Глава IV. УСТАНОВКИ И КОПРЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПРИ ОДНОКРАТНОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
1. Особенности испытаний при динамическом нагружении
Испытания образцов при динамическом нагружении проводятся для получения характеристик прочности, пластичности и трещиностойкости материалов, а также для изучения закономерностей их дефор мирования и разрушения при высоких скоростях деформирования, имеющих место в условиях взрывного и ударного приложения нагруз ки, на фронте упругопластических и ударных волн.
При динамических испытаниях используются наиболее простые схемы нагружения, такие, как растяжение (сжатие) стержневых образцов при одноосном напряженном состоянии или деформирова ние пластин (листовых образцов) в плоских волнах нагрузки. Испы тания на сдвиг и кручение применяются при сравнительно небольших скоростях нагружения и имеют ограниченное распространение. В условиях изгиба в основном определяются характеристики ударной вязкости, с использованием которых производится качественная оцен ка склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению.
Специфическое действие динамических нагрузок на материал на чинает проявляться уже при скоростях деформации, достигающих 1СМ — 10 с-1 (10 мм/с — 1 м/с) [16, 30, 38]. При их увеличении до 102 с-1 (1 — 10 м/с) нагружение сопровождается распространением и интерференцией упругопластических волн и существенно неравно мерным распределением деформации по длине образца; при этом процесс деформирования приближается к адиабатическому, так как отвод тепла в окружающую среду не может компенсировать быстрого нагрева материала, происходящего в течение очень малого проме жутка времени — длительностью в несколько десятков микросекунд. Если скорости деформации достигают 104 с-1 (100—1000 м/с), в стерж невом образце образуются мощные ударные волны, вызывающие ка чественное изменение напряженно-деформированного состояния по сравнению с более низкими скоростями.
В общем случае увеличение скоростей деформирования иницииру ет возникновение в образце и цепи силонагружепия нестационарных полей напряжений и деформаций, что затрудняет сопоставление ре зультатов исследования при статическом и динамическом нагруже ниях. Испытания в условиях высокоскоростного деформирования требуют использования специальных методов исследования и анализа результатов в локальных объемах материала.
Основное условие, которое должно выполняться для получения сопо ставимых результатов измерения в широком интервале скоростей де формирования образцов, связано с необходимостью поддержания однородности напряженного и деформированного состояния на рабо чем участке образца. Выполнение этого условия методически осуще ствимо при скоростях деформирования до 10—25 м/с. В области более высоких скоростей, особенно при испытаниях на растяжение, это ус ловие трудновыполнимо из-за влияния волновых процессов и радиаль ной инерции. При высоких скоростях практически невозможна получить кривую деформирования непосредственно в процессе экспери мента и ее строят для локальных областей, основываясь на резуль татах анализа неоднородной деформации материала при распростра нении упругопластических и ударных волн. При этом учитывается, что при скоростях удара до 1000 м/с (104— 105 с-1 ) процессы высоко скоростной деформации в образце проявляются только в начальный период деформирования в прилегающей к поверхности соударения области, а при удалении от этой поверхности фронт волны размывает ся и скорость деформирования быстро уменьшается. Поэтому значе ния механических характеристик фактически соответствуют более низким скоростям, чем те,; которые измеряются в момент соударения бойка и образца.
Достаточно напомнить, что неучет волновых процессов может привести к неверной трактовке результатов и даже к выводу об от сутствии влияния скорости на кривую деформирования.
Допустимый диапазон исследуемых скоростей нагружения при механических испытаниях ограничивается не техническими возможностями средств эксперимента, а возможностями корректного определения при высокоскоростном нагружении механических ха рактеристик материалов и анализа на основе полученных экспери ментальных данных закономерностей их деформирования и разруше ния. Уже при скоростях до 50 м/с и более процесс деформирования является адиабатическим и поэтому при импульсном нагружении воз можно резкое повышение температуры испытуемых материалов и на рушение температурных условий испытаний. Возникновение радиаль ных инерционных сил также весьма существенно ограничивает воз можность корректного анализа полученных результатов при динами ческих испытаниях и обусловливает необходимость использования образцов небольших диаметров, при которых можно пренебречь уче том влияния инерционных эффектов на нарушение одноосности на пряженного состояния. Наложение при высоких скоростях прямых и отраженных продольных упругопластических волн может вызвать разрушение длинных образцов одновременно в нескольких сечениях рабочего участка, совпадающих с зонами формирования пиков напря жений. Поэтому при высокоскоростных испытаниях* во-первых, необходимо использовать образцы с малой длиной рабочего участка и, во-вторых, в цепь силонагружения целесообразно включать волно воды-динамометры такой длины, при которой время пробега продоль ной волны по силовой цепочке туда и обратно было бы значительно больше времени разрушения образца.
Динамические испытания имеют также ограничения и по реализа ции режимов нагружения [30, 38]. Любой произвольный закон нагру жения сг = а (£) или деформирования г — г (t) практически может быть осуществлен при скоростях деформирования, не превышающих 10 с-1 , на установках с электрогидравлическими распределителями. При более высоких скоростях можно осуществить только режимы испытаний* при которых в процессе нагружения обеспечивается по
стоянство напряжений (а — const), скорости нагружения (а = const) или скорости деформирования (в = const).
Режим испытания при а = const реализуется при ударном нагру жении образца длинным стержнем, скорость которого определяет амплитуду напряжений, а длина — длительность прямоугольного импульса. Испытания в таком режиме применяются для исследования закономерностей распространения упругопластических волн в стерж нях при действии постоянных напряжений и особенностей развития малых пластических деформаций в импульсно нагружаемом материа ле. Очевидно, что в рассматриваемом случае по результатам экспери мента нельзя построить полные диаграммы деформирования и опре делить характеристики прочности и пластичности материала.
При испытаниях в режиме а = const для нагружения используют ся удар массивного груза по головке образца через специальный волновод, соударение стержней, поверхности которых имеют вид полусферы, удар стального шарика по плоскому торцу стержня. Этот режим обеспечивает линейный закон нагружения только в упругой области, а на участке'диаграммы, соответствующем пласти ческому деформированию, не выдерживается.
Испытания с постоянной скоростью деформирования (е’ = const), чаще всего реализуемые при динамическом (скоростном и импульс ном) нагружении, обеспечивают регистрацию полной диаграммы де формирования и определение характеристик прочности и пластич ности, которые сопоставимы с полученными при кратковременных статических испытаниях в жестком режиме нагружения. Наиболее распространенной в этом случае при ударных испытаниях является схема ударного нагружения образца массивным бойком по одной из его головок. Бели масса бойка обеспечивает 8апас его кинетической энергии, значительно превышающий потери на деформирование и раз рушение образца, то скорость деформирования может быть оценена по скорости движения бойка перед ударом. При этом точность под держания постоянной скорости деформации определяется жесткостью цепи нагружения и законом нарастания скорости в начальный период деформирования.
Необходимо отметить, что рассматриваемый режим нагружения может отрабатываться при динамических испытаниях на различных типах установок и копров с обеспечением корректного построения диаграмм деформирования в координатах а — з. Действительно, при таком режиме испытаний вследствие линейного увеличения относи
тельной деформации во времени г = et кривую a (t) можно рассмат ривать как диаграмму деформирования а (е) с измененным по осп аб
с накоплением кинетической энергии динамическая нагрузка может прикладываться к предварительно нагруженному статическим уси лием образцу. Эффект от применения роторных гидропульсаторов в таких системах может быть существенно увеличен при соединении ротора с механическим накопителем кинетической энергии — массив ным маховиком. Ротор с маховиком разгоняются вхолостую до тре буемой частоты вращения, а затем гидроагрегат переключается на работу в режиме максимальной производительности. В этом случае расширяется диапазон реализуемых скоростей деформирования как при скоростном, так и при ударном нагружении.
Основным элементом в скоростных гидравлических установках с потенциальной системой возбуждения является гидропневматиче ский аккумулятор, в котором при увеличении давления создается большой запас потенциальной энергии. Передача накопленной энер гии к образцу может осуществляться при сбросе жидкости в рабочую полость гидроцилиндра через электрогидравлический распределитель или с помощью скоростного пускового клапана.
В скоростных машинах с кинетическим возбуждением можно до стичь большей стабильности скорости деформирования, чем в маши нах с потенциальным возбуждением. Однако предельные скорости в первом случае более ограничены, и это связано с невозможностью неограниченного увеличения мощности привода и расхода жидкости (фирма «Шенк» применяет для скоростных машин трехступенчатые электрогидравлические распределители с номинальной подачей до 3400 л/мин).
Повысить скоростную стабильность машин с потенциальным воз буждением можно благодаря использованию систем с двухстадийным накоплением энергии (рис. 27, б). На первой стадии происходит на копление потенциальной энергии в активном аккумуляторе 5, куда масло подается насосом 3 с электроприводом 2 из бака 1. На второй стадии энергия передается массе жидкости в инерционном трубопро воде 13, который соединяет рабочий гидроцилиндр 8 с активным 5 и пассивным 9 аккумуляторами. Требуемая скорость движения жид кости в инерционном трубопроводе, от которой зависит скорость перемещения поршня 7 гидроцилиндра, жестко связанного с образцом 6Узадается автоматическим путевым ограничителем 10. При предва рительной настройке ограничителя его поршень 11 устанавливается в наперед заданное откалиброванное положение блоком настройки 12. Таким образом, в процессе работы установки скорость деформиро вания образца определяется не только запасом потенциальной энер гии в активном аккумуляторе и быстротой срабатывания пускового клапана 4, но и расходом жидкости, дросселирующей через путевой ограничитель в пассивный аккумулятор.
С использованием установок с гидравлическими преобразовате лями можно реализовать режимы как ударного, так и скоростного нагружения.
В пневматических установках непрерывного действия образец жестко соединен тягой с поршнем пневмоцилиндра и его нагружение осуществляется при сбросе сжатого газа из ресивера в пневмоцилнндр
[30,381. Кинематическая схема такой установки показана на рис.28, а. Образец 2 закреплен в захватах 1 и 3. При срабатывании ско ростного пускового клапана 6 газ из ресивера 8 по трубопроводу 7 Поступает в подпоршневое пространство Fa цилиндра 4 и перемещает поршень 5. Закон деформирования образца определяется движением активного захвата 3. Растяжение образца начинается одновременно с движением поршня при достижении в объеме V2 давления, уравно вешивающего вес подвижных деталей и силу трения поршня в ци линдре.
Таким образом, в установках рассматриваемого типа в качестве источника энергии для деформирования образца используется потен-
Рпс. 23. Схемы систем динамического нагружения с пневматическим (о) и с ыагпитоимпульсным (б) возбуждением.
циальная энергия сжатого газа, накапливаемая в ресивере. Конст рукции пневматических установок отличаются большим разнообра зием по значению объемов F0, Vlt F2, схемам их соединения с ресиве ром и между собой, а также по типу используемой в них рабочей среды (объемы V0 ё Vx могут заполняться жидкостью).
Изменяя скорость подачи и выпуска газа или жидкости по кана лам 7 и 9 с помощью клапанов 6,10 и вентиля 11, на этих установках можно осуществлять различные режимы нагружения образца (при скоростях деформации не более 10 с—|). Так, если обеспечить постоян ство давления в объеме V2 при мгновенном открытии клапана, то за счет регулирования скорости перетекания жидкости из объема Vt в V0 можно реализовать режим нагружения при постоянной скорости деформации образца. Непрерывная равномерная подача газа в объем V2 (при условии соединения объемов V0 и VLс атмосферой) позволяет проводить испытания в режиме постоянства скорости нагружения (а = const), а при поддержании постоянного давления в объеме Уг
и соединении объемов Fn и F, с атмосферой получают режим пагружепия, соответствующий ,р = const. Варьируя давление в камерах пневмоцилиндра, в общем случае можно получать любой произволь ный закон нагружения при скоростных испытаниях.
Таким образом, системы силрнагружения рассматриваемого типа характеризуются широкими возможностями до отработке в процессе скоростного нагружения .образца различных режимов испытаний, однако следует отметить, что осуществление каждого конкретного режима во всем реализуемом диапазоне, скоростей деформирования (5 мм/с — ,1 м/с) затруднено изгза ограничений,.накладываемых жест костью деталей силовой цепочки и их инерционностью.
Магиитоимпульсный способ . возбуждения, нагрузок используется для исследования динамической прочпости материалов только при ударном нагружении. Этот спосрб.позврляет получать любые скорости деформировация в диапазоне от 10, до ,100 м/с и проводить испытания при постоянной скорости нагружения. /Типичная схема магнитоим пульсного устройства для испытапий на растяжение показана на •рис. 28, б. Основным, элементом, устройства, предназначенным для формирования электрических импульсов .необходимой величины и длительности, является генератор импульсного тока 7, который,со стоит из конденсаторной батареи р высоковольтного источника.лита ния с выпрямителем. Замыкацйе разрядной цели от генератора на ин дуктор 3 происходит с помощью коммутатора 2 На торце индуктора, который представляет собой .катушку с,намоткой из-медной проволо ки, установлен металлический бо,ек4; Ударник, бойка вьгаолнеипый из ударостойкого материала, в процессе,, нагру^кенид перемещается по втулке,?', закрепленной в основании Образец 10 через головки 11 соединен, с мерным стержнем Гопкицсона 12 и волноводом 9. На
.стержень 2,2.наклеены тепзорезисторы для измерения усилия в.цепи силонагружения, а к концу прикреплен инерционный груз 13, обеспе чивающий неподвижность стержня в процессе нагружения. Головка б волновода свободно опирается на торцевую поверхность втулки 7.
I Испытания с, использованием рассматриваемого устройства про водят следующим; образом. После накопления необходимого, заряда (В;генераторе электрическая, цепь, замыкается ,с помощью коммутатора и импульс электрического тока поступает на магнитный индуктор* :который.возбуждает импульс давления, действующий на.боек с удар ником. В цепи силоиагружения при ударе бойка по головке волно вода возникает ударное воздействие, которое передается через волно вод на. образец и стержень, Гопкинсона. На магнитоимпульсных уст ройствах можно получать любую заданную скорость деформирования образца благодаря линейной зависимости скорости соударения бойка „с головкой волновода от напряжения заряда конденсаторных батарей* которое можно плавно изменять по желанию экспериментатора. Магиитоимпульсиые установки для испытаний на растяжение н сжатие щолучили достаточно широкое распространение в практике экспери мента, несмотря на повышенные требования к обеспечению безопас ности их с высоковольтного оборудования [18].