Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении

Приведены результаты испытаний металлов на ударное растяжение-сжатие и ударное индентирование. Установлено значительное повышение сопротивления металлов деформации с ростом скорости растяжения-сжатия и умеренной скорости индентирования. При высокой скорости индентирования динамическая твердость,...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2002
Main Author:	Степанов, Г.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2002
Series:	Проблемы прочности
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46755
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении / Г.В. Степанов // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 7-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46755
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-467552025-02-23T19:40:00Z Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении Metal Resistance to Deformation under Pulse Loading Conditions Степанов, Г.В. Научно-технический раздел Приведены результаты испытаний металлов на ударное растяжение-сжатие и ударное индентирование. Установлено значительное повышение сопротивления металлов деформации с ростом скорости растяжения-сжатия и умеренной скорости индентирования. При высокой скорости индентирования динамическая твердость, определяемая величиной удельной (на единицу объема смещенного материала) энергии образования конической каверны, снижается. Учет совместного влияния вязкости, повышения температуры в процессе пластической деформации и ее локализации позволяет объяснить указанный эффект. Наведено результати випробувань металів на ударний розтяг-стиск і ударне індентирування. Установлено значне підвищення опору металів деформації з ростом швидкості розтягу-стиску і помірної швидкості індентирування. За високої швидкості індентирування отримано зниження питомої (на одиницю об’єму зміщеного матеріалу) енергії формування конічної каверни. Урахування сумісного впливу в’язкості, підвищення температури в процесі пластичної деформації й її локалізації дозволяє пояснити цей ефект. We present results of metal testing in impact tension-compression and impact indentation. It is shown that high tension-compression rates and moderate rates of indentation result in a significant improvement of the metal resistance to deformation. High indentation rates provoke a decrease in the dynamic hardness, which is controlled by the specific energy (per unit volume of a displaced material) required for the formation of a conical cavity. The above phenomenon can be explained by the account taken of the combined effect of viscosity/temperature increase on the process of plastic deformation and its localization. 2002 Article Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении / Г.В. Степанов // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 7-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46755 539.374 ru Проблемы прочности application/pdf Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Степанов, Г.В. Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении Проблемы прочности
description	Приведены результаты испытаний металлов на ударное растяжение-сжатие и ударное индентирование. Установлено значительное повышение сопротивления металлов деформации с ростом скорости растяжения-сжатия и умеренной скорости индентирования. При высокой скорости индентирования динамическая твердость, определяемая величиной удельной (на единицу объема смещенного материала) энергии образования конической каверны, снижается. Учет совместного влияния вязкости, повышения температуры в процессе пластической деформации и ее локализации позволяет объяснить указанный эффект.
format	Article
author	Степанов, Г.В.
author_facet	Степанов, Г.В.
author_sort	Степанов, Г.В.
title	Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении
title_short	Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении
title_full	Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении
title_fullStr	Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении
title_full_unstemmed	Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении
title_sort	сопротивление металлов деформации при ударном нагружении
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2002
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46755
citation_txt	Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении / Г.В. Степанов // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 7-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT stepanovgv soprotivleniemetallovdeformaciipriudarnomnagruženii AT stepanovgv metalresistancetodeformationunderpulseloadingconditions
first_indexed	2025-11-24T17:12:35Z
last_indexed	2025-11-24T17:12:35Z
_version_	1849692631145119744
fulltext	НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ УДК 539.374 Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении Г. В. Степанов Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина Приведены результаты испытаний металлов на ударное растяжение-сжатие и ударное индентирование. Установлено значительное повышение сопротивления металлов дефор мации с ростом скорости растяжения-сжатия и умеренной скорости индентирования. При высокой скорости индентирования динамическая твердость, определяемая величиной удель ной (на единицу объема смещенного материала) энергии образования конической каверны, снижается. Учет совместного влияния вязкости, повышения температуры в процессе пластической деформации и ее локализации позволяет объяснить указанный эффект. Ключевые слова: ударное нагружение, сопротивление деформации, скорость деформации, растяжение, сжатие, индентирование. Введение. В литературных источниках широко представлены резуль таты исследований влияния скорости деформации на структуру и сопротив ление металлов деформации, особенно в диапазоне высоких скоростей де формации, превышающих 104 с-1, что характерно для ударного и взрывного нагружения. Как следует из результатов испытаний на растяжение-сжатие, сопротивление деформации при скорости деформации > 105 с-1 [1, 2] в несколько раз выше, чем при статическом нагружении (рис. 1). о , МПа 4000 ■ 200 0 ■ (9 0 < о о , МПа 3000 . 2000 ■ 1000 > 100000 200000 а 100000 200000 б - 1 - 1 Рис. 1. Зависимость предела текучести при сж атии (светлые точки) вы сокопрочной стали (а) и титанового сплава (б) от скорости деф орм ации (темны е точки - результаты испы таний на растяжение). © Г. В. СТЕПАНОВ, 2002 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 7 Г. В. Степанов Испытания на динамическую твердость (среднее давление на поверх ности контакта при внедрении в пластину жесткого индентора) позволяют определить влияние скорости деформации в широком диапазоне ее изме нения [3-5]. Твердость принимается равной удельной работе перемещения материала при образовании каверны ударом индентора Н = (дК/дк)/(жк 2) (приращение радиуса каверны дк соответствует изменению кинетической энергии индентора дК). Текущая средняя скорость деформации в металле у поверхности конической каверны радиусом г при скорости индентора V оценивается величиной е' = V/г. В качестве иллюстрации на рис. 2 приведена зависимость динами ческой твердости от средней скорости деформации, полученной путем обра ботки результатов экспериментов по внедрению конического индентора. При скорости ударного индентирования до 10 м/с повышение динамической твердости с ростом скорости обусловлено тем, что влияние вязкости выше влияния разогрева металла в адиабатическом процессе его пластического деформирования, понижающего сопротивление. При дальнейшем увеличении скорости индентирования динамическая твердость снижается, что сле дует из анализа результатов испытаний мягкой и высокопрочной стали, титанового и алюминиевого сплавов. Такое аномальное влияние скорости деформации на сопротивление металла деформированию при индентиро- вании можно объяснить развитием в металле неоднородного поля деформа ций (интенсивной локализацией деформаций) с образованием полос адиаба тического сдвига (ПАС). Реау , ГПа Рис. 2. С реднее давление на поверхности конической каверны в зависим ости от средней скорости деф орм ации при ударном индентировании малоуглеродистой стали. 1. Уравнения состояния металлов при высокой скорости деформа ции. Общие уравнения состояния с учетом влияния всей истории предшест вующего деформирования металла, т.е. деформационного упрочнения, вяз кости, давления объемного сжатия и температуры, изменяющихся во време ни, могут быть представлены в виде ^ (Р, V ,Т) = 0; ^ [а(О, е(О, Т()] = 0. (1) ТЗЗМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 38 Сопротивление металлов деформации Первое уравнение в (1) указывает на связь между средним напряжением (давлением объемного сжатия р), удельным объемом V материала и его температурой Т, второе - на связь между интенсивностями напряжений о і (г) и деформаций є і (г) с учетом изменения температуры при адиабати ческом (для динамического нагружения) пластическом деформировании. Для учета адиабатического разогрева металла при динамическом нагру жении система уравнений (1) дополняется уравнением, определяющим ско рость повышения температуры Т(г) в процессе деформирования (для ме талла с удельной теплоемкостью Су и коэффициентом тепловыделения Я): Уравнения (1) и (2) применимы для ограниченных режимов нагруже ния, соответствующих однородному деформированию и малому влиянию повреждения (разрушения). Для учета указанных процессов уравнения (1) должны быть дополнены уравнениями кинетики этих процессов. При компьютерном моделировании напряженно-деформированного со стояния (НДС) в элементах конструкций обычно используют упрощенные уравнения состояния в виде связи мгновенных интенсивностей напряжения, деформации и скорости деформации, пренебрегая влиянием истории пред шествующего нагружения. Примеры таких уравнений приведены в работах Джонсона и Кука [6], Армстронга [7], публикациях автора [1] и др.: где о̂ 1 ,Т)- сопротивление металла при статическом нагружении; ̂и К(£; ,Т) - коэффициенты, характеризующие влияние линейной и нелиней ной вязкости. В ряде случаев динамического нагружения должно учитываться сущест венное влияние истории нагружения (например, повышенное деформаци онное упрочнение поверхности металлической пластины под действием давления скользящей детонационной волны во взрывчатом веществе, ис пользуемое в технологии металлообработки). Снижение сопротивления металла пластическому деформированию с ростом скорости деформации при индентировании, по-видимому, - проявле ние при больших деформациях локализации деформаций [8, 9]. Резкое уменьшение интенсивности напряжений в металле при ударном инденти ровании с высокой скоростью, связанное с развитием ПАС, аналогично снижению сопротивления хрупкого материала деформированию, вызванного развитием системы трещин. Сопротивление металла деформированию после развития системы ПАС в основном контролируется его объемным сжатием и эффектами вязкости в полосах сдвига. Указанный механизм снижения твер дости подтверждается результатами экспериментов с двухступенчатым удар ным индентированием. Расчетное значение динамической твердости (опре делена по величине удельной энергии, затраченной на увеличение объема Т(г) =Яоі (І)є'і (гУ Су . (2) о і = / 1( Є і )/2( є і )/з(Т); 0 і = 0зі (Є і ,Т) + К(Є і ,Т) 1п(Єі ) + №'і, (3) ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 9 Г. В. Степанов каверны) при повторном ударном индентировании, не вызывающем значи тельного повышения пластической деформации и температуры, выше, чем при начальном нагружении. Понижение сопротивления при высокой скорости деформации уста новлено в экспериментах по распространению волны догрузки в материале, нагруженном ударной волной (публикации Г. Канеля). В работах Ю. Меще рякова показан специфический характер деформирования металла при ударно-волновом нагружении - возникновение интенсивных локальных де формаций по границам вращающихся локальных областей. Однако экспери ментальных данных недостаточно для разработки уравнений состояния, учитывающих этот эффект. В качестве первого приближения связь интенсивностей напряжения и деформации с учетом влияния ПАС может быть описана уравнением (3): ОI = А(е I ( 0 )[О (е ; ,Т) + К (е ; ,т)1п(£;. )]+ /ле\. (4) Множитель А(е I (г)) определяется историей нагружения и снижается почти до нуля при развитии неоднородного деформирования даже при относительно малом повышении средней температуры, если формируется система горячих слоев, в которых локализуется деформация. Высокая темпе ратура в полосах адиабатического сдвига вызывает быструю релаксацию напряжений (снижение интенсивности напряжений). Последующий тепло отвод из этих слоев приводит к выравниванию температуры через короткий промежуток времени и повышению сопротивления. Как пример, множитель А(е ; (г)), учитывающий эффекты нестабильности в металле, может быть принят в виде А(е; (г)) = 1/[1+ ке П (е;. )пг ]. (5) В диапазоне небольших пластических деформаций и низких скоростей деформации эффекты неоднородного деформирования незначительны (А(е;(г)) = 1 при кеПе(е;)м << 1). В диапазоне больших пластических де формаций и высоких скоростей деформации множитель А(е; (г)) близок к нулю, что соответствует чисто вязкой составляющей сопротивления дефор мации. 2. Численное моделирование расширения каверны. 2.1. Уравнение состояния металла. Сопротивление сдвигу при стати ческом нагружении (при низкой скорости пластической деформации) прини мали в виде (ер ,Т) = Бу[1+ Ивпр ]. (6) Влияние скорости пластической деформации на сопротивление учиты вали путем добавления к статической составляющей сопротивления его вязкой составляющей [1]. Пренебрегая возможным влиянием величины де формации, скорости деформации и температуры на коэффициент нелиней 10 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 Сопротивление металлов деформации ной вязкости л, а также влиянием скорости деформации, поврежденности и температуры на коэффициент динамичности , сопротивление пласти ческому сдвигу рассчитывали по уравнению Я (ер ,ер ) = Sst + КЛ Мер/ео) + Л(ер - ео) пРи 5 < ̂ шах. (7) причем коэффициент динамичности понижается в процессе пластического течения, т.е. роста величины пластической деформации, К = = КЛо/(1+ ер1ест ).Учет влияния температуры, возрастающей в процессе пластического течения, обеспечивается снижением статической и вязкой составляющих сопротивления: 5( ер, ер) = ̂ [1-( М/ТсГ)т ] + + [К* 1п(ёр/ео) + л(ер - ео)]/[1 + (АТ/ТсГ)т ]. (8) При повышении температуры на ДТ в адиабатическом процессе плас тического деформирования снижается модуль упругого сдвига С(Т) и воз растают термоупругие напряжения объемного сжатия от. Принимая посто янными модуль объемной упругости К и коэффициент температурного линейного расширения металла а для заданной объемной деформации е¥, получаем О(Т) = Со[1-(ДТ/Тсг)т ]; от = К(£V - 3аДТ). (9) Пластическое течение определяется решением системы уравнений ме ханики сплошной среды, включающей помимо уравнений состояния (урав нения (6)-(9)) уравнения сохранения массы, импульса и энергии, которые для случая цилиндрической симметрии представляются в виде дет— = дуг; дт де до, + V дт т ’ 2 о т - 0 1) до т 25■ + — - = —р- + к1д 2Т ср Р дх‘ т 1 дТ+----х дх дт (Ю)т (к - коэффициент температуропроводности). Начальные условия были приняты нулевыми. Скорость перемещения точек на границе каверны полагали постоянной, ступенчато возрастающей до заданной постоянной величины Vо. Параметры на каждом последующем временном шаге рассчитывали по скорости их изменения на предыдущем временном шаге с уточнением (схема прогноза-коррекции). 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 11 Г. В. Степанов 2.2. Анализ результатов численного моделирования процесса рас ширения каверны. Деформирование материала при индентировании моде лировали расширением цилиндрической каверны. Приведенные ниже пара метры, входящие в уравнение состояния материала (для высокопрочной стали), взяты из справочников или определены по результатам испытаний при ударном нагружении. Тег , 0 С ................. ................. 750 £ шах, ГП а ....... .....................5,0 <%,с 1 ................... ............. 1000 То, ° С .................. .....................20 в 0, ГП а ............ ......................80 ер , Д ж /(кг-К ) .... ................500 р , кг/м ............. ................7800 К , ГП а ............. ................... 170 к , м 2/с .................. .....2,5 -10“ 5 Бу , Г П а ............. ................... 1,0 а , К “ 1 ........... ..........1,0 -10“ 5 N ............................ ................150 п ..................... ................... 0,3 ц, П а • с ............ ............ 1,0 • 105 *01, мм ................. ................. 1,0 т ........................... ................... 1,0 К а , М П а .......... ......................60 ге шах, мм ............ .................2,2 По данным компьютерного моделирования расширения цилиндричес кой полости с заданной постоянной скоростью при устойчивом (без возник новения ПАС) деформировании материала, увеличение скорости расшире ния вызывает повышение давления на поверхности полости, что согласуется с экспериментальными результатами по ударному индентированию со ско ростью до 10 м/с. Повышение температуры в материале при его пластическом течении приводит к росту давления его объемного сжатия. Такое повышение давле ния (Ар = ЪаКАТ), не существенное при распространении плоской волны нагрузки (малые деформация и небольшое повышение температуры), со ставляет значительную часть общего давления на поверхности расширя ющейся каверны (большие деформации и высокие температуры). При повы шении температуры до 750оС (температура фазового превращения в перлит ной стали) расчетная термическая составляющая давления достигает 3,0 ГПа и компенсирует понижение сопротивления деформации, вызванное повыше нием температуры. Составляющие напряжений в стальной пластине вблизи поверхности каверны при ее расширении со скоростью Vо = 50 м/с представлены на рис. 3. Термическая составляющая объемного сжатия растет при расширении ка верны, а статическая составляющая интенсивности напряжений и вязкая составляющая снижаются. Результирующее давление на поверхности кавер ны а г после начального периода расширения с постоянной скоростью изменяется незначительно. Анализ приведенных результатов показал, что поле напряжений и деформаций, возникающее в материале при динами ческом расширении каверны, является следствием совместного влияния различных эффектов в материале (деформационное упрочнение, нелинейная вязкость, адиабатический разогрев и др.). Путем выбора параметров в множителе (5), учитывающем влияние нестабильности осесимметричного деформирования (возникновение ПАС), можно достичь такого снижения сопротивления с ростом скорости дефор мации, которое соответствует результатам испытаний по ударному инденти рованию. 12 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 Сопротивление металлов деформации Рис. 3. С ж имаю щ ие напряж ения вблизи поверхности каверны при ее расш ирении с постоян ной скоростью 50 м/с: 1 - общ ее радиальное напряж ение о г ; 2, 5 - интенсивность напря ж ений 5 и ее статическая составляю щ ая 5 ^ ; 3, 4 - терм ическая составляю щ ая давления р й и давление объемного изотермического сжатия р. Вблизи поверхности каверны интенсивность напряжений снижается с течением времени вследствие повышения температуры и снижения коэф фициента вязкости. Рост термической составляющей объемного сжатия ком пенсирует снижение сопротивления сдвигу и сохраняет давление на поверх ности каверны примерно на постоянном уровне, который увеличивается с повышением скорости расширения каверны. В начальный период расши рения каверны существенное влияние на этот процесс оказывает распрост ранение упругой волны. При удалении фронта упругой волны на значи тельное расстояние от поверхности каверны распределение напряжений и деформаций с достаточной точностью удовлетворяет условию геометри ческого подобия (кривые распределения радиального напряжения в раз личные моменты времени в зависимости от относительного радиуса г/гс практически совпадают). Повышение вязкой составляющей сопротивления, вызванное ростом скорости расширения каверны, приводит к увеличению давления на ее поверхности. Заключение. Увеличение скорости деформации вызывает рост сопро тивления деформации при всех видах испытаний (растяжение, сжатие, сдвиг, ударное индентирование при низкой скорости). При высоких скоростях ударного индентирования удельная (на единицу объема смещенного материала) энергия формирования конической каверны уменьшается с ростом скорости, что может быть обусловлено развитием в металле, прилегающем к поверхности каверны, полос локализованного сдвига. Учет в уравнениях состояния металлов совместного влияния эффектов вязкости, повышения температуры и неоднородности распределения темпе ратуры и деформации (их локализации, нарушающей осесимметричность НДС) позволяет повысить корреляцию результатов испытаний при ударном индентировании и их численного моделирования. 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3 13 Г. В. Степанов Р е з ю м е Наведено результати випробувань металів на ударний розтяг-стиск і ударне індентирування. Установлено значне підвищення опору металів деформації з ростом швидкості розтягу-стиску і помірної швидкості індентирування. За високої швидкості індентирування отримано зниження питомої (на одиницю об’єму зміщеного матеріалу) енергії формування конічної каверни. Ураху вання сумісного впливу в’язкості, підвищення температури в процесі плас тичної деформації й її локалізації дозволяє пояснити цей ефект. 1. Степанов Г. В. Упругопластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении. - Киев: Наук. думка, 1991. - 288 с. 2. Степанов Г. В., Зубов В. І. Динамічний стиск з високою швидкістю високоміцної сталі та титанового сплаву // Наукові вісті Національного техн. ун-ту України. - 2000. - № 6. - C. 75 - 80. 3. Козлов В. С. Модель проникания, учитывающая вязкостные свойства материалов соударяемых тел // Пробл. прочности. - 1986. - № 3. - С. 47 - 52. 4. Степанов Г. В., Сафаров Э. Г. Сопротивление внедрению конического стержня в упругопластическую среду // Там же. - 1990. - № 4. - С. 69 - 74. 5. Степанов Г. В., Зубов В. И. Анализ сил сопротивления алюминиевого сплава внедрению стального цилиндра со скоростью до 450 м/с // Там же. - 1998. - № 5. - С. 106 - 110. 6. Johnson R. G. and Cook W. H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures, and pressures // Eng. Fract. Mech. - 1985. - 21, No. 1. - P. 31 - 48. 7. Zerilli F. J. and Armstrong R. W. Dislocation - mechanics-based constitutive relations for material dynamics calculations // J. Application Phys. - 1987. - 61(5), No. 1. - P. 1816 - 1825. 8. Stepanov G. and Zubov V. Dynamic hardness of high-strength steel and titanium alloy // J. Phys. IV. France 10. - 2000. - P. 647 - 651. 9. Stepanov G. and Fedorchuk V. Localized shear in metals under impact loading // Ibid. - P. 707 - 712. П оступила 14. 11. 2001 14 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 3

Сопротивление металлов деформации при ударном нагружении

Institution

Similar Items