МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 6 • 2014
УДК 539.3
© 2014 г. ВЛ. ВАС. БАЛАНДИН, ВЛ. ВЛ. БАЛАНДИН, А. М. БРАГОВ, Л. А. ИГУМНОВ, А. Ю. КОНСТАНТИНОВ, А. К. ЛОМУНОВ
ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ СТАЛИ 09Г2С
В работе приводятся результаты экспериментально-теоретического исследования закономерностей деформирования и разрушения стали 09Г2С в широком диапазоне изменения скоростей деформации и температур. Для определения динамических диаграмм деформирования и предельных характеристик пластичности при высокоскоростном деформировании использовался метод Кольского при испытаниях на сжатие, растяжение и сдвиг. Исследование упруго-пластических свойств и откольной прочности проводилось на газовой пушке калибра 57 мм с использованием интерферометра VISAR по методике плосковолнового эксперимента. На основании полученных с помощью метода Кольского данных были определены параметры модели Джонсона—Кука, описывающей в рамках теории течения зависимость радиуса поверхности текучести от деформации, скорости деформации и температуры.
Ключевые слова: сталь, метод Кольского, сжатие, растяжение, сдвиг, откол, скорость деформации, температура, модели пластичности, идентификация.
1. Введение. В процессе эксплуатации несущие и защитные конструкции авиакосмической, энергетической, атомной и других видов техники в результате природных и техногенных катастроф, террористических актов могут испытывать интенсивные воздействия ударного, взрывного или иного характера. В результате подобных воздей-
ствий конструкционные материалы, из которых изготовлены конструкции, на первом этапе деформируются за счет упругопластических или ударных волн. На этом этапе интерференция волн нагрузки и разгрузки, возникающих в результате отражения волн сжатия от свободных поверхностей, может привести к откольным разрушениям [1—3]. Следует отметить, что скорости деформации при этом достигают значений 104^106 с-1.
На втором этапе, который может быть катастрофическим по своим последствиям, конструкционные материалы деформируются и разрушаются под действием инерционных сил при скоростях деформации 102-103 с-1. Естественно, что для расчета на прочность конструкций, испытывающих интенсивные динамические воздействия, необходимы знания физико-механических свойств материалов в широком диапазоне высоких скоростей деформаций от 102 до 106 с-1. В настоящее время для изучения динамических свойств в этом диапазоне скоростей деформаций наиболее часто используют два метода: метод Кольского [4-5] и метод плосковолнового ударного или взрывного эксперимента [2, 6]. Начиная с 70-х годов прошлого века, для изучения упругопластических свойств и откольной прочности материалов в плоских волнах нагрузки широко используют различного рода интерферометры: интерферометр скорости [7-8], интерферометрическую систему VISAR [9] и другие интерферометры. Сле-
Фиг. 1
дует отметить, что в России интерферометр VISAR впервые был создан и применен в ударно-волновых экспериментах Г.И. Канелем и С.В. Разореновым.
В статье представлены результаты комплексного исследования динамических свойств стали 09Г2С при сжатии, растяжении и сдвиге, проведенного с использованием метода Кольского, а также результаты плосковолновых экспериментов, полученные с помощью лазерного интерферометра VISAR.
2. Экспериментальные методы. В условиях статического нагружения при растяжении применялась стандартная методика и универсальная испытательная машина ZWICK-Z030. Для исследования деформирования и разрушения стали 09Г2С при скоростях деформаций порядка 103 с-1 использовался метод Кольского и его модификации [4, 5, 10, 11].
Исследование упругопластических свойств и откольной прочности в плоских волнах нагрузки проводилось с использованием газовой пушки калибром 57 мм [12] и интерферометра VISAR [8] со следующими характеристиками: постоянная интерферометра равна 114,5 м/с, скорость движения свободной поверхности ударно-нагруженного образца определяется с погрешностью ±5 м/с.
3. Результаты испытаний по методу Кольского. В ходе проведенных экспериментальных исследований были определены диаграммы деформирования и предельные характеристики пластичности стали 09Г2С в зависимости от скорости деформации и температуры.
На фиг. 1 показаны диаграммы, полученные при комнатной температуре при сжатии с разными скоростями деформации в осях напряжение (МПа) — относительная
Фиг. 2
деформация. Видно, что влияние скорости деформации в динамическом диапазоне на диаграмму незначительное.
На фиг. 2 показаны диаграммы одноосного сжатия, полученные при скорости деформации ~1300 с-1 и температурах 20, 150 и 300°C. Можно отметить, что нагрев до 300°C снижает предел текучести исследуемого материала на 30%.
На фиг. 3 приводится сравнение диаграмм, полученных при разных типах испытаний, но при близких скоростях деформаций и температурах. Видно, что кривые, определенные при сжатии, растяжении и сдвиге очень близки.
Значения предельных характеристик пластичности: относительного удлинения 5 (%) и относительного сужения у (%) образца после разрыва в зависимости от скорости деформации и температуры представлены на фиг. 4. Треугольные маркеры отвечают предельным удлинениям, квадратные — сужениям. Слева показана зависимость предельных характеристик пластичности от скорости деформации, справа — от температуры. Закрашенные маркеры относятся к результатам динамических испытаний. Видно, что статические значения отличаются от динамических, в то время как в динамическом диапазоне скоростей нагружения зависимость 5 и у от скорости деформации практически отсутствуют. Зависимость их от температуры испытаний также несущественна. Статические предел текучести (250 МПа) и временное сопротивление (448 МПа) для температуры 20° С меньше соответствующих динамических значений на 50 и 30% соответственно.
4. Моделирование поведения материала. По результатам экспериментальных исследований поведения стали 09Г2С при статическом и динамическом нагружении опре-
0 700 1400 2100 0 100 200 300
Фиг. 4
делялись параметры модели Джонсона—Кука. В этой модели напряжение течения задается как функция деформации, скорости деформации и температуры и имеет следующий вид [13, 14]:
а ^ = (А + В £ Р) / (е*)(1 - Т * т)
где А, В, п и т — постоянные материала; 8р — пластическая деформация; ¿* = ё/ё0 — безразмерная пластическая скорость деформации (ё0 = 1 с-1), Т* = (Т - Т0)/(Тт - Т0) —
Фиг. 5
модифицированная гомологическая температура, Т0 = 20°С и Тт = 1500°С — температура плавления материала.
Классический вид (линейный по логарифму скорости деформации) предложен Джонсоном и Куком [13]. Известны несколько вариантов множителя модели / (£*), отвечающего за влияние скорости деформации. В работе Хью и Канга [15] используется квадратичная зависимость скоростного упрочнения. Аллен, Рул и Джонс [16], Купер и Саймондс [17] предложили учитывать скоростную зависимость предела текучести с использованием степенной функции.
Поскольку в процессе экспериментальных исследований при сжатии и растяжении не выявлено влияния типа испытаний на диаграммы деформирования, для определения параметров моделей использовались диаграммы, полученные при сжатии. На основании полученных диаграмм деформирования стали 09Г2С были определены параметры модели Джонсона—Кука с различными скоростными множителями.
Сравнение диаграмм, рассчитанных в соответствии с моделью (сплошные линии) и экспериментальных диаграмм деформирования (маркеры) приводится на фиг. 5. Слева проиллюстрирована скоростная зависимость предела текучести стали 09Г2С, справа — температурное разупрочнение.
Из рисунка видно, что модель Джонсона—Кука с различными скоростными множителями достаточно хорошо описывает представленные экспериментальные данные. Максимальное среднее отклонение математической зависимости от экспериментальной диаграммы не превышает 8.5%.
5. Результаты плосковолновых экспериментов. Плосковолновые эксперименты по определению откольной прочности стали 09Г2С проводились на образцах в виде пластин диаметром 90 мм и толщиной от 8.9 до 11.5 мм. Для нагружения образцов использовались тонкостенные стаканы со стальным дном толщиной от 3 до 5.1 мм. Регистрируемой величиной являлась скорость свободной поверхности (тыльной) образца подвергнутого удару. Всего было проведено 12 экспериментов.
На фиг. 6 приведен характерный профиль скорости свободной поверхности, полученной в эксперименте. В экспериментах на профилях скорости четко виден упругий предвестник амплитудой 50—85 м/с, что позволяет определить динамический предел текучести [2], значение которого составляет 611^940 МПа, что существенно выше, чем статический предел текучести (300 МПа). Значения динамического предела теку-
300
200
100
0 2 4 6
Фиг. 6
3000
а 2000
1000
0
-4 -1 2 ^ е 5
Фиг. 7
чести близки к данным, полученным Огородниковым и др. [18]. Откольная прочность и скорость деформации определялись в акустическом приближении [19—20].
На фиг. 7 приведена сводная зависимость прочности стали 09Г2С от скорости деформации, полученная с использованием методов Кольского и плосковолнового ударного эксперимента. На том же графике приведены данные Огородникова и др. Хорошо видно наличие двух ветвей прочности: первая при скоростях деформации до 1000 с-1 и вторая выше 1000 с-1, в этом диапазоне динамическая прочность возрастает в 2-4 раза.
Характер полученной в данной работе скоростной зависимости откольной прочности аналогичен временным зависимостям откольной прочности для некоторых металлов, представленным в работах [19, 20].
Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 14-19-01096). Выражаем глубокую признательность к.т.н. Казакову Д.А. за проведение статических испытаний.
Заключение. Проведено комплексное исследование механических свойств стали 09Г2С, широко используемой при изготовлении корпусов взрыво- и ударозащитных сооружений, в широком диапазоне скоростей деформации и повышенных температурах. Показано, что динамические прочностные свойства существенно выше статических, отмечено значительное уменьшение этих свойств с ро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.