Экспериментальное исследование энергетического баланса динамически нагруженной меди (стр. 2 )

Рис. 1. Разрезной стержень Гопкинсона-Кольского.

Известно, что часть пластической работы, затраченной на динамическое деформирование материалов, переходит в тепло, в то время как оставшаяся часть остаётся в структуре материала в форме энергии дефектов и энергии, связанной с их взаимодействием.

Доля общего количества пластической работы, перешедшей в тепло, обычно обозначаемая , для упругопластического, изотропного, однородного материала вычисляется из уравнения теплопроводности [2]. Для случая дина-мического нагружения, когда преобладают адиабатические условия,

.

Здесь – абсолютная температура, c – удельная теплоёмкость, – плотность, – напряжение и – пластическая деформация. Точка означает дифферен-цирование по времени.

Экспериментальная информация о запасении энергии в структуре дина-мически деформированных материалов в основном получена из квазиста-тических экспериментов. Детальный обзор литературы по данному вопросу содержится в [3], и различные экспериментальные методики по измерению энергии обсуждаются в [4,5].

Первая попытка измерить в динамических экспериментах, выполнен-ных в широком диапазоне деформаций и скоростей деформации, была сделана в [6]. Исследования, проведённые на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского вместе с инфракрасными камерами, показали, что тепло, выделившееся в результате деформирования образца, существенно меньше затраченной работы [2,4,6]. В [2,6] обнаружено, что варьируется от 0.6 до 0.9 в зависимости от исследуемого металла, величины деформации и скорости деформации.

Рассмотренная в главе модель термопластичности [7] достаточно хорошо предсказывает зависимость доли выделенного тепла в работе, затраченной на пластическое деформирование, от деформации и скорости деформации для различных конструкционных материалов. Для каждого из исследованных материалов эксперименты при различных скоростях деформации дают одну и ту же запасённую энергию как функцию остаточной деформации. Однако, инфракрасная камера не даёт возможности наблюдать конечное равновесное состояние материала, поскольку трудно зафиксировать образец после деформирования, сохранив для него адиабатические условия, а процесс релаксации, как показали исследования, завершается за время, существенно превышающее время деформирования. В отличие от инфракрасной камеры, калориметрический метод измерений выделившегося тепла позволяет зафикси-ровать конечное равновесное состояние материала после деформирования.

Во второй главе описана схема экспериментальной установки, приведены схемы первичных преобразователей датчиков. Обсуждаются возможности, которые даёт представленная в работе экспериментальная техника. В работе применяется техника однократного удара [8-10], которая обеспечивает сохранение адиабатических условий проведения динамического эксперимента и допускает последующее изучение микроструктуры, плотности и твёрдости материала.

Существенное повышение стабильности и надёжности работы разрезного стержня Гопкинсона-Кольского обеспечено за счёт разработки оригинальных датчиков перемещений и массовых скоростей [11,12]. Применение оптического датчика перемещений позволяет переписать соотношение метода Гопкинсона-Кольского для скорости деформирования в терминах перемещений, что упрощает обработку экспериментальных данных и избавляет от процедуры интегрирования, которая вносит значительные погрешности в расчёты дефор-мации образца.

Использование датчика массовой скорости электромагнитного типа значительно упрощает процедуру численного расчёта диаграмм напряжение-деформация, при этом сквозная калибровка измерительной системы гаран-тирует достаточную точность полученных экспериментальных результатов. Работа электромагнитного датчика отличается высокой стабильностью и долговечностью в отличие резистивных датчиков деформации, что позволяет отказаться от повторения динамических калибровок в процессе работы, способствуя успешному использованию датчиков электромагнитного типа в динамических экспериментах.

Третья глава посвящена исследованию тепловой составляющей процесса деформирования меди на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского. Обосно-вана методика применения калориметра смешения в комплексе с разрезным стержнем Гопкинсона-Кольского. Приведены результаты калибровки калори-метра и экспериментального определения постоянной времени калориметра. Определены качественные зависимости доли запасённой энергии в полной механической работе, затраченной на деформирование, от полной деформации образцов.

Разрезной стержень Гопкинсона-Кольского позволяет исследовать тепловые эффекты высокоскоростного деформирования, поскольку обеспечивает адиабатические условия деформирования материалов: длительность импульса нагружения в динамическом эксперименте составляет 40-80мкс, в то время как тепловая постоянная времени образца (, где h – характерный размер образца и a – коэффициент температуропровод-ности материала образца. Для меди , толщина испытуемых образцов ). Во время динамического эксперимента образец не успевает обменяться теплом с окружающей средой и мерными стержнями, чем обеспечиваются адиабатические условия эксперимента.

Все образцы из меди М1, использующиеся в экспериментах, были отшлифованы до чистоты Rz5, отожжены в вакуумной печи при температуре 5000С в течение двух часов и охлаждены до комнатной температуры вместе с печью.

Эксперименты с образцами серии с.

Эксперименты проведены по методике последовательного повторного нагружения образцов [9]. Каждый образец однократно нагружался в экспери-ментальной установке по методу «убегающего стержня», перемещался в калориметр, и измерялось тепло, выделенное образцом. Деформация и напря-жение в образце в процессе нагружения определялись по данным, полученным на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского. Для подтверждения корректно-сти измерений проводились контрольные замеры – для толщины образца по пяти точкам микрометром (цена деления 0,01мм), диаметр измерялся по пяти точкам штангенциркулем (цена деления 0,1мм). В Табл.1 для каждого из образцов приводятся скорость ударника, величина деформации, средняя скорость деформации, максимальное значение напряжения в образце.

Табл. 1.

Маркировка образцов	Номер нагружения	Деформация за нагружение, %	Скорость ударника, м/с	Скорость деформации, с-1	Напряжение, ГПа
c14	1	12	12,5	2,1	0,33
c15	1	13	12,6	1,9	0,28
c15	2	9,1	13,7	1,6	0,50
c16	2	8,5	13,0	1,4	0,52
c18	2	11	14,7	1,9	0,51
c18	3	8,9	13,9	1,6	0,73
c20	1	15	13,5	2,4	0,36
c20	2	10	12,8	1,5	0,55
c20	3	5,2	12,0	1,0	0,55
c22	1	15	14,3	2,1	0,30
c22	2	9,7	14,2	1,5	0,53
c26	1	5,4	5,4	0,9	0,15
c27	1	5,6	5,5	0,9	0,15

В Табл.2 приводятся результаты расчётов работы А, затраченной на динамическое деформирование, и выделившегося тепла .