Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках

Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках

The method of fracture energy measuring under high velocity loading is described. The possibility to determine fracture energy by using Hopkinson-Kolsky bars on brittle materials was showing.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2006
Автори: Девин, Л.Н., Панов, В.С., Сулима, А.Г., Губа, А.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2006
Назва видання:Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Теми:
Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134985
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках / Л.Н. Девин, В.С. Панов, А.Г. Сулима, А.В. Губа // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2006. — Вип. 9. — С. 360-364. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-134985
record_format dspace
spelling irk-123456789-1349852018-06-15T03:06:30Z Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках Девин, Л.Н. Панов, В.С. Сулима, А.Г. Губа, А.В. Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности The method of fracture energy measuring under high velocity loading is described. The possibility to determine fracture energy by using Hopkinson-Kolsky bars on brittle materials was showing. 2006 Article Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках / Л.Н. Девин, В.С. Панов, А.Г. Сулима, А.В. Губа // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2006. — Вип. 9. — С. 360-364. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2223-3938 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134985 621.9.02.6 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
spellingShingle Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
Девин, Л.Н.
Панов, В.С.
Сулима, А.Г.
Губа, А.В.
Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
description The method of fracture energy measuring under high velocity loading is described. The possibility to determine fracture energy by using Hopkinson-Kolsky bars on brittle materials was showing.
format Article
author Девин, Л.Н.
Панов, В.С.
Сулима, А.Г.
Губа, А.В.
author_facet Девин, Л.Н.
Панов, В.С.
Сулима, А.Г.
Губа, А.В.
author_sort Девин, Л.Н.
title Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках
title_short Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках
title_full Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках
title_fullStr Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках
title_full_unstemmed Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках
title_sort исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках
publisher Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
publishDate 2006
topic_facet Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134985
citation_txt Исследование энергетических характеристик разрушения хрупких материалов при динамических нагрузках / Л.Н. Девин, В.С. Панов, А.Г. Сулима, А.В. Губа // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2006. — Вип. 9. — С. 360-364. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
work_keys_str_mv AT devinln issledovanieénergetičeskihharakteristikrazrušeniâhrupkihmaterialovpridinamičeskihnagruzkah
AT panovvs issledovanieénergetičeskihharakteristikrazrušeniâhrupkihmaterialovpridinamičeskihnagruzkah
AT sulimaag issledovanieénergetičeskihharakteristikrazrušeniâhrupkihmaterialovpridinamičeskihnagruzkah
AT gubaav issledovanieénergetičeskihharakteristikrazrušeniâhrupkihmaterialovpridinamičeskihnagruzkah
first_indexed 2025-07-09T22:30:11Z
last_indexed 2025-07-09T22:30:11Z
_version_ 1837210232224219136
fulltext РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 360 УДК 621.9.02.6 Л. Н. Девин1, В .С. Панов2 , доктора техн. наук; А. Г. Сулима, 1, А. В. Губа 3 аспиранты 1 Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев, Украина 2 МИСиС, г. Москва, Россия 3 ПГТУ, г. Мариуполь, Украина ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРУШЕНИЯ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ The method of fracture energy measuring under high velocity loading is described. The pos- sibility to determine fracture energy by using Hopkinson-Kolsky bars on brittle materials was show- ing. Получить комплекс характеристик, предъявляемых в настоящее время к инструмен- тальным материалам, работающим при высоких динамических нагрузках, можно, создав композиционные материалы, в которых собраны воедино лучшие качества структурных со- ставляющих. Большие возможности, заложенные в композитах, можно реализовать путем оптимального выбора компонентов, их концентрации, размеров, ориентации и прочности соединения их друг с другом. Для исследования влияния этих факторов на механические свойства композитов с твердыми дисперсными частицами в хрупкой матрице наиболее целе- сообразно применять методические подходы линейной механики разрушения. Согласно этим подходам реальная прочность материала связывается с его энергией разрушения, модулем упругости и размером трещины, обусловливающим начало разрушения, так как для получе- ния высокой прочности необходимы большая энергия разрушения и высокий модуль упру- гости [1]. Однако определить работу разрушения хрупких материалов, тем более в условиях ударных нагрузок, сложно в силу небольшого значения измеряемых величин и значительных осцилляций нагрузки в момент разрушения образца. Кроме того, необходимо учитывать инерционные эффекты в испытательных машинах. Решению этой актуальной проблемы по- священа данная работа. Традиционно энергию разрушения (ударную вязкость) стальных образцов определяют на маятниковых копрах с падающим грузом. Эти испытания благодаря основополагающим работам Н. Н. Давиденкова [2] получили широкое распространение. Они дают возможность сравнительно легко проводить качественную оценку склонности материалов к хрупкому раз- рушению исходя из усредненных энергетических характеристик этого процесса разрушения. Но даже использование осциллографирования образцов с трещинами (так называемые испы- тания по Шарпи) [3] не позволяет установить энергию разрушения на образцах из хрупких материалов и устранять значительные осцилляции нагрузки в момент старта трещины. В последние годы были созданы испытательные установки на базе мерных стержней Гопкинсона [4], которые даже при испытании хрупких материалов позволяют с достаточной для практических целей точностью определять критическую нагрузку в момент разрушения. Дальнейшее развитие измерительной системы позволило за счет измерения баланса энергии в стержнях определять работу, затраченную на разрушение образцов. Выпуск 9. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 361 Измерительная схема установки на базе мерных стержней представлена на рис.1. Она позволяет регистрировать прямой, отраженный и прошедший через образец ударные им- пульсы [5] (рис. 2). Ударная волна, формируемая бойком, про- ходит через стержень 3 в образец и далее – в опор- ный стержень 1. Для регистрации волны напряже- ний на стержни наклеены тензорезисторы с малой базой, включенные по потенциометрической схеме в источник постоянного тока на входе усилителя. Далее сигнал фиксируется цифровым запоминаю- щим осциллографом. Внешний однократный запуск осциллографа осуществляется сигналом от верхне- го датчика на стержне 3. По осциллограмме прямо- го, отраженного и прошедшего через образец им- пульсов определяли значения энергии, массовой скорости в упругой волне деформации, перемеще- ния любого сечения стержней и деформации образ- ца в любой момент времени. Схема испытаний образца представлена на рис. 3. Между двумя стержнями одинакового диа- метра помещается образец из исследуемого мате- риала малой длины Sl . Предел упругости стержней значительно выше предела текучести образца. В момент удара бойка по плоскому торцу стержня в нем возбуждается упругая вол- на сжатия. После записи результатов измерения параметров однократного импульса нагруз- ки получаем три параметрические зависимости импульсов деформации в мерных стержнях прямой )(t , отраженной )(tR и прошедшей через образец )(tT волн [6]. В результате испытаний были получены осциллограммы изменения силы во времени: P1 – в нагружаемом стержне и P2 – в опорном стержне. Количество упругой энергии W в волне де- формации определяли путем интегрирования им- пульсов нагрузки P согласно формуле:    1 0 2    dP FE C W , где F – площадь сечения стержней, C – ско- рость звука в материале стержней,  E C  , E, ρ – соответственно модуль упругости и плотность ма- териала стержней. Согласно теории распространения упругих волн напряжений в длинных стержнях деформация ε в произвольном сечении стержня связана с массо- вой скоростью dt dU соотношением (1): Рис. 1. Измерительная схема копра на базе мерных стержней Гопкинсона: 1 – осциллограф С9–8; 2, 3 – предварительный усилитель; 4 – электромагнит; 5– боек; 6 – датчик запуска; 7,8 – стержни; 9, 10 – дат- чики; 11 – образец. Рис. 2. Осциллограммы импульсов нагрузки в мерных стержнях. РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 362 dt dU C  1 . (1) Следовательно:   t dtCU 0  . . (2) Тогда уравнения перемещения торцов стержней 1U и 2U при деформации образца будут иметь следую- щий вид:    t RI dtCU 0 1  ; (3)   t T dtCU 0 2  . (4) В этом случае деформация образца равна:   Sl UU 12  . (5). После преобразования на основе формул 3 и 4 с учетом соотношения TRI   получим:  t R S dt l C 0 2  . (6) Для определения напряжений в образце необходимо определить силы 1P и 2P на тор- цах образца, выразив их через деформацию:  RIEFP  1 ; (7) TEFP 2 . (8) Напряжение в образце:   SF PP 2 21  . (9) После преобразований с учетом зависимостей 7 и 8: S T F EF  , (10) где SF – площадь поперечного сечения образца. Выведенные зависимости позволяют по данным регистрации деформации R и T вы- числять напряжения  и деформацию  образца, а затем строить диаграмму динамического дефор- мирования  ~ . На рис. 4 приведен график изменения энер- гий прямого, прошедшего и отраженного импуль- сов при нагружении образца диаметром 10 мм. Исходя из закона сохранения энергии мож- но определить потери механической энергии: 211211 WWWEпот  , где 11W – энергия прямой волны, 12W – энер- гия отраженной волны, 21W – энергия волны, про- шедшей через образец. Если бы образец претерпевал пластические Рис. 3. Упрощенная схема ис- пытаний образца, 1 – нагру- жаемый стержень, 2 – испытуемый образец, 3 – опорный стержень, U1, U2 – перемещение торцов стерж- ней. Рис. 4. Изменение энергий в волнах прямого, прошедшего и отраженного импульсов. Выпуск 9. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 363 деформации или разрушался, то потE определяла бы величину энергетических затрат на эти процессы. При близких к идеальным испытаниям, т. е. когда стержни и образец представля- ют собой упругие тела, которые пластически не деформируются и не разрушаются, потE представляет собой погрешность определения баланса механической энергии потпогр EE  , которая в нашем случае составила не более 10 % измеряемой величины. При хрупком раз- рушении образца баланс энергий отличен от нуля и в этом случае энергия затрачивается на образование новых поверхностей. Если кинетической энергией разлета осколков пренебречь (согластно оценке она составляет менее 2 % работы разрушения), то работа по образованию новых поверхностей А (поверхностная энергия) : 211211 WWWEA пот  . Тогда удельная поверхностная энергия: )2(2 lDt A S A Aуд   . В соответствии с разработанной методикой были испытаны образцы горячепрессо- ванных WC – Co твердых сплавов с добавками меди, алмазосодержащих композитов на ос- нове горячепрессованных твердых сплавов (с магнитными – М и немагнитными – Н алмаза- ми) и экспериментальных твердых сплавов МИСИС, полученных методом вакуумного и компрессионного спекания. Образцы в форме дисков диаметром D= 8–10 мм и толщиной t = 2,5–3 мм испытывали при диаметральном сжатии. В образцах выполнялся центральный над- рез длиной 2l. Результаты определения механических характеристик образцов из твердых сплавов и композитов приведены в таблице . Результаты определения механических характеристик образцов из твердых сплавов и композитов Материал Предел прочности при диаметраль- ном сжатии σр, МПа Трещиностой- кость К1с, МПа.м1/2 Работа раз- рушения А, Дж Удельная по- верхностная энергия Ауд, Дж/мм2 ВК6Г 50,2 6,8 0,38 0,013 ВК6Г+0,8Cu 51,2 6,5 0,13 0,003 ВК6Г+1,6Cu 54,5 7,8 0,57 0,015 ВК6Г+3,2Cu 57,9 8,4 0,67 0,019 Славутич М 41,6 – 0,17 0,0035 Славутич Н 42,4 – 0,22 0,0043 Из таблицы видно, что при содержании меди 1,6 % прочность и удельная поверхност- ная энергия возрастают, что свидетельствует о положительном влиянии меди на работу раз- рушения данного класса материалов. При этом малое содержание меди (0,8 %) может приво- дить к охрупчиванию сплава и уменьшению удельной поверхностной энергии. Наличие ал- мазных частиц также приводит к снижению прочности и особенно удельной поверхностной энергии. При этом прочность и удельная поверхностная энергия для магнитных (с металли- ческими включениями) алмазов ниже, чем немагнитных (без включений). Образцы МИСиС, содержащие WC+8% Ni3Al, которые были получены методами ва- куумного и компрессионного спекания, испытывали на прочность при диаметральном сжа- тии. Установлено, что прочность образцов компрессионного спекания несколько выше, чем образцов вакуумного спекания (448 и 435 МПа соответственно). При этом их пористость также была меньше, что свидетельствует о преимуществах компрессионного спекания. РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 364 Литература 1. Композиционные материалы. Т. 5 Разрушение и усталость. – М.: Мир, 1978. – 237 с. 2. Давиденков Н. Н. Динамические испытания материалов. – М.: Госиздат, 1929. – 430 с. 3. Погодин-Алексеев Г. И. Динамическая прочность и хрупкость металлов. – М.: Машиностроение, 1973. – 201 с. 4. Новиков Н. В., Девин Л. Н., Иванов С. А. Силоизмерительное устройство для ди- намических испытаний материалов. – Заводская лаборатория. – 1980. – 46 – №7. – С. 665 – 667. 5. Дэйвис Р. М. Волны напряжений в твердых телах. - М.: ИЛ, 1961. –243 с. 6. Коротких Ю. Г., Пуртов Ю. Б. Численное исследование процесса динамического деформирования разрезного стержня Гопкинсона // Механика деформированного твердого тела. – Новосибирск: Институт гидродинамики, 1979. – № 41. – С. 60–64. Поступила 05.06.2006 г.

Схожі ресурси