Лошманов Механические свойства материалов 2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ “МИФИ“

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Лабораторный практикум

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2012

УДК 620.172.254 ББК 30.3я7 М22

Механические свойства материалов при высокоскоростной де-

формации/ Л.П. Лошманов, П.В. Федотов, А.В. Костюхина,

М.М. Астахов: Лабораторный практикум. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. 48 с.

Предназначен для изучения методов испытаний материалов и конструкций, при нестационарных, ударных нагрузках. Представлены описания трех лабораторных работ с целью ознакомления студентов с методиками высокоскоростных и ударно-импульсных испытаний материалов. Рассматривается распространение продольных волн напряжений в стержнях постоянного поперечного сечения и экспериментальное определение предела текучести материала, в том числе трубки твэл из сплава Zr-1%Nb.

Включает в себя материал по курсу “Методы механических испытаний и механические свойства материалов“ для студентов, специализирующихся по кафедре “Физика прочности“.

Рецензент: к.т.н., доцент Гольцев В.Ю.

Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ

ISBN 978-5-7262-1767-3

© Национальный исследовательский ядерный университет, 2012

Редактор Т. В. Волвенкова

Подписано в печать Формат 64 80 1/16 Объем 3,0 п.л. Тираж 52 экз.

Изд. № 23/1 Заказ Типография НИЯУ МИФИ 115409, Москва, Каширское шоссе, 31.

Содержание

Введение.…………………………………………………………...…..5

Лабораторная работа 1. Высокоскоростные испытания на растяжние………………………………………………………...…6

1.Испытание материалов при высоких скоростях деформации…... 6

1.1.Выбор геометрии образца……………………………………... 7

1.2.Требования к конструкции динамометра…………………….. 9

2.Методики высокоскоростных испытаний……………………… 10

2.1.Копер с падающим грузом…………………………………….. 10

2.2.Ротационный копер…………………………………………….. 11

2.3. Магнитно-импульсная установка ИД – 10…………………… 12

2.3.1.Устройство и принцип работы...............…………………….. 13

2.3.2.Определение характеристик прочности, пластичности

и скорости деформации…………………………………………….. 17 3. Экспериментальная часть…………………………………………..17

3.1.Порядок выполнения работы………………………………….. 19

3.2.Отчет о работе………………………………………………….. 21

3.3.Контрольные вопросы…………………………………………. 22

Лабораторная работа 2. Изучение распространения упругих волн напряжений в стержневых системах и определение модуля упругости материала………………………………………………... 23 1. Распространение продольных упругих волн напряжений в стержнях……………………………………………........................ 23

1.1.Распространение продольных упругих волн напряжений в стержнях постоянного поперечного сечения………….……….. 23

1.2.Распространение продольных упругих волн напряжений в стержнях переменного сечения…………………………………… 29

2. Экспериментальная часть…………………………………………..31

2.1.Определение параметров упругих волн напряжений…………..31

2.2.Порядок выполнения работы………………………………….. 32

2.3.Отчет о работе………………………………………………….. 33

2.4.Контрольные вопросы…………………………………………… 34

3

Лабораторная работа 3. Испытание тонкостенных труб внутренним давлением……………………………………………… 35

Часть 1. Выбор размеров трубчатого образца…………………….. 35 1. Противоречивость требований к размеру образца…………… 35

1.1.Учет краевого эффекта……………………………………….. 36

1.2.Квазистатичность условий испытаний…………………………36 2. Экспериментальная часть………………………………………… 37

2.1.Техника испытаний…………………………………………… 37

2.2.Образцы для исследований…………………………………... 39

2.3. Порядок выполнения работы………………………………… 39

2.4.Отчет о работе………………………………………………… 41

2.5.Контрольные вопросы………………………………………... 44

Часть 2. Экспериментальное определение предела текучести материала тонкостенной трубки……………………………………. 45 3. Экспериментальная часть………………….……………………... 45

3.1.Проведение эксперимента……………………………………. 45

3.2.Образцы для исследований…………………………………... 45

3.3.Порядок выполнения работы…………………………………... 46

3.4.Отчет о работе…………………………………………………... 46

3.5.Контрольные вопросы………………………………………... 46 Список литературы………………………………………………….. 48

4

ВВЕДЕНИЕ

Эксплуатация современных машин и установок сопровождается значительными ударными (импульсными) или динамическими нагрузками как рабочего, так и аварийного характера. В связи с этим существует необходимость в разработке методов и экспериментальных стендов, позволяющих изучать механические свойства материалов и отдельных элементов конструкций при подобных режимах нагружений. В этом плане испытания при статических условиях существенно более известны, стандартизованы, широко прописаны в литературе и фактически не нуждаются в их дополнительном представлении. Совсем другая ситуация с ударными испытаниями, где наиболее разработанными можно назвать только копровые испытания на изгиб.

Отличительной особенностью импульсных испытаний является существенное проявление волновых процессов в образце и элементах схемы нагружения и регистрации, которые представляют собой в предлагаемых лабораторных работах стержневую систему. В связи с этим в пособии определенное внимание уделено процессу распространения продольных упругих волн в таких системах.

5

Лабораторная работа 1

ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Цель: ознакомление с высокоскоростными механическими испытаниями (ВМИ) на растяжение, принципом работы и устройством используемой в работе магнитно-импульсной установки (МИУ) ИД-10; с методикой определения механических характеристик конструкционных материалов при высокоскоростном растяжении; сравнение результатов высокоскоростных и статических испытаний.

В настоящее время (в отличие от статических испытаний) стандартных методик измерения механических свойств материалов при высокоскоростной деформации не существует. Однако необходимость знания механических характеристик материалов в условиях импульсного или ударного нагружения заставляет разрабатывать методики испытаний при высоких скоростях деформации.

1. Испытание материалов при высоких скоростях деформации

Отличительной особенностью высокоскоростных испытаний является существенное проявление волновых процессов в образцах, элементах схемы нагружения и регистрации.

Механические испытания материалов характеризуются следу-

где l – начальная длина рабочей части образца.

Одним из основных видов высокоскоростных испытаний материалов являются испытания при постоянной скорости деформации

6

( const ), в которых определяют диаграммы напряжение – деформация ( ).

На точность определения зависимости напряжения мате-

риалов при высокоскоростных механических испытаниях, проводимых в квазистатических условиях, оказывают влияние следующие основные факторы: форма и размеры образца (соотношение l/D0 где D0 – начальный диаметр рабочей части образца); линейные размеры динамометра и его материал; соотношение между диаметрами динамометра и рабочей части образца; способ крепления образца в подвижном захвате и динамометре; форма и стабильность нагружающего импульса.

1.1. Выбор геометрии образца

При высокоскоростном растяжении используются образцы с соотношением l/D меньшим, чем предусмотрено по ГОСТ 1497-84 для статических испытаний, в связи с необходимостью создания по длине рабочей части образца квазистатического напряженного состояния при малом времени процесса деформирования. Перемещение подвижной головки образца, материал которого имеет плот-

ность , с постоянной скоростью v приводит к распространению по образцу со скоростью звука c0 упругой волны напряжения с амплитудой :

Отражение прямой волны (рис. 1.1,а) от неподвижного конца образца 2 (предполагается абсолютно жесткая его заделка в динамометре) возбуждает упругую волну с противоположным направлением распространения, которая совместно с действием прямой волны приводит к удвоению напряжения и достижению однородного напряженного состояния в образце. При ступенчатом изменении скорости подвижной головки 3 образца 1 (рис.1.1, б) может возникнуть высокий уровень напряжений в первой волне ударно-

7

Например, для стали (при Т = 300 МПа) максимальная длина образца оказывается равной 10; 1,0 и 0,1 см для скоростей деформации соответственно 102, 103 и 104 с–1. Следовательно, для получения квазистатического напряженного состояния по длине рабочей части образца длину образца необходимо уменьшать. Величина диаметра образца также влияет на отклонение напряженного состояния от одноосного, и его уменьшение при определенном диаметре динамометра позволяет получить более надежные данные о механических свойствах материалов. Минимальная величина диаметра образца ограничивается необходимостью обеспечить соот-

ветствие регистрируемой кривой усредненным по объему ха-

рактеристикам материала (размер кристаллитов-зерен исследуемого материала должен быть существенно меньше диаметра рабочей части образца).

Исходя из выше сказанного, в лабораторной работе используются образцы с l = 5 мм и D0 = 2,5 мм.

1.2. Требования к конструкции динамометра

Регистрация без искажения усилия, сформированного при деформировании образца, является основным требованием при ВМИ в квазистатических условиях. Его выполнение встречает серьезные трудности, связанные с необходимостью учета волновых явлений в динамометре.

1.Для измерения возникающей в образце нагрузки поперечное сечение динамометрического стержня выбирают таким, чтобы напряжения в нем при проведении испытаний не достигали предела упругости материала динамометра.

2.Кроме того, длину динамометра выбирают такой, чтобы можно было производить регистрацию только прямой (первичной) волны нагрузки, сформированной в процессе деформации и разрушения образца, соединенного с динамометром при помощи захват-

9

ного участка (см. рис. 1.1, позиция 2). Согласно такому условию длина динамометра должна быть достаточной для регистрации этой волны нагрузки до прихода к тензодатчикам на динамометре волны, отраженной (вторичной) от противоположного конца динамометра.

3. Необходимо также обеспечить равенство волновых сопротивлений ( S c0 , где S – площадь поперечного сечения) в любом

сечении захватного участка и динамометра с целью исключения возникновения продольных колебаний в цепи регистрации нагрузки.

2. Методики высокоскоростных испытаний

Важное значение при проведении высокоскоростных испытаний придается испытательной машине, так как ее тип и принцип работы определяют возможную скорость деформации и вид нагружающего импульса.

2.1. Копер с падающим грузом

Наибольшее распространение получили копры с падающим грузом. Образец (рис. 1.2) подвергается растяжению или сжатию при ударе массивного падающего груза (бойка) по легкой наковальне, к которой одним концом прикреплен образец.

Рис. 1.2. Схема копра с падающем грузом:

1 – наковальня; 2 – образец; 3 – боек; 4 – динамометр

10