Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава
Представлена методика ударного сжатия высокопрочной стали типа 20Х2Н4А и титанового сплава типа ВТ8. Приведены экспериментальные результаты испытаний указанных материалов. Анализ данных показал существенное повышение сопротивления сжатию при расширенном на порядок диапазоне исследуемых скоростей...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2002 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2002
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46758 |
| 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: | Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава / Г.В. Степанов, В.И. Зубов // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 30-36. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859678040932483072 |
|---|---|
| author | Степанов, Г.В. Зубов, В.И. |
| author_facet | Степанов, Г.В. Зубов, В.И. |
| citation_txt | Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава / Г.В. Степанов, В.И. Зубов // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 30-36. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Представлена методика ударного сжатия высокопрочной стали типа 20Х2Н4А и титанового
сплава типа ВТ8. Приведены экспериментальные результаты испытаний указанных
материалов. Анализ данных показал существенное повышение сопротивления сжатию при
расширенном на порядок диапазоне исследуемых скоростей деформации. Зависимость
сопротивления деформации сжатия при увеличении скорости деформации значительно
возрастает.
Представлено методику ударного стиску високоміцної та титанового сплаву типу ВТ сталі типу 20Х2Н4А 8. Наведено експериментальні результати досліджень цих матеріалів. Аналіз результатів свідчить про суттєве підвищення
опору стиску при розширеному на порядок діапазоні досліджуваних
швидкостей деформування. Залежність опору стиснення при підвищенні
швидкості деформації істотно зростає.
We propose a procedure for impact compression of high-strength 20Kh2N4A steel and VT8 titanium alloy, and present test results for the above materials. As the data analysis has demonstrated,
the compression strength improves significantly when the range of the investigated strain rates is expanded by an order. Thus, the
material resistance to compressive deformation increases significantly with the strain rate.
|
| first_indexed | 2025-11-30T16:48:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4
Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава
Г. В. Степанов, В. И. Зубов
Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
Представлена методика ударного сжатия высокопрочной стали типа 20Х2Н4А и титано
вого сплава типа ВТ8. Приведены экспериментальные результаты испытаний указанных
материалов. Анализ данных показал существенное повышение сопротивления сжатию при
расширенном на порядок диапазоне исследуемых скоростей деформации. Зависимость
сопротивления деформации сжатия при увеличении скорости деформации значительно
возрастает.
Ключевые слова: ударное сжатие, скорость деформации, изотермический
процесс, адиабатический процесс, пластическая деформация, цикл нагру
жения.
Испытания на ударное сжатие позволяют определить влияние скорости
деформации на сопротивление пластическому деформированию при близ
ком к одноосному напряженному состоянию в зависимости от деформации и
ее скорости. При динамическом нагружении процесс деформирования с
достаточной точностью может быть принят адиабатическим, что приводит к
повышению температуры с ростом деформации. Определение эффектов,
связанных с деформационным упрочнением (без дополнительного влияния
температуры), обеспечивается ступенчатым деформированием в результате
ряда последовательных нагружений (с небольшим приращением пласти
ческой деформации в каждом цикле нагружения). Незначительное повы
шение температуры в каждом цикле, исчезающее за время между циклами,
не оказывает существенного влияния на сопротивление деформации, а изме
ренные после каждого цикла нагружения пластическая деформация и со
ответствующее ей усилие позволяют построить по точкам зависимость
истинные напряжение-деформация. Полученная зависимость может быть
принята изотермической для динамического нагружения. Методика и ре
зультаты таких испытаний высокопрочной стали и титанового сплава пред
ставлены ниже.
Схема испытаний на ударное сжатие (рис. 1) основана на разработках
Института проблем прочности НАН Украины, апробированных и использо
ванных ранее [1]. Образец 2 деформируется между наковальней-индентором
1 и передающим стержнем 3, которые центрируются в отверстии плиты 4.
Стержень 3 воспринимает удар тела 5 с заданной скоростью. Деформация
образца за цикл нагружения прекращается при соприкосновении торца на
гружающей массы с плитой 4. Величина деформации за цикл ограничи
вается установкой стального кольца соответствующей высоты.
Максимальную нагрузку на образец определяли по размеру отпечатка, образованного внедрением конической части наковальни индентора в под
кладную пластину-свидетель 6, с использованием тарировочной зависимос
ти усилие-диаметр отпечатка, полученной при статическом внедрении кони
ческого индентора с углом у вершины 90°.
© Г. В. СТЕПАНОВ, В. И. ЗУБОВ, 2002
30 /ЗЗЖ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3
Динамическое сжатие высокопрочной стали
6
А
Рис. 1. С хем а нагруж ения образца при испы таниях на динам ическое сжатие на вертикальном
копре с падаю щ им грузом.
Скорость пластической деформации образца за цикл нагружения рас
считывали по скорости нагружающего тела с учетом увеличения глубины
отпечатка в подкладной плите.
Принимается, что в объеме образца в виде короткого цилиндра длиной /
создается напряженно-деформированное состояние (НДС), близкое к одно
родному одноосному. Напряженное состояние возникает в образце до начала
его пластического деформирования в результате интерференции волн после
начала нагружения за время нескольких пробегов продольной упругой вол
ны по образцу, = (2 - 5)1/с0 (с0 - скорость продольной упругой волны).
Скорость деформирования во времени (после короткого периода ее нараста
ния) определяется по скорости соударения. Время неустановившегося состо
яния, которое определяется неупругими эффектами в областях контакта
элементов цепи нагружения (поверхностей контакта нагружающей массы и
передающего стержня, торцов образца с прилегающими элементами, инден-
тора с плитой-свидетелем) и волновыми процессами в этих элементах,
примерно равно .̂
Деформирование на малую величину обеспечивается благодаря после
довательным ударам тела массой Мо. Деформация за каждый цикл нагру
жения выбирается такой, чтобы:
а) построить аппроксимационную кривую деформирования по точкам;
б) предотвратить возникновение существенного теплового разогрева и
проявления связанных с ним изменения сопротивления, локализации де
формации и других возможных эффектов;
в) максимальное усилие в конце цикла нагружения соответствовало
установившемуся течению материала, которое происходит при длительности
цикла нагружения гс > ̂ = 5//с. Для образцов из стали и титанового сплава
длиной / = 12 мм получим гс >12 мкс, что определяет необходимое измене
ние длины образца за цикл Д/> гс\/2. Это приращение равно Д/ = 0,03 мм
(де = 0,25%) при V = 5 м/с и Д/ = 0,3 мм (де = 2,5%) при V = 50 м/с.
Постоянство скорости (с заданным допуском Дг/г) на стадии устано
вившегося течения материала образца обеспечивается соответствующим
выбором нагружающей массы с учетом сопротивления испытуемого матери
ала, объема образца V = пй2 //4, величины его деформации де за удар и
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2002, № 3 31
Г. В. Степанов, В. И. Зубов
скорости удара v. Заданное допустимое снижение скорости движения Av/v
нагружающей массы M в результате ее замедления при деформировании
образца определяется уравнением баланса энергии:
Av/v = 1-[1-2(ode)V/Mv 2]1/2. (1)
Следовательно, масса M должна удовлетворять условию
M > (оде)(nd2l/4)/v2[(Av/v)- (Av/v)2/2]. (2)
При соответствующих параметрах: d = 8 мм, l = 12 мм, Av/v = 0,05,
о= 1,2 ГПа получим условия:
M > 24 кг для v = 2,5 м/с; де = 0,010;
M > 0,15 кг для v = 50 м/с; де = 0,025.
В цепи нагружения происходит перераспределение скорости между ее
элементами. Ударное воздействие массы M0, имеющей начальную скорость
v 0 при массе передающего стержня M1, позволяет определить расчетную
скорость движения нагружаемой поверхности образца, принимая удар не
упругим (без учета упругой деформации, отскоков и волновых процессов в
цепи нагружения),
v = v0[M0/(M0 + M 1)]= v0[1-MJM]; M = M0 + M1. (3)
Средняя скорость перемещения нагружаемой поверхности при ударе
равна
vс = v[1- (Av/v)/2]. (4)
Средняя скорость пластической деформации на установившемся участ
ке цикла нагружения определяется по средней скорости перемещения vс
массы M с учетом перемещения образца AI и дополнительного внедрения
индентора Ah (время нагружения At= (Al + Ah)/vс). Таким образом, из (3),
(4) получаем
е' = (Al/l )/ At = v с( Al/l )/( Al + Ah) =
= (v0/1)[1- (Av/v)/2][1-Ah/(Al + Ah)][1- M̂ (M0 + M1]. (5)
При выборе масс в соответствии с условием (2) при Av/v = 0,1 изме
нением скорости в процессе осадки образца можно пренебречь, и опреде
лять скорость деформации по упрощенной зависимости
е' = (v0/1)[1- 1/(Al/Ah + 1)][1- M 1/(M0 + M1)]. (6)
32 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 3
Динамическое сжатие высокопрочной стали
Адиабатическое повышение температуры (пренебрегая теплопровод
ностью) за один цикл нагружения при деформации не более 2,5%, плотности
р и удельной теплоемкости ср для стали составляет
М =ое/(рср) = 1,2-109 • 0,025/7,85-103 • 461 < 10K.
Статическое нагружение. Сжатие при статическом нагружении прово
дили на испытательной машине Instron-100kN со скоростью 1 мм/мин (таблица). При деформации сжатия более 10% происходит искривление оси
образца, следовательно, регистрируемое усилие не отражает корректно со
противление материала.
Результаты испытаний на статическое сжатие
М атериал P, кг l, мм d , мм £ ,% а , М П а
Титановый 0 12,01 8,00 0 0
сплав 5000 11,93 8,01...8,05 0,67 988
5500 11,64 8,2.8,5.,08, 3,08 1051
6000 11,22 8, 2. 8, 6 О 6,58 1094
Вы сокопрочная 0 12,01 7,99 0 0
сталь 6500 11,89 8,04 1,00 1281
7000 11,65 8,15 3,00 1343
7500 11,20 8,38 6,74 1361
Динамическое нагружение. Динамическое сжатие со скоростью до 5 м/с
проводили на вертикальном копре ударом свободно падающего груза массой
25 кг, что соответствует условию (2). Скорость удара с высокой точностью
отвечает скорости движения этого груза, поскольку масса передающего
стержня М1 мала, М ̂ ( М 0 + М1) << 1.
Динамическое сжатие со скоростью выше 25 м/с осуществляли на
пневматическом вертикальном копре [1, 2]. Закрепленная на пенопластовом
поддоне нагружающая масса, величина которой удовлетворяет условию (2),
разгонялась по каналу ствола давлением сжатого воздуха.
Величину нагрузки на образец определяли по диаметру отпечатка в
подкладной металлической пластине, образованного наковальней-инденто-
ром под действием нагрузки на образец. В качестве материала подкладной
пластины использовали полосу из испытываемой высокопрочной стали. По
верхности полосы прошлифованы. Размеры отпечатка измеряли на инстру
ментальном микроскопе (диаметр на уровне верхней точки наплыва) и с
использованием шара в лунке (рис. 2).
Тарировочную зависимость усилие-квадрат диаметра отпечатка (рис. 3)
при статическом нагружении строили по регистрируемому усилию и изме
ренному диаметру отпечатка при внедрении на разную глубину индентора с
углом у вершины 90°.
Скорость Vо разгоняемой массы Мо рассчитывали по высоте ее
свободного падения или по времени пролета базового участка пути при
разгоне на вертикальном пневматическом копре. Время перемещения между
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 3 33
Г. В. Степанов, В. И. Зубов
двумя электрическими контактами регистрировали электронным хрономет
ром. Чтобы повысить надежность регистрации, использовали два параллель
но соединенных хронометра.
Рис. 2. С хем а измерения глубины отпечатка, к = Б0 — В + Л (1+ л/2).
Р - 1 0 “ 3 , кг
Рис. 3. Т арировочная зависим ость усилие-квадрат диам етра отпечатка при статическом
нагруж ении стали (1) и титанового сплава (2).
Для статических и динамических испытаний высокопрочной стали и
титанового сплава применяли идентичные образцы в виде цилиндра диамет
ром dо = 8 мм и длиной 1о =12 мм. Образцы были изготовлены токарной
обработкой заготовок в виде полос 12x12 мм, вырезанных из листового
проката в состоянии поставки без термообработки с твердостью 43 ИЯС
(высокопрочная сталь) и 42 ИЯС (титановый сплав).
Осевую и поперечную деформацию образца с начальными длиной ̂ и
диаметром dо определяли после каждого цикла ударного нагружения не
посредственным измерением микрометром соответствующих размеров
образца (ї - длина; dl и d2 - диаметры в средней части в двух перпен
дикулярных направлениях после деформации, d = (d 1 + d2 )/2):
е = ї/ї о — 1; ір = (d/d о)2 — 1.
Максимальное усилие сжатия образца Р в каждом цикле нагружения
определяли по измеренному на инструментальном микроскопе радиусу от
печатка: Я = ( — Я2)/2 (Ях и Я2 - радиусы отпечатка в двух перпен
дикулярных направлениях) с использованием тарировочной зависимости
Р(( В )2).
34 1&$М 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3
Динамическое сжатие высокопрочной стали
Истинное напряжение в средней части образца составляет:
о = р/(лd2/4); е~ (г//)г.
где I и d - текущие длина и диаметр рабочей части образца.
Средняя скорость деформации, определенная по величине предельного
удлинения Iс/1 при разрушении и времени неупругой деформации гс,
£'« (I с/I - 1)г с
примерно соответствует расчетной скорости деформации. Результаты экспе
риментов представлены на рис. 4. Повышение скорости деформации при
водит к росту сопротивления. Согласно данным испытаний, модуль дефор
мационного упрочнения материала Км = dо|de, определяемый наклоном
касательной к кривой о(е), монотонно снижается с ростом пластической
деформации как при статическом, так и динамическом нагружении и повы
шается с ростом скорости деформации. Это согласуется с известными
исследованиями, свидетельствующими, что деформационное упрочнение
при динамическом нагружении выше, чем при статическом. Показателем
влияния на упрочнение материала является история предшествующей де
формации [1, 2].
о , МПа о , МПа
а б
Рис. 4. Э ксперим ентальны е зависим ости сопротивления сжатию от величины деформации
для стали (а) и титанового сплава (б) при различны х уровнях скорости деф орм ации е': 1 -
е' = 0,2• 10-3 с- 1 ; 2 - е' = (0 ,2 ...0 ,4 ) -103 с- 1 ; 3 - е' = (0 ,4 ...4 ,0 ) -103 с- 1 .
Испытание на ступенчатое ударное сжатие с высокой скоростью корот
ких цилиндрических образцов позволяет получить кривую напряжение-
деформация при высокоскоростном изотермическом сжатии. Такая методика
может быть применена для исследования влияния скорости деформации в
диапазоне более высоких скоростей нагружения и оценки влияния на сопро
тивление материала температуры.
Диаграммы деформирования стали и титанового сплава (диаграммы
истинные напряжение-деформация) показывают, что металлы проявляют
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2002, № 3 35
Г. В. Степанов, В. И. Зубов
существенное деформационное упрочнение при статическом и динамичес
ком нагружении. С повышением скорости нагружения сопротивление де
формации сжатия монотонно возрастает.
Р е з ю м е
Представлено методику ударного стиску високоміцної сталі типу 20Х2Н4А та титанового сплаву типу ВТ8. Наведено експериментальні результати
досліджень цих матеріалів. Аналіз результатів свідчить про суттєве підви
щення опору стиску при розширеному на порядок діапазоні досліджуваних
швидкостей деформування. Залежність опору стиснення при підвищенні
швидкості деформації істотно зростає.
1. Степанов Г. В. Упругопластическое деформирование и разрушение
материалов при импульсном нагружении. - Киев: Наук. думка, 1991. -
288 с.
2. Ващенко О. П. Деформування та руйнування конструкційних матеріалів
2 5 _іза високошвидкісної деформації (10 ...10 с ) і температур 77 ...773 К:
Автореф. дис. ... д-ра. техн. наук. - Київ, 1995. - 48 с.
П оступила 14. 11. 2001
36 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 3
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46758 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T16:48:23Z |
| publishDate | 2002 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Степанов, Г.В. Зубов, В.И. 2013-07-06T15:32:56Z 2013-07-06T15:32:56Z 2002 Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава / Г.В. Степанов, В.И. Зубов // Проблемы прочности. — 2002. — № 3. — С. 30-36. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46758 539.4 Представлена методика ударного сжатия высокопрочной стали типа 20Х2Н4А и титанового сплава типа ВТ8. Приведены экспериментальные результаты испытаний указанных материалов. Анализ данных показал существенное повышение сопротивления сжатию при расширенном на порядок диапазоне исследуемых скоростей деформации. Зависимость сопротивления деформации сжатия при увеличении скорости деформации значительно возрастает. Представлено методику ударного стиску високоміцної та титанового сплаву типу ВТ сталі типу 20Х2Н4А 8. Наведено експериментальні результати досліджень цих матеріалів. Аналіз результатів свідчить про суттєве підвищення опору стиску при розширеному на порядок діапазоні досліджуваних швидкостей деформування. Залежність опору стиснення при підвищенні швидкості деформації істотно зростає. We propose a procedure for impact compression of high-strength 20Kh2N4A steel and VT8 titanium alloy, and present test results for the above materials. As the data analysis has demonstrated, the compression strength improves significantly when the range of the investigated strain rates is expanded by an order. Thus, the material resistance to compressive deformation increases significantly with the strain rate. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава Dynamic Compression of High-Strength Steel and Titanium Alloy Article published earlier |
| spellingShingle | Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава Степанов, Г.В. Зубов, В.И. Научно-технический раздел |
| title | Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава |
| title_alt | Dynamic Compression of High-Strength Steel and Titanium Alloy |
| title_full | Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава |
| title_fullStr | Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава |
| title_full_unstemmed | Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава |
| title_short | Динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава |
| title_sort | динамическое сжатие высокопрочной стали и титанового сплава |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46758 |
| work_keys_str_mv | AT stepanovgv dinamičeskoesžatievysokopročnoistaliititanovogosplava AT zubovvi dinamičeskoesžatievysokopročnoistaliititanovogosplava AT stepanovgv dynamiccompressionofhighstrengthsteelandtitaniumalloy AT zubovvi dynamiccompressionofhighstrengthsteelandtitaniumalloy |