КОМПЛЕКТ ДЛЯ УДАРНЫХ СТЕРЖНЕЙ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ДИНАМИЧЕСКИЙ СДВИГ
KIT FOR IMPACT RODS FOR EXPERIMENTS ON DYNAMIC SHIFT

Область техники
Настоящее изобретение относится к экспериментальному оборудованию, а именно, к дополнительной оснастке для установок, реализующих метод Кольского с разрезным стержнем Гопкинсона, обеспечивающей перевод сжимающей нагрузки в сдвиговую. Использование такой оснастки расширяет возможности экспериментальной установки и позволяет проводить не только эксперименты на динамическое сжатие, но и на динамический сдвиг.
Уровень техники
Из уровня техники известны технические решения, позволяющие проводить опыты на динамический сдвиг с использованием некоторого дополнительного оборудования.
Известен метод испытания на чистый сдвиг с использованием стержня Гопкинсона, оснащенного трубой в качестве матрицы и стержнем в качестве пуансона, описанный в [Dowling A.R., Harding J., Campbell G.D., J. Inst, of Metals, vol. 98 (1970), pp. 215-224]. Эффективная длина рабочей части образца определяется зазором между матрицей и пуансоном, что приводит на практике к большому разбросу результатов. Аналогичные эксперименты могут выполняться с использованием копра и образца, имеющего двойной надрез [Campbell J.D., Ferguson W.G., The Philosophical Magazine: A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics, vol. 21 (1970) pp. 63-82; Hardin J., Mechanical Properties of Materials at High Rates of Strain. Institute of Physics Conf. Series 47, 1979, pp. 49-61]. Однако данный способ демонстрирует удовлетворительные результаты только при работе с мягкими сталями.
Известен метод испытания на кольцевой сдвиг с использованием стержня Гопкинсона, описанный в [Брагов A.M., Ломунов А.К., монография "Использование метода Кольского для исследования процессов высокоскоростного деформирования материалов различной физической природы", Издательство Нижегородского госуниверситета, 2017]. Его недостатками являются: большая площадь поверхности среза, из-за которой не всегда достигается предельное состояние в образце, а также сложная форма самого образца, трудная в изготовлении в случае испытания твердых материалов.
Известен метод испытания на динамическое кручение, описанный, например, в работе [Gilat A. Torsional Kolsky Bar Testing. ASM Handbook. ASM international 2000, vol. 8, pp. 505-515], с аналогичным недостатком в виде большой площади поверхности среза и необходимостью предварительного закручивания передающего мерного стержня, что существенно усложняет проведение эксперимента.
2
5
-1
Из уровня техники известны также образец для испытания на сдвиг (варианты) и способ испытаний на динамический сдвиг (патент RU 2482463). Образец выполнен в виде параллелепипеда, вдоль противоположных граней которого выполнены, с одной стороны, сквозной прямоугольный паз, а с другой - выступ той же формы. Ширина выступа больше ширины паза. Размер, равный разнице длины образца и суммы высоты выступа и глубины паза, выполнен не менее чем в 10 раз меньше длины образца. При этом образец снабжен опорным элементом, выполненным либо в виде рамки, охватывающей образец, либо в виде параллелепипеда. При скорости деформации 10-10 с на противоположные грани образца воздействуют ударником через входной и выходной передающие стержни со стороны паза и выступа. Исследование распределения пластической деформации образца осуществляют на участке плоской боковой поверхности образца в режиме реального времени. Размер участка деформации, равный разнице ширины выступа и паза, определяют по формуле. Проводят инфракрасное сканирование деформированного участка образца, по полученному полю температур определяют степень локализации пластической деформации и по значению степени локализации судят о способности материала сопротивляться динамическим нагрузкам в области пластической деформации. Недостатком этого метода является необходимость проводить инфракрасное сканирование для определения степени локализации пластической деформации, а также необходимость увеличения значения нагружающего импульса в два раза из-за симметрии образца (двух площадок сдвига).
Наиболее близким решением к заявляемому является устройство для проведения экспериментов на динамический сдвиг, описанное в работе [G.T. Gray III, K.S. Vecchio, V. Livescu, Acta Materialia, vol. 103, pp. 12-22, 2016]. Образец совмещен с оснасткой и представляет собой металлический цилиндр, в котором выполнены каналы с противоположных сторон, и v-образные вырезы, ортогональные каналам, симметричные относительно оси цилиндра.
Данное устройство уступает предложенному решению в легкости изготовления образцов, так как площадь сдвига образца-аналога необходимо рассчитывать специальным образом, чтобы избежать изгибных деформаций в рабочей зоне. Кроме того, известное устройство представляет собой сложную по форме монолитную одноразовую конструкцию, тогда как предложенное решение, за счет модульности, не только более просто в изготовлении, но и требует замены только одного элемента - образца в форме параллелепипеда с пропилами. Предложенное решение также более удобно с точки зрения обработки результатов - за счет простой формы образца значительно легче выделить деформацию именно в интересующей области.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой заявленного изобретения является преодоление технических недостатков, присущих аналогам, т.е. разработка такого комплекта для проведения экспериментов на ударный сдвиг, который бы не требовал образцов сложной в изготовлении формы и позволял проводить испытания материалов с высокой твердостью и прочностью (не существенно ниже, чем у мерных стержней).
Техническим результатом изобретения является повышение качества проводимых экспериментов (испытаний) на динамическое сжатие и сдвиг с использованием простых в изготовлении образцов, в т.ч. высокой твердости и прочности, с обеспечением возможности восстановления напряженно-деформированного состояния в рабочей зоне образца. Также, эксперимент является наблюдаемым в смысле видимости процесса деформирования рабочей области и допускает дополнительный контроль средствами видеофиксации.
Технический результат достигается тем, что комплект для ударных стержней для проведения экспериментов на динамический сдвиг включает две насадки, предназначенные для размещения на передающем и опорном стержнях, и образец, при этом каждая насадка включает цилиндрическую часть с диаметром, близким к диаметру стержня, переходящую в выступающую часть в направлении оси цилиндра, занимающую менее половины поперечного сечения цилиндра, в выступающей части выполнено сквозное отверстие для размещения части образца, который имеет форму прямоугольного параллелепипеда с пропилом по периметру, делящий его на две части равной величины, при этом при размещении на ударных стержнях выступающие части насадок имеют симметричное расположение относительно оси цилиндра с обеспечением центрирования их сквозных отверстий.
Выступающая часть насадки может быть изготовлена из цилиндрической заготовки путем выемки ее части по плоскости, параллельной оси цилиндра до цилиндрической части. Отверстия выполнены по форме и размерам, соответствующим поперечному сечению образца. Цилиндрическая часть снабжена резьбой для размещения на ответной части стержня посредством винтового соединения, при этом цилиндрическая часть снабжена фасками под ключ. Выступающая часть насадки со стороны внешней поверхности снабжена фаской в области размещения отверстия. Отверстия в выступающих частях насадок выполнены на расстоянии не менее одной ширины отверстия до цилиндрической части насадки.
Комплект является разборным и насадки, изготовленные из материала мерных стержней, могут использоваться с широким набором исследуемых материалов. Сам образец по форме представляет прямоугольный параллелепипед с пропилом по периметру (или с двух противоположных сторон), поэтому чрезвычайно прост в изготовлении. За счет того, что образец не является одним целым с насадками для стержней, деформируется лишь рабочая зона образца;
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен чертеж насадки на мерный стержень в трех проекциях. Позициями на фигуре обозначены: 1 - цилиндрическая часть; 2 - выступающая часть; 3 - отверстие под образец; 4 - фаска под ключ; 5 - фаска в области отверстия; Н, K, L - глубина, длина и ширина прорези для образца; D - диаметр насадки; М - опциональное отверстие с резьбой под болт.
На фиг. 2 представлен чертеж испытываемого образца. Позициями на фигуре обозначены: h, k, l - высота, длина и ширина рабочей области образца; Н, K, L - высота, длина и ширина части образца, крепящейся в оснастке.
На фиг. 3 показаны все детали комплекта, включая образец после проведения испытания.
На фиг. 4 - комплект вместе с образцом установлен на мерные стержни.
1
2
1
2
На фиг. 5 показана схема нагружения образца, где: h - высота рабочей области образца; P, Р - силы на торцах нагружающего и опорного стержней; u, u - перемещения на торцах нагружающего и опорного стержней.
I
R
T
На фиг. 6 изображены импульсы деформаций, зарегистрированные тензодатчиками, размещенными на стержнях. Позициями на фигуре обозначены: ε(t) - нагружающий импульс; ε(t) - отраженный импульс; ε(t) - проходящий импульс.
На фиг. 7 изображена зависимость интенсивности напряжений в образце от времени.
Осуществление изобретения
Ниже представлено подробное описание изобретения, включая способ изготовления деталей заявляемого устройства, которое не ограничивает настоящее изобретение, а демонстрирует возможность его осуществления.
Комплект для ударных стержней для проведения экспериментов на динамический сдвиг включает две насадки, предназначенные для размещения на передающем и опорном стержнях, и образец. Для изготовления насадки бралась цилиндрическая заготовка из высокопрочной мартенситной стали, диаметром более 20 мм, после чего обтачивалась на токарном станке до диаметра D, равного 20 мм. В торце каждой насадки было выполнено отверстие под резьбу М10. Для выделения цилиндрической (1) и выступающей (2) частей, каждая насадка обрабатывалась на фрезерном станке. Общая длина каждой насадки составила 29 мм, из которых длина цилиндрической части - 9 мм, выступающей - 20 мм. В выступающей части было выполнено сквозное отверстие в форме прямоугольного параллелепипеда (3), так, что середина отверстия находится на расстоянии 7 мм от края насадки. Размеры отверстия: Н=6,75 мм, K=6 мм, L=10 мм. Со стороны резьбы была снята фаска (4) под ключ, со стороны сквозного отверстия была снята фаска (5).
s
s
2
3
Образец выполнялся из алюминиевой заготовки в виде прямоугольного параллелепипеда. На фрезерном станке образцу приданы необходимые размеры, согласно фиг. 2, совпадающие со сквозным отверстием в насадке на мерные стержни: Н=6,75 мм, K=6 мм, L=10 мм. В образце был проделан пропил по периметру, делящий образец на две части одинаковой формы. Параметры рабочей зоны образца составили: h=2,5 мм, k=2,5 мм, l=8 мм, A=20 мм, V=50 мм.
2
Описание конструкции и теоретическое обоснование. Эксперимент на сдвиг проводился с помощью комплекса для динамических испытаний материалов по методу Кольского НИИ Механики МГУ. Нагружающее устройство - газовая пушка с системой управления и пуска калибра 21 мм с длиной ствола 2 м. Мерные стержни длиной 2 м каждый, диаметром 20 мм, выполнены из высокопрочной мартенситной стали с параметрами: С=4900 м/с, Е=2000 МПа, A=314,15 мм. Длина ударника 400 мм, скорость - 12 м/с. Параметры ударника совпадают с параметрами мерных стержней. Оснастка вместе с образцом размещалась в рабочей зоне установки так, как изображено на фиг. 3, затем инициировался удар. Образец вместе с оснасткой после проведения эксперимента представлен на фиг. 4.
I
imp
R
T
В соответствии со стандартной схемой испытания на сжатие по методу Кольского с разрезным стержнем Гопкинсона сборка из двух переходников со вставленным в них образцом, жестко фиксируемая между мерными стержнями, подвергается совместному воздействию трех импульсов продольных деформаций в стержнях: нагружающего импульса ε(t) трапецеидальной формы длительности t, отраженного ε(t) и проходящего ε(t) импульсов. Основные соотношения записаны в предположении об однородности получаемого НДС, и о том, что сборка может деформироваться только в рабочей зоне образца. Схема нагружения образца представлена на (фиг. 5).
Из равенства работ внешних и внутренних сил за время δt следует:
1
2
1
2
1
1
2
2
ij
ij
13
13
1
2
s
s
s
где P, P, ν, ν, U=νδt,U=νδt - силы, скорости и перемещения на торцах нагружающего и опорного стержней соответственно; σ, , ε - компоненты тензора напряжений Коши, скоростей деформаций и деформаций в ортонормированном репере , сопровождающем естественный лагранжев репер , определяемый сторонами косоугольного параллелепипеда рабочей области образца; τ=σ, γ(t)=2ε=(U(t)-U(t))/h - сдвиговое напряжение и удвоенная сдвиговая деформация; A,h,V=Ah - площадь поверхности сдвига, высота и объем рабочей области.
С учетом известных соотношений метода Кольского получим:
Здесь С, E, A - скорость звука, модуль Юнга и площадь поперечного сечения в мерных стержнях.
Из этих соотношений и формулы (1) следуют выражения для искомых параметров τ и γ:
1
2
I
R
T
Формулы (2) и (3) можно значительно упростить, если принять гипотезу о равенстве сил Р и Р. В этом случае ε(t)+ε(t)=ε(t) и, таким образом, можно получить соотношения, аналогичные по форме классическим соотношениям метода Кольского для двух импульсов:
По результатам эксперимента получены следующие графики импульсов (фиг. 6). Используя формулы (4) и (5) получаем график интенсивности напряжений  представленный на фиг. 7 и значение накопленной интенсивности деформаций . Таким образом, с помощью предлагаемого комплекта проведен качественный эксперимент на ударный сдвиг для алюминиевого образца и получен график зависимости интенсивности напряжений от времени при известном значении накопленной интенсивности деформаций.