: Николас, Анализ применимости метода разрезного стержня Гопкинсона при исследовании материалов, характеристики которых зависят от скорости деформации.-Труды амер. о-ва инж.-мех, сер. Е: Прикладная механика, 1973, № 1, с. 288.].

[19] Nelson, Graham, Benedic Journal of Applied Physics. 1961.

[20] HoggatCR., OrrW.R., Recht R. F., 1st Int. Conf. of the Center for High Energy Forming, Estes Park, University of Denver, CO, 1967.

[21] Eleiche A. M, Campbell J. D., Exp. Mech.9 16, 281 (1967).

[22] Lengyel B., Mohitpour M., J. Inst. Meu9 100, 1 (1972).

[23] DanielLM., La Bedz R. H., LiberT., Exp. Mech.9 21, 71 (1980).

[24] Eleiche A. M, Campbell J. D., Exp. Mech.9 16, 281 (1967).

[25] Goldsmith W., Impact, Arnold, London, 1960.

[26] Gorham D. A., in Mechanical Properties at High Rates of Strain, J. Harding (Ed.), Institute of Physics, London, 1980, p. 16.

[27] Harding J., Ed., Mechanical Properties at High Rates of Strain. Institute of Physics, London, No. 47, 1980.

[28] Papirno R. P, Mescall J. F, Hansen A. M, Proceedings of the Army Symposium on Solids Mechanics-1980, Technical Rpt AMMRC MS 80-4, Watertown, MA, 1980, p. 367.

[29] Perzyna P, in Non-Homogeneity in Elasticity and Plasticity, W. Olszak (Ed.), Pergamon, London, 1959, p. 431.

[30] Lee E.H., Tupper S.J, J. Appl. MecK Trans. ASME9 21, 63 (1954).

[31] R.A. Graham, F.W. Nelson Piezoelectric current from shock loaded quartz. Appe. Physics, 1962, v.33 № 11, p 3224-3332.

[32] L.M. Barker. Interferometric technique for measuring the dynamic. Reviw of Scientific Instruments, 1965, v 36 № 11 p.1617-1621.

[33] L. M. Barker, R. E. Hollenbach. Shock-Wave Studies of PMMA, Fused Silica, and Sappfire // Journal of Applied Physics, Vol. 41, No. 10, September 1970. p.

[34] L. M. Barker, R. E. Hollenbach. Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface // Journal of Applied Physics, Vol. 43, No. 11, November 1972. p.369-382.

[35] J. R. Asay, L. M. Barker. “Interferometric measurements of shock-induced internal particle velocity and spatial variations of particle velocity”// Journal of Applied Physics, Vol. 45, No. 6, June 1974. p. 2540-2550.

[36] W. F. Hemsing, “Push Pull VISAR Modification”// Review of Scientific Instruments, Volume 50, 1979.

[37] Y.I. Meshceryakov, A.K. Divakov, Dynamic structures in shock loded copper. Phys. Dev. 2008 v.78, p 64301-64316.

[38] Л.М. Качанов. О времени разрушения в условиях ползучести. Изв. АН СССР. ОТН. 1958. С. 26-31.

[39] Ю.Н. Работнов. Механизм длительного разрушения. В кн.: Вопросы прочности материалов и конструкций. Изд-во АН СССР, 1959. С. 5-7.

[40] Yu.I. Мescheryakov, A.K. Divakov. Kinetics of microstructure and strain-rate dependence of materials. Dymat Journal. 1994. V. l. No 4. P. 271-287.

[41] Г.И. Каннель, С.В. Разоренов, А.В. Уткин, В.Е. Фортов. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. Москва. «Янус-К».1996. 408 с.

[38] Ю.И. Мещеряков. Об эволюционном и катастрофическом режимах динамического деформирования материалов. Доклады РАН. 2004, № 6, С. 177-182.

[39] Ю.И. Мещеряков, С.А. Атрошенко, А.К. Диваков, Ю.Ф. Титовец, Н.С. Наумова. Откольная прочность высокопрочных сталей в ротационном режиме пластичности. Научно-технич. ведомости СПб ГПУ. 2009, С. 95-99.

[40] J.O. Hinze Turbulence. Mc. Graw Hill Inc., New York. 1959, 680 p.

[41] Попов Л.Е. Пудан Л.Я., Колупаева С.Н. и др. Математическое моделирование пластической деформации. - Томск. ТГУ. 1990. - 184 с.

[42] Бернштейн М.Л., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. и др. Диаграммы горячей деформации, структура и свойства сталей. - М. Металлургия. 1989. - 544 с.

[43] Н.А. Златин, С.М. Мочалов, Г.С. Пугачев, А.М. Брагов. Лазерный дифференциальный интерферометр. 1973. ЖТФ. Т.49, № 9, с.1961-1965.

[44] L.M. Barker. -phase Hugniot of iron 1975. Journ Appl .Phys. V.46, No 8, pp.2544-2547.

[45] Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. СанПиН 2.2.2.548-96.

[46] «Естественное и искусственное освещение». СниП 23-05-95.

[47] Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. Санитарные нормы. СНиП 2.2.4/2.1.8.562-96.

[48] «Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы». СанПиН 2.2.2.542-96.

Приложение. Безопасность жизнедеятельности

Как известно, при работе с компьютером человек подвергается воздействию ряда опасных и вредных производственных факторов: ВЧ-электромагнитных полей, инфракрасного и ионизирующего излучений, шума и вибрации, статического электричества. Кроме всего вышеперечисленного, работа с компьютером характеризуется значительным умственным напряжением и нервно-эмоциональной нагрузкой операторов, высокой напряженностью зрительной работы и достаточно большой нагрузкой на мышцы рук при работе с клавиатурой ПК. Большое значение имеет рациональная конструкция и расположение элементов рабочего места, что важно для поддержания оптимальной рабочей позы человека-оператора ПК.

Организация работы должна проводиться в этом случае согласно СНиП 2.2.2/2.41340-03.

Параметры микроклимата

Параметры микроклимата могут меняться в широких пределах, в то время как необходимым условием жизнедеятельности человека является поддержание постоянства температуры тела благодаря терморегуляции, т.е. способности организма регулировать отдачу тепла в окружающую среду. Принцип нормирования микроклимата - создание оптимальных условий для теплообмена тела человека с окружающей средой.

Вычислительная техника является источником существенных тепловыделений, что может привести к повышению температуры и снижению относительной влажности в помещении. В помещениях, где установлены компьютеры, должны соблюдаться определенные параметры микроклимата. В санитарных нормах СН-245-71 установлены величины параметров микроклимата, создающие комфортные условия. Эти нормы устанавливаются в зависимости от времени года, характера трудового процесса и характера производственного помещения.

Объем помещений, в которых размещены работники вычислительных центров, не должен быть меньше 19,5 м3/человека с учетом максимального числа одновременно работающих в смену. Нормы микроклимата подачи свежего воздуха в помещения, где расположены компьютеры, приведены в таблицах 1 и 2:

Таблица 1 Параметры микроклимата для помещений, где установлены компьютеры

Таблица 2 Нормы подачи свежего воздуха в помещения с ПК

Для обеспечения комфортных условий могут быть использованы как организационные методы (рациональная организация проведения работ в зависимости от времени года и суток, чередование труда и отдыха), так и технические средства (вентиляция, кондиционирование воздуха, современная отопительная система) [45].

Освещение

Остановимся подробнее на недостаточной освещенности рабочей зоны помещения, где установлены ПЭВМ. Правильно спроектированное и выполненное производственное освещение улучшает условия зрительной работы, снижает утомляемость, способствует повышению производительности труда, благотворно влияет на производственную среду, оказывая положительное психологическое воздействие на работающего, повышает безопасность труда и снижает травматизм.

Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах. Неправильное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики, дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастному случаю или профзаболеваниям, поэтому столь важен правильный расчет освещенности.

Существует три вида освещения - естественное, искусственное и совмещенное. Рассмотрим подробнее данную классификацию.

1). Естественное освещение - освещение помещений дневным светом, проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях помещений. Естественное освещение характеризуется тем, что меняется в широких пределах в зависимости от времени дня, времени года, характера области и ряда других факторов.

2). Искусственное освещение применяется при работе в темное время суток и днем, когда не удается обеспечить нормированные значения коэффициента естественного освещения (пасмурная погода, короткий световой день).

3). Совмещенным называется освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным.

Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное. Рабочее освещение, в свою очередь, может быть общим или комбинированным. Общее - освещение, при котором светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно или применительно к расположению оборудования. Комбинированное - освещение, при котором к общему освещению добавляется местное [46].

Шум и вибрация

Шум ухудшает условия труда, оказывая вредное действие на организм человека. Работающие в условиях длительного шумового воздействия испытывают раздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти, повышенную утомляемость, понижение аппетита, боли в ушах и т. д. Такие нарушения в работе ряда органов и систем организма человека могут вызвать негативные изменения в эмоциональном состоянии человека, вплоть до стрессовых. Под воздействием шума снижается концентрация внимания, нарушаются физиологические функции, появляется усталость в связи с повышенными энергетическими затратами и нервно-психическим напряжением, ухудшается речевая коммутация. Все это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда. Длительное воздействие интенсивного шума (выше 80 дБ) на слух человека приводит к его частичной или полной потере.

Ниже, в таблице 3, указаны предельные уровни звука в зависимости от категории тяжести и напряженности труда, являющиеся безопасными в отношении сохранения здоровья и работоспособности.

Таблица 3 Предельные уровни звука, дБ, на рабочих местах

Уровень шума на рабочем месте математиков-программистов и операторов видеоматериалов не должен превышать 50 дБ, а в вычислительных залах - 65 дБ. Для снижения уровня шума стены и потолок помещений, где установлены компьютеры, могут быть облицованы звукопоглощающими материалами. Уровень вибрации в помещениях вычислительных центров может быть снижен путем установки оборудования на специальные виброизоляторы [47].

Электромагнитное и ионизирующее излучения

Большинство ученых считают, что как кратковременное, так и длительное воздействие всех видов излучения от экрана монитора не опасно для здоровья персонала, обслуживающего компьютеры. Однако исчерпывающих данных относительно опасности воздействия излучения от мониторов на работающих с компьютерами не существует и исследования в этом направлении продолжаются.

Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений от монитора компьютера представлены в таблице 4.

Максимальный уровень рентгеновского излучения на рабочем месте оператора компьютера обычно не превышает 10 мкбэр/ч, а интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучений от экрана монитора лежит в пределах 10…100 мВт/м2.

Таблица 4 Допустимые значения параметров неионизирующих ЭМ-излучений (в соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96)

Для снижения воздействия этих видов излучения рекомендуется применять мониторы с пониженным уровнем излучения (TCO-95 и выше); устанавливать защитные экраны, а также соблюдать регламентированные режимы труда и отдыха, описанные выше [48].

Размещено на Allbest.ru