СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКОЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ НА РАЗРЫВ ПРИ УДАРНЫХ НАГРУЗКАХ
METHOD OF DETERMINING SPALLATION STRENGTH OF MATERIALS TO TEARING UNDER IMPACT CONDITIONS

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для исследования механических свойств материалов при ударных нагрузках.
В настоящее время известны следующие характеристики аналогов-способов определения откольной прочности материалов на разрыв при нагружении их ударной волной [1], [2], [3].
В качестве прототипа выбран способ [1], по которому образец материала выполняют в виде пакета пластин и измеряют скорость каждой пластины в момент выхода ударной волны на ее свободную поверхность. По полученным данным и известной толщине откола в сплошном твердом образце определяют соответствующие друг другу значения откольной прочности материала и скорости деформации материала. Недостатками данного способа являются его сложность, трудоемкость и невозможность применения для исследования жидкостей.
Также известен способ [2] определения откольной прочности материалов на разрыв, заключающийся в том, что на образец испытуемого материала воздействуют косой ударной волной, регистрируют с помощью импульсного проникающего излучения факт наличия откола конечной толщины, форму передней границы откола и форму фронта ударной волны. По этим данным рассчитывают давление ударной волны при выходе на свободную поверхность образца, а по величине давления, при которой появляется откол, судят об откольной прочности материала. Недостатком способа является значительная трудоемкость испытаний, вызванная необходимостью проведения серии опытов с различными параметрами ударной волны для исследования одного материала.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является способ [3] определения откольной прочности материалов на разрыв при ударных нагрузках, заключающийся в том, что на образец испытуемого материала воздействуют косой ударной волной, регистрируют с помощью импульсного проникающего излучения факт наличия откола, форму передней границы откола, форму фронта ударной волны, а также форму задней границы откола. По полученным данным определяют скорости передней границы откола в момент начала ее движения и в момент начала разрушения и вычисляют величину откольной прочности. Недостатком данного способа является недостаточный объем информации, извлекаемой из опыта.
Целью изобретения является увеличение объема получаемой информации.
Для этого на ненагружаемую поверхность образца устанавливают слой материала, акустическая жесткость которого меньше акустической жесткости испытуемого материала образца, а толщина слоя составляет (1/4…1/2) от толщины материала образца. Такая толщина слоя необходима, чтобы исключить искажение параметров откола волнами, отраженными от свободной поверхности слоя.
Затем регистрируют форму задней границы откола, передней границы откола, форму фронта ударной волны, факт наличия откола. По полученным данным определяют скорости передней границы откола в момент начала ее движения и в момент начала разрушения.
На фиг.1 изображено устройство для реализации описываемого способа; на фиг.2 - картина, получаемая при помощи импульсного проникающего излучения; на фиг.3 - временная диаграмма движения фронта ударной волны и откола.
ф
п
з
к
о
Устройство для реализации описываемого способа содержит источник 1 и регистратор 2 импульсного проникающего излучения, размещенные по разные стороны образца 3 с мягким слоем 4, который показан в момент развития откола 5. В качестве генератора ударной волны, взаимодействующего с нижней поверхностью образца 3, использован листовой заряд ВВ 6 одинаковой толщины. При включении в заданный момент источника 1 с помощью регистратора 2 фиксируются формы фронта 7 косой ударной волны в материале образца 3, передней 8 и задней 9 границ откола 5 в материале образца 3. Видны также свободная поверхность 10 образца 3, контактная граница 11 между мягким слоем 4 и образцом 3 испытуемого материала и фронт 12 отраженной от контактной границы 11 ударной волны. По полученным данным строят графики распространения фронта 7 ударной волны по образцу 3 и движения передней 8, задней 9 границ откола 5. Эти графики получают путем деления координаты Y (ось Y горизонтальна) на скорость D движения ударной волны вдоль этой координаты при равенстве координат X (ось X вертикальна) соответствующих точек на графиках Х(Y) и X(t). При этом получается диаграмма, изображенная на фиг.3, где зависимости от времени имеют следующие обозначения: Х - фронт ударной волны 7, Х - положение передней границы 8 откола 5, Х - положение задней границы 9 откола, Х - положение контактной границы «слой-образец» 11, Х - фронт отраженной ударной волны. Точка А показывает момент выхода фронта 7 на контактную границу 11, точка Б - момент начала разрушения (образования откола) при взаимодействии фронта 12 отраженной ударной волны (волны разрежения) с участком разрежения основной ударной волны, следующим на некотором расстоянии от ее фронта 7.
По диаграмме на фиг.3 определяют разность скоростей:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>V</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mrow><mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>x</mi><mi>к</mi></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mi>A</mi></msub><mo>−</mo><msub><mrow><mrow><mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>x</mi><mi>к</mi></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mi>Б</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>D</mi></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mrow><mrow><mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>x</mi><mi>ф</mi></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mi>A</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup></mrow>
,
где ΔV - разность скоростей передней границы 8 откола 5 в момент начала движения передней границы (точка А) и в момент начала разрушения (точка Б);
<mrow><msub><mrow><mrow><mrow><mfrac><mo>∂</mo><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mi>A</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><mrow><mrow><mfrac><mo>∂</mo><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mi>Б</mi></msub></mrow>
,
- дифференцирование по времени в точках А и Б, соответственно.
Далее с помощью определенной таким образом величины ΔV получают пару соответствующих друг другу значений величины откольной прочности испытуемого материала по формуле:
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>Δ</mi><mi>V</mi><mi>ρ</mi><mi>C</mi></mrow>
,
где ρ - плотность;
С - скорость звука,
и скорости деформации материала в области разрыва
<mrow><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>V</mi></mrow><mi>l</mi></mfrac></mrow>
.
Здесь l - толщина откола.
<mrow><mi>σ</mi><mrow><mo>(</mo><mover accent="true"><mi>ε</mi><mo>˙</mo></mover><mo>)</mo></mrow></mrow>
В серии опытов с разными материалами слоя получают зависимость
откольной прочности от скорости деформирования для испытуемого материала.
Таким образом, предлагаемым способом производится установление зависимости скорости деформации от величины откольной прочности испытуемого материала на разрыв при импульсном нагружении по результатам серии испытаний для разных материалов контактного слоя.
Источники информации
1. Райнхарт Дж.С., Пирсон Дж. Поведение металлов при импульсных нагрузках. - М.: ИЛ, 1952, с.97-99, 151-157.
2. Авторское свидетельство СССР №575537, кл. G04N 3/30, 1975. Авторское свидетельство СССР №730080, кл. G01N 3/30, 1977, (прототип).
3. Авторское свидетельство СССР №730080, кл. G01N 3/30, 1977 (прототип).