Введение к работе
Актуальность темы. В связи с развитием ряда областей новой техники и внедрением в промышленность новых перспективных технологий обработки материалов большой научный и практический интерес вызывает исследование процессов высокоскоростного деформирования различных материалов, в том числе определение их деформационных, прочностных и термодинамических характеристик при построении определяющих соотношений теории пластичности.
В последние годы значительное число экспериментальных работ было посвящено исследованию эволюции температуры поверхности образцов, подвергающихся высокоскоростному деформированию, с помощью радио-метрических приёмников, инфракрасных камер и т.п. с целью оценки диссипативной доли энергии, затраченной в процессе деформирования. Как показали исследования, эта доля далеко не исчерпывает всей затраченной энергии. В существующих попытках описать процесс накопления энергии в качестве переменной используется остаточная деформация. Очевидна некорректность такого подхода, поскольку остаточная деформация не является однозначной функцией процесса деформирования. Естественный путь поиска истинной внутренней переменной предполагает вскрытие физического механизма накопления энергии. В этом случае для описания процесса накопления энергии открывается возможность использования мощного аппарата классической термодинамики.
Существенной характеристикой состояния является микроструктура, которая зависит от истории нагружения, приводящей образец к определённой деформации. К настоящему времени выполнено огромное количество экспериментальных исследований, посвящённых изучению микроструктурных характеристик материалов, как после деформирования, так и непосредственно в процессе их деформирования (с помощью электронного микроскопа). Однако, на сегодняшний день не существует теории, непосредственно связывающей процесс деформирования с результатами подобных исследований. Понимание физики этого процесса, в том числе и релаксационных процессов, неизбежно сопровождающих деформирование, может дать дополнительные возможности исследований пластического деформирования материалов.
Принято считать, что разрезной стержень Гопкинсона-Кольского [1] позволяет проводить исследования материалов в квазистатических условиях. Между тем, в обычных квазистатических условиях релаксационные процессы в материале идут одновременно с деформированием. В разрезном стержне Гопкинсона-Кольского время деформирования образца очень мало (40-80мкс) по сравнению с продолжительностью релаксационных процессов в материале (порядка 10с). Вследствие малого времени нагружения образца дефор-мирование осуществляется в адиабатических условиях, что позволяет наблюдать изменение температуры образца до, во время и сразу после деформирования, и исследовать по отдельности процессы деформации и релаксации материала.
Цель работы. Целью работы является экспериментальное исследование энергетического баланса меди, подвергнутой высокоскоростному деформи-рованию на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского.
Адиабатические условия деформирования образцов на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского дают возможность определить соотношение долей выделенного тепла и запасённой энергии в полной механической работе, затраченной на деформирование. Изучение по отдельности процессов дефор-мирования и релаксации материала имеет целью вскрыть физический механизм накопления энергии в его структуре.
Научная новизна.
-
Разработан способ однократного нагружения образцов в экспери-ментальной установке, обеспечивающий минимальное время контакта образца с мерными стержнями, что позволяет корректно определять тепловую долю энергии деформирования сразу после нагружения.
-
Разработаны, спроектированы и изготовлены оптический датчик перемещений и электромагнитный датчик скорости перемещений.
-
Впервые в подобную экспериментальную установку встроен адиаба-тический калориметр для измерения тепла, выделенного образцом в результате динамического сжатия.
-
Разработана оригинальная методика измерения разуплотнения дефор-мированных образцов на основе метода гидростатического взвешивания, позволяющая исключить влияние трудно контролируемых небольших вариаций плотности рабочей жидкости.
-
Предложена оригинальная схема проведения динамического экспери-мента, заключающаяся в последовательном нагружении образцов и измерении на каждом этапе тепла, выделенного образцом, микро- и макротвёрдости и разуплотнения материала.
-
Обнаружено, что характерное время релаксационного процесса для меди имеет величину порядка 10с при нормальных условиях. Впервые удалось наблюдать процесс установления температуры в образце, связанный с эволюцией зернограничной фазы непосредственно после окончания процесса деформирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Оригинальная экспериментальная установка – разрезной стержень Гопкинсона-Кольского, реализующая однократное нагружение образца с усовершенствованным методом его извлечения после процесса деформи-рования.
-
Оригинальная схема эксперимента с последовательным нагружением образцов и измерением баланса энергии процесса деформирования. Для определения тепловой составляющей энергии впервые в подобную экспериментальную установку встроен адиабатический калориметр.
-
Оригинальная конструкция электромагнитного датчика скорости перемещения, который обладает существенными преимуществами по сравнению с датчиками тензорезистивного типа. Калибровки электро-магнитного датчика показали хорошую повторяемость результатов и стабильность работы. Высокий рабочий ресурс датчика позволяет рекомендовать его к применению на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского и аналогичной экспериментальной технике.
-
Оригинальная конструкция оптического датчика перемещений для измерения деформации образца, позволяющая осуществлять измерения величины деформации образца без использования численных процедур.
-
Результаты исследования процесса запасения энергии медными образцами при последовательном нагружении образцов и при одно-разовом нагружении образцов с возрастающей величиной остаточной деформации.
-
Механизм накопления энергии в структуре материала образца в результате динамического сжатия, показывающий, что исследуемый поликристаллический материал нельзя рассматривать как однофазную систему, что имеет решающее значение в написании определяющих уравнений пластичности с учётом термодинамических закономерностей процесса высокоскоростного деформирования.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие во всех экспериментальных исследованиях. Автором проведена обработка всех экспериментальных данных. Автор внёс вклад в обсуждение и интерпретацию полученных результатов.
Практическая ценность.
-
Разработан и спроектирован электромагнитный датчик массовой скорости, обладающий высокой стабильностью и надёжностью работы, имеющий существенно больший ресурс по сравнению тензодатчиками резистивного типа. Высокие метрологические характеристики и хорошая повторяемость характеристик датчиков позволяют рекомендовать их к широкому использованию на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского.
-
Разработан и спроектирован оптический датчик перемещений, который может использоваться, в том числе для проведения измерений в технике прямого удара ”direct-impact”.
-
Полученные экспериментально механические и теплофизические харак-теристики могут найти применение для создания моделей пластичности, учитывающих тепловые процессы.
Апробация работы.
По результатам диссертационной работы опубликовано 7 научных статей и 7 тезисов. Основные положения и результаты работы докладывались на 7 всероссийских конференциях.
Часть результатов работы была получена в рамках проектов МНТЦ №1181, №2146, проектов РФФИ №02-01-00736, №05-08-33652а, №04-01-96009-р2004урал_а.
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и выводов по результатам исследования. Работа изложена на 137 страницах и содержит 60 рисунков, 20 таблиц, список цитируемой литературы состоит из 111 наименований.
