Учебная работа. Разрушение материала при динамических нагрузках

Учебная работа. Разрушение материала при динамических нагрузках

Разрушение материала при динамических отягощениях

Введение

Под разрушением соображают процесс зарождения и развития в сплаве трещинок, приводящих к разделению его на части.

Разрушение происходит в итоге либо развития нескольких трещинок, либо слияния расположенных трещинок в одну магистральную трещинку, по которой идет полное разрушение.

В инженерной практике нередко встречаются случаи, когда перегрузка довольно стремительно изменяет свое направление либо величину, т.е. зависят от времени. Такое нагружение именуется динамическими вызывает значимые силы инерции в сооружении, которые приводят к возникновению доп (к статическим) напряжений и деформаций.

Известны случаи, когда инженерные конструкции, рассчитанные с огромным припасом прочности на статическую нагрузку, разрушались под действием сравнимо маленьких динамических сил. В связи с сиим экспериментально и на теоретическом уровне изучено разрушение композиционного материала сферопластика с матрицей из полиэфирной смолы и наполнителя из стеклянных микросфер при статическом и динамическом нагружении. Ударное действие создавалось магнитным импульсным полем. Проведен анализ нрава разрушения и его связи с параметрами действия и структурой материала. Предложен способ тестирования динамических параметров материала, основанный на концентрации инкубационного времени.

1. Виды разрушений

Разрушение — разделение тела на части при приложении механических нагрузок, время от времени в сочетании с тепловым, коррозионным и иными действиями. У большей части материалов разрушение развивается сразу с упругой и пластической деформацией, и серьезное разграничение этих действий проблемно.

Разрушение различают:

— изначальное (образование и развитие трещинок);

— полное (разделение тела на две либо больше частей);

— хрупкое (без значимой пластической деформации);

— пластичное либо вязкое;

— усталостное, долгое, замедленное и т.п.

Хрупкое и пластическое разрушение материалов

Разрушение сплава зависимо от степени развития пластических деформаций быть может хрупким либо пластичным (вязким).

Под хрупким разрушением жестких тел соображают наступающее при соответственных критериях необратимое нарушение сплошности вследствие распространения в теле макроскопических трещинок, приводящего к тому, что тело распадается на части, при этом образовавшиеся опосля разрушения части можно сложить так, чтоб составленное из их тело совпадало с начальным.

Хрупкое разрушение происходит методом отрыва (среза) (набросок 1, схема а), получающегося тогда, когда расстояние меж 2-мя смежными элементами тела, расположенными по направлению силового действия, возрастет в итоге этого действия так, что силы сцепления меж этими элементами окажутся погашенными; разрушению от отрыва соответствует 2-ая теория прочности (теория больших удлинений).

Благодаря отсутствию приметных остаточных деформаций, которые обоснованы качествами пластичности либо вязкости, телa, разрушившиеся методом хрупкого разрушения, в принципе, можно склеивать. Примером хрупкого может служить треснувшее либо разбитое стекло. Почти все железные конструкции при появлении и распространении в их макротрещин разрушаются по хрупкому типу, но на берегах трещинок — в приповерхностном слое малой толщины появляются пластические деформации (т.н. квазихрупкое разрушение).

Имеющиеся теории хрупкого и квазихрупкого разрушения основаны на результатах традиционной теории упругости с малыми деформациями. При рассмотрении вопросца о распространении трещинок, приводящих к хрупкому разрушению, обычно не затрагивается неувязка исходного появления трещинок; зарождение трещинок тесновато соединено с дислокациями, которые имеются снутри тела.

При теоретическом анализе трудности прочности и распространения мощных разрывов перемещений в жестких деформируемых телах за базу берут всепригодное уравнение термодинамики, выражающее законсохранения энергии для тела конечных размеров. В общем случае это уравнение имеет вид:

dE + dU = dA(e) + dQ(e) + dQ, (1)

где Е — кинетическая энергия тела; U — полная внутренняя энергия.

В правой части (1) — общий приток энергии снаружи за счет работы больших и поверхностных макроскопических сил dA(e), общий наружный приток тепла dQ(e) и наружный макроскопический приток энергии dQ за счет особенных микроскопичных устройств: хим действия на поверхности тела, электромагнитного взаимодействия и т.д.

Пластичное разрушение происходит от сдвига (набросок 1, схема в), получающегося тогда, когда будет превзойдено сопротивление обоюдному сдвигу 2-ух смежных частей тела; разрушению от сдвига соответствует 3-я (теория больших касательных напряжений) либо 4-ая (энергетическая) теория прочности.

один и этот же материал может разрушаться и хрупко и пластично зависимо от критерий, в каких протекает разрушение. Сталь и алюминий при обыкновенной температуре, при правильной форме деталей (стержней) и в обычных вариантах деяния сил (растяжение, сжатие, кручение либо извив) оказывают наименьшее сопротивление сдвигу, чем отрыву, и разрушаются пластично. Но при пониженных температурах, при подготовительной вытяжке либо неверной форме деталей, затрудняющих деформацию сдвига (при явлении концентрации напряжений), при наиболее сложных напряженных состояниях, также в итоге остальных обстоятельств сопротивление сдвигу (пластическим деформациям) может оказаться завышенным и затмить сопротивление отрыву, вследствие чего же материал разрушится хрупко.

Разрушение от сдвига сопровождается большенными деформациями, происходит в течение долгого времени и потому наименее небезопасно; разрушение от отрыва сопровождается малыми деформациями, происходит в один момент и потому наиболее небезопасно. Точное разграничение 2-ух вероятных видов разрушения материала — хрупкого и пластичного — принадлежит русским ученым Н.Н. Давиденкову, Я.Б. Фридману, Г.В. Ужику и др.

Отличительная изюминка хрупкого разрушения, соответствующего для бетона, керамики, стекла, природных камешков и остальных строй материалов, — это отсутствие приметной пластической деформации. При всем этом возникающие механические напряжения не успевают релаксировать и трещинкы, образующиеся в плоскости перпендикулярной действию напряжений, стремительно развиваются.

Набросок 1 — Виды разрушения: а — отрыв; б — срез; в-схема смещения атомных слоев при сдвиге

Хрупкому разрушению содействуют циклические перегрузки (вибрирование, нередкие удары и др.), при которых развивается вялость материалов, сплетенная с скоплением повреждений, появлением микро-, а потом и макротрещин. Увеличению хрупкости материалов содействуют также снижение температуры, повышение скорости деформирования, наличие поверхностно-активной среды.

Усталостное разрушение материалов

Вялостью материалов (а именно металлов) именуют явление разрушения в итоге постепенного скопления в их повреждений, приводящих к появлению усталостной трещинкы при неоднократном повторении нагружений.

Усталостное разрушение наблюдается при наличии одной из последующих 2-ух особенностей приложения перегрузки:

1) неоднократного приложения перегрузки 1-го знака, к примеру, временами изменяющейся от нуля до предела (рис. 2, а);

2) неоднократного повторения перегрузки, временами изменяющейся не только лишь по величине, да и по знаку (знакопеременной перегрузки), когда на выносливость материала сразу оказывают воздействие и повторность и переменность нагружения. При всем этом различают изменение перегрузки по симметричному циклу и изменение перегрузки несимметричное.

Динамические перегрузки

Динамическая перегрузка — перегрузка, характеризующаяся резвым конфигурацией во времени её значения, направления либо точки приложения и вызывающая в элементах конструкции значимые силы инерции. Динамическое нагружение возникает при приложении стремительно растущих усилий либо в случае ускоренного движения исследуемого тела. Во всех этих вариантах нужно учесть силы инерции и возникающее движение масс системы. Динамические перегрузки действуют недолговременное время. Их появление соединено почти всегда с наличием значимых убыстрений и сил инерции. Динамические перегрузки испытывают детали машин ударного деяния, таковых, как прессы, молоты и т.д. Детали кривошипно-шатунных устройств также испытывают во время работы значимые динамические перегрузки от конфигурации величины и направления скоростей, другими словами наличия убыстрений.

Типы динамических нагрузок:

— умеренно изменяющаяся: направление и величина повсевременно меняются;

— Пульсирующая: направление и величина изменяются нерегулярно;

— Ударная: направление либо величина изменяются эпизодически.

Хотя удар и относится к динамическим видам нагружения, в ряде всевозможных случаев при расчете на удар силами инерции третируют.

Разрушение материала при динамических отягощениях

действие импульсного нагружения на гетерогенную газонаполненную среду изучено недостаточно, хотя ударное сжатие пористых веществ обширно употребляется в физике ударных волн. Энтузиазм к таковым материалам связан с необходимостью описания их поведения в мишенях инерциального термоядерного синтеза, в плавучих средствах глубоководных аппаратов и, не считая того, с потребностью сотворения новейших материалов для демпфирования импульсных нагрузок. большенный практический энтузиазм представляет материал, содержащий стеклянные либо углеродные микросферы, внедренные в матрицу связывающего — сферопластик. Такие материалы владеют неплохими конструкционными и диэлектрическими качествами, оказываются довольно крепкими по отношению к ударным перегрузкам и имеют незначимый вес. Так, в работе измерена динамическая крепкость материала, содержащего 42% стеклянных микросфер по размеру либо 27.7% по весу, с эпоксидным связывающим, которая составила 0.24 ГПa. В итоге армирования вязкоупругих связывающих стеклянными микросферами существенно миниатюризируется плотность получаемого таковым образом новейшего материала, также улучшаются его демпфирующие характеристики. Введение микросфер — удачный метод конструирования гетерогенных материалов с данными качествами.

В данной работе выполнено экспериментальное исследование деформационных и прочностных параметров, а именно статической и динамической трещиностойкости, новейшего материала — сферопластика с матрицей из полиэфирной смолы и армирующего наполнителя из стеклянных микросфер. Материал содержит 41% по размеру стеклянных микросфер. Микроструктурный анализ композита выявил размеры сфер. В различных образчиках размер сфер изменялся в интервале от 6-60 до 12-60 мm со средним значением от 21 до 31 мm. Черта наполнителя приведена в табл. 1. По результатам взвешиваний определена удельная плотность сферопластика р = (0.79 ± 0.01) * 103 кг/м3.

Для оценки динамической трещиностойкости материала употреблялся новейший способ тестирования, основанный на понятии инкубационного времени. Согласно этому подходу, главный параметр, ответственный за критичные свойства динамического разрушения, — инкубационное время материала т. Оно определяется персонально для всякого материала и быть может получено из опытов на образчиках с макротрещинами. Эталоны имели форму пластинок размером 120 х120 х 9-16 мм с серединным краевым сквозным пазом шириной 2.2 мм и длиной 60 мм, также симметричным по отношению к его берегам надрезом в верхушке паза глубиной 1.5 мм и шириной 0.18 мм. Схема нагружения и вид эталона приведены на рисунке 3. При протекании тока по шинам нагрузочного устройства на их действует магнитное давление, передаваемое на берега паза. Это давление умеренно распределено по длине эталона и совершенно точно соединено с протекаемым током. Импульс тока создается при помощи магнито- импульсной установки о= 2 и измеряется поясом Роговского на осциллографе TDS-754C. Форма и продолжительность импульса давления определяется параметрами установки, а на амплитуду влияют и характеристики нагрузочного устройства. давление определяется по формуле p(t) = Psin2(р•t/ T), где T — продолжительность импульса. Амплитуда импульса P для варианта плоских шин шириной b определяется соотношением P = (µ0/2) (1/b)2, где I — амплитуда тока, µ = 4 р * 10-7 H/м. Магнитоимпульсная установка дозволяет генерировать в перегрузке импульс тока до 1 MA микросекундной продолжительности и сформировывать управляемые импульсные перегрузки с амплитудами порядка 1 ГПa и длительностями порядка > 1µs.

деформационный сферопластик динамический перегрузка

Принципная схема установки и схема нагружения эталона. От, L0 — накопительная емкость и собственная индуктивность генератора импульсных токов; Q — высоковольтный коммутатор; Rv — нелинейное сопротивление; 1 — исследуемый эталон. размеры приведены в mm.

Опыты проводились при 2-ух длительностях импульса нагружения: 2.76 и 4.40 лs. На рисунке 4 приведены экспериментальные данные по зависимости длины проросшей в образчике трещинкы от амплитуды воздействующего импульса. Пороговая амплитуда определялась методом экстраполяции длины проросшей трещинкы к нулю и составила для обозначенных выше длительностей 1.68 ± 0.5 и 11.2 ± 0.4MПa соответственно.

Экспериментальные данные по разрушению образцов из сферопластика одиночными импульсами продолжительностью 4.40 (1) и 2.76 µs (2).

Результаты и их обсуждение

Согласно примененному подходу, две вещественные константы KIc и ф обрисовывают статическую и динамическую трещиностойкость материала на данном масштабном уровне. Критичные характеристики наружной перегрузки, также скоростные зависимости вязкости разрушения для данной конструкции, нагруженной симметрично относительно полосы трещинкы, могут быть найдены с помощью аспекта инкубационного времени

KI(t’) dt ?ф•KIc, (1)

где KI(t) — коэффициент интенсивности напряжений как функция времени, ф — инкубационное время.

Коэффициент интенсивности напряжений определялся с помощью расчета. Для этого была рассмотрена задачка о полубесконечной трещинке, берега которой нагружались импульсами давления данной формы. В случае приложения к берегам разреза единичного моментального импульса коэффициент интенсивности KI д(t) = /2/, где = 4с2. При действии импульса случайной формы времени приложенной перегрузки с величиной KI д(t). Таковым образом, величина коэффициента интенсивности в опыте определяется из соотношения

(2)

Это выражение будет определять задачка о полубесконечной трещинке, т.е. пока отраженные от границ волны не достигнут кончика разреза. Для использованных при испытаниях моделей следует ограничиться рассмотрением времен t < 27.3лs, т.е. временем пробега берега разреза продольной волной. KI(t) вырастает, добивается максимума и потом медлительно убывает. Коэффициент интенсивности напряжений добивается максимума в момент времени несколько больший, чем у приложенной перегрузки (равный T / 2).

Для определения инкубационного времени употребляются приобретенные из опыта характеристики — пороговая амплитуда импульса P и его длительность T. Эти величины разрешают найти с помощью (2) часть неравенства. Из этого равенства и определяется инкубационное время ф. Отысканное таковым методом для исследованного типа сферопластика инкубационное время ф составило 3.93±0.25 лs при перегрузке длительностью T = 2.76 лs и 3.94 ± 0.3 лs для импульса продолжительностью T = 4.40 л s. Таковым образом, инкубационное время ф = 3.93 лs.

Зависимость амплитуды порогового импульса от длительности действия приведена на рисунке 5. Кружки — времени.

Зависимость коэффициента интенсивности напряжений от времени. Сплошная линия — продолжительность действия 4.40лs, штриховая-2.76 лs

Зависимость от длительности действия. Кружки — динамическая вязкость разрушения на длительностях, реализованных в опыте

Пороговая амплитуда, определенная с помощью аспекта критичного коэффициента интенсивности (KI(t) < KIc), имеет наиболее низкие значения (штриховая кривая на рис. 6). При продолжительности импульса T = 2.76 лs разрушающая амплитуда, определенная с помощью традиционного аспекта критичного коэффициента интенсивности, составляет 64% от наблюдаемой в опыте, а при длительности действия T = 4.40 л s — 76%. Динамическую вязкость разрушения, т.е. момент разрушения (KId = KI(t), где t* — момент начала разрушения) можно найти вычислением с помощью аспекта (1). При всем этом из (1) находится момент начала разрушения t*, а потом из (2) находится KId = 0.61 KIc при длительности действия T = 2.76 рs и KId = 0.67KIc для импульса продолжительностью T = 4.40 /р s. момент разрушения t* при всем этом составил 5.4 и 6.1рs соответственно. Разрушение в обоих вариантах происходило с задержкой, т.е. через некое время опосля заслуги коэффициентом интенсивности напряжений собственного наибольшего значения.

Таблица 2 — Воздействие размера наполнителя на длину итоговой трещинкы

Эталон

Длина трещинкы, mm

Размер наполнителя, / m

1-ая

2-ая

1

24

27

48.5

3

9.6

11.9

35.1

4

7

11

21.1

6

9

11.2

30.5

Индивидуальности деформации и следующего разрушения различных гетерогенных материалов определяются общей предпосылкой: на границах и в соединениях меж гомогенными структурными элементами деформируемого материала появляются источники упругих напряжений. Их появление обосновано сплошным сопряжением частей с разными качествами. В поле приложенных макронапряжений такие элементы испытывают разные деформации и могут при всем этом сохранять сложное сопряжение, только накапливая лишниие над средними упругие деформации.

Разрушение сферопластика происходило в главном меж стеклянными микросферами. Трещинка распространялась по связующему, огибая сферы. Только в отдельных вариантах она пересекала сферу.

От надреза в образчиках, как правило, распространяется по две трещинкы, расходящиеся в среднем под неким углом (8-12°). На расстоянии 2 либо 4 mm от начала разрушения в различных образчиках трещинка может скачкообразно изменять направление собственного движения, отклоняясь от предшествующего на угол 8-10°, потом приблизительно на том же расстоянии она снова может возвратиться к прежнему направлению движения. Расстояния, на которые проскакивают трещинкы, изменяются от 7 до 27 mm зависимо от интенсивности удара. Результаты фрактографического исследования сведены в табл. 2. Как видно из данных данной нам таблицы, чем меньше радиус сфер, тем меньше итоговая длина трещинкы. Это можно разъяснить повышением количества барьеров на пути распространения трещинкы.

Сопоставление нраве разрушения статически и динамически нагруженного материала выявило значительно большее количество разрушенных микросфер на поверхности статически деформированного материала, чем при импульсном нагружении.

Заключение

Под разрушением соображают процесс зарождения и развития в сплаве трещинок, приводящих к разделению его на части. Разрушение быть может хрупким и вязким.

Динамическое нагружение возникает при приложении стремительно растущих усилий либо в случае ускоренного движения исследуемого тела.

Для оценки динамических прочностных параметров сферопластика использован новейший способ тестирования, основанный на концепции инкубационного времени.

Приобретенные значения пороговых амплитуд приметно различаются от значений, предсказуемых по традиционному аспекту критичного коэффициента интенсивности, а значения динамической вязкости разрушения оказываются значительно меньше, чем KIc.

Показано, что разрушение в случае пороговых импульсов реализуется в кончике трещинкы на стадии уменьшения коэффициента интенсивности напряжения.

]]>