Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении
Приведены основные результаты исследования локализованной сдвиговой деформации высокопрочной стали, титанового сплава и тонколистовой мягкой стали при ударном нагружении. Анализ результатов экспериментов, изменений микроструктуры и численного моделирования свидетельствует о влиянии на возникновен...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2000 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2000
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46204 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении / Г.В. Степанов, В.А. Федорчук // Проблемы прочности. — 2000. — № 2. — С. 27-42. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859603362206449664 |
|---|---|
| author | Степанов, Г.В. Федорчук, В.А. |
| author_facet | Степанов, Г.В. Федорчук, В.А. |
| citation_txt | Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении / Г.В. Степанов, В.А. Федорчук // Проблемы прочности. — 2000. — № 2. — С. 27-42. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Приведены основные результаты исследования локализованной сдвиговой деформации высокопрочной
стали, титанового сплава и тонколистовой мягкой стали при ударном нагружении.
Анализ результатов экспериментов, изменений микроструктуры и численного моделирования
свидетельствует о влиянии на возникновение полос адиабатического сдвига при
высокоскоростном деформировании взаимосвязанных процессов деформационного упрочнения
и разогрева при пластическом деформировании и фазовых превращений в материале.
Распределение температуры в областях локализации деформации обусловливает развитие
связанных с ней микроструктурных изменений в металле. При пониженной скорости сдвига
и малом приращении деформации за цикл нагружения, исключающих значительный разогрев
материала, развивается неравномерное деформирование без резкой локализации деформации.
Наведено основні результати дослідження локалізованої деформації зсуву
високоміцної сталі, титанового сплаву та тонколистової м ’якої сталі при
ударному навантаженні. Аналіз результатів експериментів, зміни мікроструктури й чисельного моделювання свідчить про вплив на виникнення
смуг адіабатичного зсуву при високошвидкісному деформуванні взаємозв’язаних процесів деформаційного зміцнення й розігріву при пластичному
деформуванні та фазових перетворень у матеріалі. Розподіл температури в
областях локалізації деформації зумовлює розвиток пов’язаних з нею мікроструктурних змін у металі. При зниженій швидкості навантаження й малому
прирості деформації за цикл навантаження, що виключає значний розігрів
матеріалу, розвивається нерівномірне деформування без різкої локалізації
деформації.
We discuss the basic results of study of localized shear strain in high-strength steel, titanium alloy, and thin-sheet mild steel under impact loading conditions. The analysis of the experimental results, microstructural changes and numerical modeling proves that formation of adiabatic shear bands under high-velocity straining conditions is affected by the interrelated processes of strain hardening, plastic strain-induced temperature rise and phase transformations in the material. The temperature distribution in zones with localized strains controls the development of the corresponding microstructural changes in the material. In the cases of low velocity of shear straining and small strain increment per loading cycle where significant temperature rise in the material is ruled out, a nonuniform deformation occurs without pronounced strain localization.
|
| first_indexed | 2025-11-28T00:32:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4
Л о к а л и зо в а н н ы й сд ви г в м е т а л л а х п р и уд ар н о м н агр у ж ен и и
Г. В. Степанов, В. А. Федорчук
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Приведены основные результаты исследования локализованной сдвиговой деформации вы
сокопрочной стали, титанового сплава и тонколистовой мягкой стали при ударном нагру
жении. Анализ результатов экспериментов, изменений микроструктуры и численного моде
лирования свидетельствует о влиянии на возникновение полос адиабатического сдвига при
высокоскоростном деформировании взаимосвязанных процессов деформационного упроч
нения и разогрева при пластическом деформировании и фазовых превращений в материале.
Распределение температуры в областях локализации деформации обусловливает развитие
связанных с ней микроструктурных изменений в металле. При пониженной скорости сдвига
и малом приращении деформации за цикл нагружения, исключающих значительный разогрев
материала, развивается неравномерное деформирование без резкой локализации дефор
мации.
Введение. При воздействии интенсивных динамических нагрузок на
элементы конструкций из металлов в ряде случаев в них возникает специ
фическое неоднородное напряженное состояние. Это состояние - следствие
распространения по материалу упругих и упругопластических (продольных,
сдвиговых и изгибных) волн, вызванных импульсной нагрузкой и взаимо
действием с волнами, отраженными от свободных границ и (или) поверх
ностей раздела областей с различными свойствами. При высокой интен
сивности нагрузки в областях повышенных напряжений возникает локали
зованное пластическое течение. Частным случаем интенсивного пласти
ческого деформирования является локализованный сдвиг (развитие дефор
мации сдвига в узкой области, ширина которой при высокой скорости
деформирования снижается до 10 мкм) [1, 2]. Специфические особенности
развития локализованного сдвига при низких скоростях ударного нагру
жения, влияние скорости и условий нагружения, в частности характера
напряженно-деформированного состояния, изучены недостаточно. В данной
работе представлены результаты и анализ исследований процесса лока
лизации деформации, в том числе изменений микроструктуры в области
локализованного сдвига, вызванных ударным нагружением.
Экспериментальные исследования проводили на образцах из высоко
прочной стали, титанового сплава и тонколистовой мягкой стали. При этом
использовали ступенчатое ударное нагружение, моделирующее изотерми
ческий процесс деформирования плоских образцов, и однократное ударное
нагружение образцов в виде диска, при котором развиваются полосы адиа
батического сдвига.
1. М етодика испы таний плоских образцов. Для испытаний на сдвиг
при ударном нагружении высокопрочных стали и титанового сплава исполь
зовали идентичные образцы, изготовленные из листового проката толщи
ной 5...7 мм в состоянии поставки (без термообработки) твердостью 40НЯС
(сталь) и 42НЯС (титан) - рис. 1,а. При чистовой обработке рабочей части
образцов толщина снимаемого слоя составляла примерно 0,05 мм.
© Г. В. СТЕПАНОВ, В. А. ФЕДОРЧУК, 2000
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, N 2 27
Г. В. Степанов, В. А. Федорчук
Схема нагружения образца, показанная на рис. 1,б, является моди
фикацией использованной ранее [3] схемы с тем отличием, что боковые
участки более жестко закреплены в корпусе для устранения возможности их
поворота. Образец 1 , установленный в пазу корпуса 2 , прижимается на
кладкой 3. Средний участок образца (между утоненными сечениями) нагру
жается ударом тела 4 с заданной скоростью по передающему нагрузку
стержню 5, изготовленному с П-образным пазом для образца. Передающий
стержень центрируется по цилиндрической поверхности отверстия в кор
пусе. Перемещение среднего участка образца за один цикл нагружения
определяется зазором между нижним торцом передающего стержня и плас
тиной 6 в корпусе. После каждого ударного нагружения устанавливается
пластина уменьшенной толщины для обеспечения заданной деформации
при нагружении.
Я=с с
^3"
■ 4
У
5
у////,
ш\ \ V \ f e ж Щ і
Рис. 1. Плоский образец для испытаний на сдвиг (а) и схема его нагружения (б).
б
При испытаниях со скоростью удара до 5 м/с передающий стержень
нагружали ударом свободно падающего тела массой 10 кг на вертикальном
копре. Скорость ударного нагружения рассчитывали по высоте падения тела
Н м (V м = 2g H м ), скорость перемещения центрального участка образца
принимали равной скорости удара.
Для испытаний с повышенной скоростью (до 50 м/с) использовали
ударное воздействие на передающий стержень стального диска (диаметр
60 мм, толщина 10 мм), укрепленного на поддоне из пенопласта. Поддон с
диском разгоняли по каналу ствола (калибр 64 мм) пневматической уста
новки до заданной скорости давлением сжатого газа. Скорость удара рас
считывали по промежутку времени ґь между моментами замыкания двух
электрических контактных датчиков, установленных на пути движения
ударника вблизи конца ствола: V м = Ьь / ґь (Ьь - расстояние между датчи
ками). Время ґь регистрировали электронным хронометром. Скорость пе
ремещения центрального участка образца определяли по условию неупру
гого взаимодействия нагружающей массы М и передающего стержня мас
сой т:
V = V м т / (М + т ) . (1)
28 НБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2
Локализованный сдвиг в металлах
А диабат ическое повы ш ение т емперат уры . Многократное ударное на
гружение вызывает ступенчатое приращение сдвиговой деформации в усло
виях, близких к изотермическим. Расчетное повышение температуры в
результате приращения интенсивности пластической деформации за цикл
деI в адиабатических условиях определяется выражением
А Т = о 1 д е 1 / ( р с у), (2)
при чистом сдвиге -
АТ = т д у /(рС у).
При реализованном в экспериментах перемещении среднего участка
образца за цикл д и < 0,2 мм и ширине утоненной области образца а = 2 мм
приращение деформации д у = ди / а = 0,1; при среднем напряжении сдвига
т = 0,7 ГПа, р с у = 3,2 МДж/(м -К) максимальное повышение температуры
А Т < 50, и его влиянием на прочность материала можно пренебречь.
Время цикла динамического нагружения гс примерно равно д и / V. При
д и = 0,2 мм и скорости удара V = 5 м/с гс = д и / V > 40-10-6 с, что
позволяет принять напряженное состояние в пределах утоненной области
образца при этой скорости квазиустановившимся. При скорости выше 5 м/с
возможно отклонение распределения напряжений от квазистатических, а
полученные результаты следует принять приближенными.
О пределение деф орм ации пласт ического сдвига. В пластически де
формируемой области образца, за исключением частей, прилегающих к
торцам, полагаем, что напряженное состояние соответствует чистому сдви
гу. Деформация пластического сдвига у после ряда последовательных
циклов нагружения с перемещением д и определяется суммированием при
ращений сдвиговой деформации за каждый цикл нагружения д у = д и / а:
у = А и / а = в , А и = 2 ди (3)
(такая оценка деформации сдвига применима и для диапазона больших
деформаций, развивающихся при локализации).
Реперные линии, первоначально перпендикулярные оси утоненной
области образца, при развитии пластического сдвига искривляются. Дефор
мацию сдвига определяли как тангенс угла наклона в касательной к ис
кривленной реперной линии. Максимальной деформации центральной час
ти пластически деформированной области соответствует точка перегиба на
этой линии. Малым смещением материала в направлении, перпендикуляр
ном полосе сдвига, пренебрегали.
Определение наклона касательной к этой линии в точке перегиба при
больших деформациях характеризуется повышенной погрешностью. Чтобы
повысить точность определения, после достижения деформации у 1 = 1...2
наносили новые прямолинейные реперные линии. Последующий пласти
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2 29
Г. В. Степанов, В. А. Федорчук
ческий сдвиг у 2 приводит к искривлению этих линий при максимальном
наклоне ниже, чем для первоначальных линий. Общая деформация опре
деляется суммированием деформаций, у = у ̂ + у 2 .
Скорость пластической деформации в центральной части пластически
деформированной области образца определяется по скорости движения
среднего участка образца V и ширине области равномерной деформации а,
у '= V / а.
2. Результаты испытаний плоских образцов. Согласно результатам
испытаний, перемещение центрального участка образца больше 0,3 мм при
однократном ударном нагружении вызывает полное его разрушение вслед
ствие зарождения краевой трещины и ее распространения по деформиро
ванному материалу. В результате распространения трещины прекращается
развитие сдвиговой деформации и, следовательно, малая величина дефор
мации, определенная по наклону реперных линий (при разрушении из-за
распространения трещины), не может служить характеристикой предель
ной пластичности материала.
Анализ экспериментальных данных о разрушении при варьировании
величиной перемещения центрального участка образца за цикл показал, что
трещина зарождается в краевой части области пластически деформиро
ванного материала. Напряженно-деформированное состояние в этой облас
ти материала при пластическом деформировании является неоднородным.
Одноосное напряженное состояние вблизи свободной поверхности на кон
туре выборки облегчает зарождение краевой трещины в области действия
растягивающих напряжений. После возникновения начальной краевой тре
щины, ориентированной под углом к свободной поверхности, дальнейший
процесс деформирования материала контролируется распространением этой
трещины. Чтобы определить кинетику деформации материала при чистом
сдвиге, необходимо устранить влияние эффектов, вызванных развитием
краевой трещины. Для этого после нескольких циклов ударного нагружения
выборку углубляли, удаляя материал с зародышевой краевой трещиной.
Последовательность таких операций позволила продлить развитие дефор
маций сдвига в центральной части пластически деформированной области
образца до уровня, при котором здесь инициируется зарождение трещин, не
связанных с развитием краевой трещины.
Расчетное состояние материала, близкое к чистому сдвигу, реализуется
только в центральной части пластически деформированной области. Увели
чение максимальной деформации сдвига в этой области пропорционально
Аы (рис. 2,а,б), что свидетельствует о развитии пластического течения без
существенной локализации деформаций. При деформации сдвига у > 4,0 в
упрочненной стали наблюдается возникновение локализованного сдвига
(рис. 2,а ).
По результатам экспериментов установлено слабое влияние скорости
ударного нагружения на ширину области сдвига в образцах из титанового
сплава (проявляется в более медленном повышении максимальной дефор
мации с ростом Аы, рис. 2,б).
30 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2
Локализованный сдвиг в металлах
1,2 Аы, мм
а
б
в
Рис. 2. Зависимость максимальной деформации сдвига в рабочем сечении образца от пере
мещения для высокопрочной стали (а), титанового сплава (б) и тонколистовой стали (в).
К инет ика разруш ения и м икрост рукт ура в област и сдвига. Согласно
результатам испытаний, в центральной части пластически деформирован
ной области образца, в которой деформация близка к чистому сдвигу,
деформация примерно однородна. Резкое сужение области пластического
течения визуально наблюдается только вблизи вершины краевой трещины.
Максимальная деформация сдвига значительно (в несколько раз) превышает
предельную деформацию, определенную по сужению площади попереч
ного сечения при испытаниях этих материалов на растяжение. Указанное
увеличение предельной деформации свидетельствует о влиянии на предель
ную пластичность напряженно-деформированного состояния металла.
ЇББК 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2 31
Г. В. Степанов, В. А. Федорчук
Рис. 3. Схема деформирования и разрушения плоского образца из упрочненной стали
(V =30 м/с) - а и титанового сплава (V =3 м/с) - б при поэтапном нагружении.
в г
Рис. 4. Распределение повреждений в области развития трещины: а - общий вид; б - вблизи
поверхности излома; в - на некотором расстоянии от нее; г - вблизи вершины трещины.
Плоские образцы из упрочненной стали разрушались в результате ини
циирования и развития семейства первичных и вторичных трещин при
деформации сдвига (~5...6), определяемой по максимальному углу наклона
реперных линий в центральной части пластически деформированной облас
ти, что приводило к образованию излома пилообразного вида (рис. 3,а).
Первичные микротрещины, не связанные с развитием краевой трещины,
возникают в центральной части пластически деформированной области в
виде семейства параллельных микротрещин, наклоненных под углом к оси
образца. Эти трещины с малым раскрытием направлены вдоль искрив
ленных при сдвиге поверхностей, разделяющих слои, сформированные про
32 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, N 2
Локализованный сдвиг в металлах
каткой. При дальнейшем деформировании возникают вторичные трещины,
перпендикулярные первичным. Рваные края вторичных трещин - результат
растяжения слоев между первичными трещинами.
В образцах из стали первичные трещины, образовавшиеся по дости
жении предельной деформации, наклонены к оси деформированной области
и располагаются в плоскостях, в которых действуют напряжения сдвига и
нормальные сжимающие напряжения. Следовательно, критическое состо
яние металла, связанное с возникновением вследствие сдвиговой дефор
мации первичной трещины, соответствует определенному соотношению
сдвиговых и нормальных напряжений.
Анализ результатов изучения микроструктуры в верхней части области
пластического сдвига показал, что трещина, относящаяся к семейству пер
вичных, проросла за пределы области локализованного течения (рис. 4,а).
Берега трещины имеют прерывистый (рваный) рельеф. В прилегающем к
трещине материале наблюдаются объемные повреждения в виде пор
(рис. 4,б,в). Вблизи вершины трещины повреждения не обнаружены
(рис. 4,г). Видимые следы фазовых превращений отсутствуют.
Предельная пластичность титанового сплава по результатам испытаний
на сдвиг ниже, чем предельная пластичность стали. Направление первичных
и вторичных трещин в титановом сплаве, образовавшихся по достижении
предельной деформации сдвига, совпадает с плоскостями действия макси
мальных сдвиговых напряжений. Трещины расположены в плоскостях,
параллельных и перпендикулярных оси пластически деформированной
области, т.е. они не связаны с направлением текстуры (рис. 3,6).
3. Результаты испы таний на сдвиг тонколистовой стали. Для испы
таний тонколистовых металлов использовали образцы, аналогичные при
веденным на рис. 1,а, в виде полос шириной Н = 25 мм без утонений с
неглубокими выборками по контуру для локализации деформации сдвига.
Образцы из тонколистовой стали 20 толщиной 1 мм подвергали мно
гократному ударному нагружению по схеме, представленной на рис. 1,6.
Одновременно нагружали пакет из пяти образцов, которые плотно запол
няли паз в корпусе и передающем стержне для предотвращения их де-
планации.
Согласно результатам проведенных испытаний, сдвиговая деформация
у = tg в ( в - максимальный угол наклона реперной линии) центральной
части полосы пластического сдвига, соединяющей выборки на контуре
образца, возрастает пропорционально смещению центрального недеформи-
руемого участка образца Аы (рис. 2,в). Ширина полосы пластического
сдвига при этом практически не изменяется, реперная линия в пределах
полосы является отрезком наклонной прямой.
Вблизи выборки на контуре имеет место непрерывное увеличение де
формации сдвига при приближении к оси полосы пластического сдвига,
наблюдаемое по искривлению реперных линий (рис. 5). Вследствие вы
сокой пластичности мягкой стали деформация вблизи выборки достигает
очень больших значений, и ее максимальную величину не представляется
возможным оценить по углу наклона реперных линий (угол в близок к 90о).
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2 33
Г. В. Степанов, В. А. Федорчук
Рис. 5. Внешний вид поверхности дефор
мированного образца из тонколистовой стали
вблизи выборки.
При больших деформациях на
поверхности стального образца вбли
зи выборки образуется сетка припо
верхностных углублений, ориентиро
ванных параллельно искривленной
реперной линии (рис. 5). Судя по ори
ентации этих трещин, их появление
обусловлено развитием предельного
сдвига между волокнами текстуры,
возникшей в результате прокатки.
Анализ результатов микрострук
туры мягкой стали свидетельствует о
том, что развитие локализованного
сдвига сопровождается вытягиванием
зерен вдоль искривленных реперных
линий, первоначально параллельных
продольной оси образца. При боль
ших деформациях наблюдаются по
вреждения в виде пор с острыми тре
щинами (рис. 6,б). Краевая трещина
распространяется по границе слабо- и
сильнодеформированного материала
(рис. 6,в).
Максимальная деформация сдвига достигается вблизи выборки. Рас
пределение деформаций сдвига и их развитие с ростом смещения Аы при
ударном нагружении качественно соответствует результатам компьютер
ного моделирования локализованного пластического сдвига, выполненного
с использованием одномерной модели [4, 5]. В соответствии с результатами
моделирования (при изотермическом процессе), при варьировании в ши
роком диапазоне скоростью ударного нагружения, поврежденностью и дру
гими параметрами, входящими в уравнение состояния вязкопластичного
материала, интенсивной локализации деформации сдвига не возникает.
в
Рис. 6. Микроструктура тонколистового ма
териала (сталь 20, V =3 м/с): а - исходная;
б - деформированная (с порами); в - вблизи
вершины трещины.
34 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, N 2
Локализованный сдвиг в металлах
4. М етодика и результаты исследования адиабатического сдвига.
Для исследования адиабатического сдвига при ударном нагружении исполь
зовали образцы в форме диска, так называемые КЭП-образцы (рис. 7). При
нагружении такого образца пластическая деформация сдвига, как правило,
локализуется в узкой полосе материала вдоль линии, соединяющей угловые
точки. Если диаметр Б 2 < Б1, на цилиндрической (или конической) поверх
ности сдвига возникает повышенное радиальное давление, которое подав
ляет возможное развитие трещины отрыва, распространяющейся от концен
траторов (угловых точек), и влияет на развитие локализации деформации.
Рис. 7. КЭП-образец для испытаний на сдвиг и схема его нагружения: 1—3 различные участки
области сдвига.
Для исследования адиабатического сдвига изготовляли образцы из лис
тового проката упрочненной стали и титанового сплава толщиной 13-14 мм
в состоянии поставки (без какой-либо термообработки) чистовым точением.
После ударного нагружения образцы разрезали на две симметричные
части (малая подача и охлаждение исключали сильный разогрев металла),
изготовляли шлифы и исследовали микроструктуру в области локализо
ванного сдвига с помощью оптической металлографии. Шлифы для опти
ческой металлографии выполняли путем обработки поверхности и трав
ления по стандартной методике. Наиболее характерные снимки шлифов
приведены на рис. 8, 9.
У дарное нагруж ение упрочненной ст али. В проведенных опытах ис
пользовали однократное и многократное нагружение образца ударом сво
бодно падающей массивной бабы (М = 29 кг) со скоростью 5 м/с. Скорость
ударного нагружения V М рассчитывали по высоте падения бабы Н М
( V м = 2 g H м ). Перемещение центральной части образца из упрочненной
стали относительно краевой области за цикл нагружения не превышало
0,2 мм (при этом величину этого перемещения специально не ограничи
вали).
КЭП-образец из упрочненной стали (в таблице образец № 4) нагружали
шестикратным ударом на вертикальном копре. После трех ударов макси
мальная величина перемещения составила 0,7 мм и не изменилась при
дополнительном нагружении в результате деформационного упрочнения
материала.
й 'Ж 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2 35
Г. В. Степанов, В. А. Федорчук
Основные размеры образцов и параметры нагружения
№
образца
Материал Размеры образца, мм Скорость
удара, м/с
Примечание
Н АН
1 Титановый
сплав
13,0 0,9 5,0 Вертикальный
копер
4 Упрочненная
сталь
12,0 0,7 5,0 То же
7 То же 12,0 0, 5. 4 65,8 Пневматический
копер
Г?
10 мкм . ь ’ ТД 3
П Ш 1 У
■а.
—
а б
Рис. 8. Микроструктура и характер повреждений стали в области локализованного сдвига при
разной скорости нагружения: а - V =5 м/с (позиции 1-3 соответствуют участкам на рис. 7);
б - V =66 м/с.
4
36 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2
Локализованный сдвиг в металлах
Анализ микроструктуры в поперечном сечении этого образца показал,
что интенсивное деформирование отмечается в областях концентрации
вблизи угловых точек. Характер деформирования и повреждения мате
риала изменяется по высоте сечения. Фотографии микроструктуры в раз
личных точках образца после ударного нагружения со скоростью 5 и 66 м/с
представлены на рис. 8. При скорости ударного нагружения 5 м/с (в таблице
образец № 4, рис. 8,а) вдоль магистральной линии сдвига вблизи нижней
угловой точки образовалась полость, которая переходит в полосу локали
зованного пластического сдвига (видны искривленные линии текстуры) с
узкой полосой сильно измененной структуры. Искривление линий текстуры
заметно уменьшается при удалении от магистральной линии сдвига.
Полость, вытянутая вдоль линии сдвига вблизи другой угловой точки (на
рис. 8,а поз. 3), переходит в вытянутую вдоль этой линии область интен
сивного повреждения материала в виде мелких и крупных пор (на рис. 8,а
поз. 4), к которой прилегает область измененной структуры. Слабо выра
женная полоса локализованного сдвига имеет место также вблизи полости,
выходящей из верхней угловой точки. Следует заметить, что при соблю
дении осевой симметрии микроструктура вдоль правой и левой линий
сдвига должна мало отличаться, а незначительные отличия могут быть
связаны с некоторым нарушением симметрии нагружения.
Интенсивное искривление линий текстуры непосредственно вблизи
области сильных изменений структуры свидетельствует о том, что дефор
мации сдвига локализованы в сравнительно узких полосах. Нечеткость
полученных изображений микроструктуры позволяет дать только прибли
женную оценку величины деформации (по углу наклона линий текстуры) в
этой области. Согласно такой оценке, деформация сдвига достигает 2,0.. .2,5.
Для исследования изменения микроструктуры при повышенной ско
рости нагружения образец нагружали на пневматическом копре ударом
цилиндрического ударника (диаметр и длина 30 мм) со скоростью более
60 м/с. В результате удара центральная часть образца № 7 (таблица) смес
тилась относительно краевых участков на 0,5...1,4 мм (нарушение сим
метрии нагружения не оказывает существенного влияния на кинетику
сдвига). Панорама поперечного сечения образца в области наибольших
деформаций, соответствующих максимальному перемещению, приведена на
рис. 8,б. Из полученных результатов следует, что деформация сдвига и
разрушение локализуются в узкой полосе, соединяющей угловые точки, в
которую входят участки различного сочетания повреждений и претерпев
шего фазовые превращения материала. Изменение структуры проявляется в
образовании участков узкой белой полосы адиабатического сдвига (ПАС) с
трещиной или без нее. На отдельных участках ПАС трещина проходит по ее
границе или в центральном сечении. Максимальный угол наклона видимых
полос текстуры вблизи ПАС составляет примерно 60о, следовательно, в
процесс деформирования, на определенном его этапе, включен не только
узкий слой материала в полосе локализованного сдвига, но и прилегающие
слои материала. Причем область интенсивного искривления линий текстуры
вблизи полосы адиабатического сдвига не превышает 0,1 мм, а на большем
удалении от нее угол наклона линий текстуры соответствует примерно
постоянной деформации сдвига (у = 0,3).
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2 37
Г. В. Степанов, В. А. Федорчук
области - б. б
Ударное нагруж ение образцов из т ит анового сплава. КЭП-образец из
титанового сплава дважды нагружали ударом массивной бабы (М = 29 кг) со
скоростью 5 м/с (образец № 1 в таблице). Перемещение центральной части
образца за цикл нагружения составляло примерно 0,4 мм. Абсолютная
величина перемещения центральной части образца равна 0,9 мм. Панорама
поперечного сечения рабочей зоны образца приведена на рис. 9,а. Из
полученных результатов следует, что деформация сдвига, локализованная в
узкой полосе, включающей участки различного сочетания разрушений и
структурных превращений, распространяется на всю длину линии между
угловыми точками. Концентрация напряжений в угловых точках вызвала
образование широких трещин у верхней и нижней поверхностей образца.
Эти повреждения заканчиваются мелкими порами округлой формы. Затем
идет ПАС, которая сменяется зоной магистральной трещины, иногда чере
38 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2
Локализованный сдвиг в металлах
дующейся с участками ПАС. Металлографическое исследование показало,
что на границе с ПАС наблюдаются локальные области измененной струк
туры материала в виде очень узких полос, параллельных линии сдвига,
которые рельефно выступают на фоне основной протравленной поверхности
шлифа и структуры с полосами, расположенными под углом 70...800 к
линии сдвига (рис. 9,6). На удалении примерно 1 5 0 .2 0 0 мкм от границы
ПАС изменения структуры незначительны.
Общим для стали и титанового сплава является возникновение в мате
риале вблизи угловых точек областей интенсивного пластического дефор
мирования, повреждения и разрушения материала. Изменение интенсив
ности напряжений (деформаций) вдоль линии, соединяющей угловые точки,
приводит к различию интенсивности локализованного сдвига и связанных с
ним изменений микроструктуры. Уменьшение интенсивности деформаций
вдоль магистральной линии сдвига приводит к расширению полосы изме
ненной структуры.
Микроструктурные изменения в стали и титановом сплаве аналогичны.
Повышенная склонность титанового сплава к образованию ПАС прояв
ляется в том, что полосы фазовых превращений возникают в нем при
скорости ударного нагружения 5 м/с, а в образце из стали развитие ПАС
имеет место только при скорости более 60 м/с.
Анализ микроструктур упрочненной стали показал, что повышенная
скорость ударного нагружения вызывает более интенсивное развитие де
формации сдвига вдоль магистральной полосы локализованного сдвига. Это
проявляется в распространении полосы измененной структуры на всю дли
ну линии между угловыми точками и в увеличении протяженности полос
тей, прилегающих к ним.
Результаты приведенных исследований упрочненной стали согласуются
с данными и выводами работ [6-9].
5. А нализ результатов численного моделирования. С целью оценки
напряженного состояния, возникающего в области локализованного сдвига в
КЭП-образцах, осуществлено численное моделирование методом конечных
элементов процесса осесимметричного деформирования в условиях удар
ного нагружения. Расчет проводили с использованием пакета прикладных
программ 1МРЯО [10] и уравнений состояния [11, 12]. Изолинии распре
деления интенсивности деформаций в начальный период деформирования
(5,6 мкс после начала нагружения) и более поздний (12,2 мкс) показаны на
рис. 10,а, а распределение интенсивности деформаций по радиусу в различ
ные моменты времени - на рис. 10,6.
Из анализа данных расчетов следует, что в начальный период нагру
жения пластическое течение локализовано вблизи угловой точки, приле
гающей к поверхности ударного нагружения. В этой области возникает
сложное напряженное состояние, связь которого с процессами разрушения
проанализировать затруднительно. При дальнейшем нагружении поле ин
тенсивных деформаций охватывает все сечение, и в результате интерфе
ренции волн развивается локализованное течение в узкой полосе, соеди
няющей угловые точки в образце при пониженном влиянии специфичес
кого напряженного состояния вблизи этих точек. На этой стадии локализо
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2 39
Г. В. Степанов, В. А. Федорчук
ванное пластическое деформирование развивается практически одинаково
по всей длине полосы сдвига и может удовлетворительно моделироваться с
использованием одномерной модели сдвига [5], преимущество которой за
ключается в применимости для расчета больших деформаций.
0.15
0.10
0.05
о
/ Л
Ч\*<- -
— -----— 1-
0.7 0.9 1.1 г, см
б
Рис. 10. Распределение изолиний интенсив
ности деформаций е г- в радиальном сечении
КЭП-образца на разных стадиях процесса на
гружения (1 - t = 5,6 мкс, 2 - £ = 12,2 мкс) - а
и изменение интенсивности деформаций в
среднем сечении для материалов с разным
пределом текучести (1,2 - от = 2,0 ГПа,
£ = 5,6 и 12,2 мкс соответственно; 3 -
о т = 0,4 ГПа, £ =12,2 мкс) - б.
є
Следовательно, приведенный краткий анализ позволяет распространить
результаты расчетов, полученных на одномерной модели локализованного
сдвига, на процесс деформирования в полосе интенсивного сдвига КЭП-
образца при изучении второй стадии процесса нагружения (после форми
рования полосы локализованного сдвига). Это касается оценки влияния на
процесс пластического течения теплопроводности материала, деформаци
онного упрочнения, линейной и нелинейной вязкости, развития повреж
дений и других особенностей деформирования материала при ударном на
гружении [5].
Данные численного моделирования качественно соответствуют резуль
татам проведенных микроструктурных исследований. Повышенная интен
сивность деформаций наблюдается вблизи угловых точек (на микрошлифах
вблизи этих точек образуются области разрыхленного материала, трещины с
рваными краями). Характер распределения деформации сдвига на удалении
от этих точек соответствует результатам моделирования.
Заключение. При ст упенчат ом ударном нагруж ении, не вызывающем
существенного повышения температуры, инициирование разрушения плос
ких образцов из высокопрочной стали и титанового сплава с утоненной
областью связано с возникновением начальной трещины у свободной гра
ницы пластически деформированной области. Дальнейшее распространение
этой трещины предотвращает развитие сдвиговой деформации.
Предельная пластичность высокопрочной стали и титанового сплава,
определенная по максимальной величине деформации сдвига, значительно
выше, чем определенная по результатам испытаний на растяжение.
В высокопрочной стали и титановом сплаве при одинаковых условиях
нагружения первичные и вторичные трещины возникают по достижении
40 ІББИ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2
Локализованный сдвиг в металлах
предельной деформации в центральной части пластически деформирован
ной области во взаимно перпендикулярных плоскостях, положение которых
различно для рассмотренных материалов.
В образцах из тонколистовой мягкой стали максимальные деформации
сдвига вблизи краевой области у концентратора напряжений вызывают
зарождение краевой трещины, что не позволяет оценить максимальную
пластичность при сдвиге.
При адиабат ическом процессе деф орм ирования, в котором сущест
венно влияние локализованного повышения температуры, результаты мик-
роструктурных исследований показали, что в зависимости от конкретного
напряженно-деформированного состояния металла в области сдвига воз
можны различные механизмы процесса разрушения:
образование цепочки пор или трещин в металле без фазовых пре
вращений;
возникновение протяженной области поврежденного материала в ре
зультате слияния микроповреждений;
развитие узкой полосы локализованного сдвига, продолжение которой
в область пониженной интенсивности напряженно-деформированного со
стояния сопровождается ее расширением;
развитие полосы адиабатического сдвига (фазовых превращений) и
повреждений (пор, микротрещин).
По результ ат ам численного м оделирования напряженно-деформиро
ванного состояния в КЭП-образцах с использованием метода конечных
элементов процесс развитой локализации может моделироваться одномер
ной моделью сдвига, применимой для моделирования больших деформаций.
Авторы выражают искреннюю признательность координатору проекта
ШТА8-96-2141 проф. Я. Клепачко за поддержку проводимых исследований
и полезные советы.
Р е з ю м е
Наведено основні результати дослідження локалізованої деформації зсуву
високоміцної сталі, титанового сплаву та тонколистової м ’якої сталі при
ударному навантаженні. Аналіз результатів експериментів, зміни мікро
структури й чисельного моделювання свідчить про вплив на виникнення
смуг адіабатичного зсуву при високошвидкісному деформуванні взаємо
зв’язаних процесів деформаційного зміцнення й розігріву при пластичному
деформуванні та фазових перетворень у матеріалі. Розподіл температури в
областях локалізації деформації зумовлює розвиток пов’язаних з нею мікро-
структурних змін у металі. При зниженій швидкості навантаження й малому
прирості деформації за цикл навантаження, що виключає значний розігрів
матеріалу, розвивається нерівномірне деформування без різкої локалізації
деформації.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 2 41
Г. В. Степанов, В. А. Федорчук
1. M oss G. L. Shear strains, strain rates and temperature changes in adiabatic
shear bands / M. A. Meyers and L. E. Murr (Eds.), Shock Waves and
High-Strain Rates Phenomena in Metals, Plenum Press, New York. - 1981.
- 299 p.
2. O lson G. F., M esca ll J. F., a n d A zrin M . Adiabatic deformation and strain
localization / M. A. Meyers and L. E. Murr (Eds.), Shock Waves and
High-Strain Rates Phenomena in Metals, Plenum Press, New York. - 1981.
- 221 p.
3. С т епанов Г. В., Х арченко В. В., Г урский В. Н . Исследование осо
бенностей развития высокоскоростного локализованного сдвига в ме
талле. - Пробл. прочности. - 1995. - № 3. - С. 41 - 45.
4. С т епанов Г. В. Локализация деформации сдвига в металле при дина
мическом нагружении. - Там же. - № 8. - С. 52 - 59.
5. С т епанов Г. В., Ф едорчук В. А . Локализованный сдвиг в тонколисто
вом материале. - Там же. - 1999. - № 5. - C. 53 - 63.
6. K lepaczko J. R . Remarks on impact shearing // J. Mech. Phys. Solids. -
1998. - 46, N 10. - P. 2139 - 2153.
7. K lepaczko J. R. a n d K lo sa k M . Numerical study of the critical impact
velocity in shear // Eur. J. Mech. Solids. - 1999. - 18. - P. 93 - 113.
8. R aftenberg M . N . Proposed coupling between adiabatic shear banding and
tensile failure in a steel target / N. Atluri and P. E. O’Donoghue (Eds.),
Modeling and simulation based engineering, Tech. Science Press: Palmdale,
California. - 1998. - Vol. 2. - P. 1157 - 1162.
9. R aftenberg M . N. a n d K rause C. D . Metallographic observations of armor
steel spesimens from plates perforated by shaped charges jets // Int. J.
Impact Eng. - 1999. - 23. - P. 757 - 770.
10. Х арченко В. В. Вязкопластические эффекты в процессах высокоско
ростного локального деформирования материалов и элементов конст
рукций: Автореф. дис. д-ра техн. наук. - Киев, 1998.
11. С т епанов Г. В . Упруго-пластическое деформирование и разрушение
материалов при импульсном нагружении. - Киев: Наук. думка, 1991. -
287 с.
12. Johnson R. G. a n d C ook W. H . Fracture characteristics of three metals
subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures // Eng.
Fract. Mech. - 1985. - 21, N 1. - P. 31 - 48.
Поступила 07. 06. 99
42 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 2
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46204 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T00:32:43Z |
| publishDate | 2000 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Степанов, Г.В. Федорчук, В.А. 2013-06-28T16:27:58Z 2013-06-28T16:27:58Z 2000 Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении / Г.В. Степанов, В.А. Федорчук // Проблемы прочности. — 2000. — № 2. — С. 27-42. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46204 539.4 Приведены основные результаты исследования локализованной сдвиговой деформации высокопрочной стали, титанового сплава и тонколистовой мягкой стали при ударном нагружении. Анализ результатов экспериментов, изменений микроструктуры и численного моделирования свидетельствует о влиянии на возникновение полос адиабатического сдвига при высокоскоростном деформировании взаимосвязанных процессов деформационного упрочнения и разогрева при пластическом деформировании и фазовых превращений в материале. Распределение температуры в областях локализации деформации обусловливает развитие связанных с ней микроструктурных изменений в металле. При пониженной скорости сдвига и малом приращении деформации за цикл нагружения, исключающих значительный разогрев материала, развивается неравномерное деформирование без резкой локализации деформации. Наведено основні результати дослідження локалізованої деформації зсуву високоміцної сталі, титанового сплаву та тонколистової м ’якої сталі при ударному навантаженні. Аналіз результатів експериментів, зміни мікроструктури й чисельного моделювання свідчить про вплив на виникнення смуг адіабатичного зсуву при високошвидкісному деформуванні взаємозв’язаних процесів деформаційного зміцнення й розігріву при пластичному деформуванні та фазових перетворень у матеріалі. Розподіл температури в областях локалізації деформації зумовлює розвиток пов’язаних з нею мікроструктурних змін у металі. При зниженій швидкості навантаження й малому прирості деформації за цикл навантаження, що виключає значний розігрів матеріалу, розвивається нерівномірне деформування без різкої локалізації деформації. We discuss the basic results of study of localized shear strain in high-strength steel, titanium alloy, and thin-sheet mild steel under impact loading conditions. The analysis of the experimental results, microstructural changes and numerical modeling proves that formation of adiabatic shear bands under high-velocity straining conditions is affected by the interrelated processes of strain hardening, plastic strain-induced temperature rise and phase transformations in the material. The temperature distribution in zones with localized strains controls the development of the corresponding microstructural changes in the material. In the cases of low velocity of shear straining and small strain increment per loading cycle where significant temperature rise in the material is ruled out, a nonuniform deformation occurs without pronounced strain localization. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении Localized Shear in Metals under Impact Loading Conditions Article published earlier |
| spellingShingle | Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении Степанов, Г.В. Федорчук, В.А. Научно-технический раздел |
| title | Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении |
| title_alt | Localized Shear in Metals under Impact Loading Conditions |
| title_full | Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении |
| title_fullStr | Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении |
| title_full_unstemmed | Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении |
| title_short | Локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении |
| title_sort | локализованный сдвиг в металлах при ударном нагружении |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46204 |
| work_keys_str_mv | AT stepanovgv lokalizovannyisdvigvmetallahpriudarnomnagruženii AT fedorčukva lokalizovannyisdvigvmetallahpriudarnomnagruženii AT stepanovgv localizedshearinmetalsunderimpactloadingconditions AT fedorčukva localizedshearinmetalsunderimpactloadingconditions |