Экспериментальное исследование поведения материалов при низкоскоростных ударных воздействиях

Проектирование современных конструкций требует исследования свойств материалов при различных сложных термомеханических воздействиях [1, 2], в частности при ударных нагрузках. Машины вертикального типа с падающим грузом позволяют изучать поведение материалов при различных условиях ударных воздействий и при разных температурных режимах. Целью работы было рассмотрение влияния различных скоростей удара и глубины концентратора на значения затраченной энергии и ударной вязкости.

На рис. 1 изображен Instron CEAST 93501 – современный универсальный электромеханический ударный измерительный стенд-копер для проведения широкого спектра динамических испытаний на удар – от готовых изделий до образцов, изготовленных по специальным стандартам. Данная установка позволяет проводить испытания в широком диапазоне скоростей (от 0,77 до 24 м/с) и энергий (от 0,59 до 1800 Дж). Температурная камера позволяет проводить испытания в диапазоне температур от –70 до +150 °С.

Рис. 1. Стенд-копер Instron CEAST 9350: 1 – система ускорителей; 2 – датчик веса; 3 – траверса; 4 – ударник; 5 – боек; 6 – панель оператора; 7 – система предотвращения отскока бойка; 8 – термокамера; 9 – опора

Для непосредственного контакта с образцом используется боек, содержащий тензодатчик (рис. 2). Удар по образцу происходит сменным наконечником 5 .

Рис. 2. Боек: 1 – сигнальный кабель; 2 – обойма кабеля;

3 – разъем; 4 – корпус бойка; 5 – наконечник

Боек соединен с системой регистрации данных и управления DAS 16000. Скорость сбора данных составляет 2 МГц при разрешении 14 бит, система имеет 8 независимых каналов для сбора данных с датчиков, 16000 точек данных собирается по каждому каналу одновременно. Все параметры полностью программируемы и управляемы через программное обеспечение Visual Impact (рис. 3).

Рис. 3. Окно управления настройками DAS 16000 в программе Visual Impact

Программное обеспечение Visual Impact необходимо для проведения испытательных работ на установке, позволяет создавать метод испытания, контролируя значения скорости, энергии и высоты удара (рис. 4), а также собирать информацию и сразу ее обрабатывать, получать результаты испытаний, проводить расчет и графически отображать результаты статистики.

Рис. 4. Окно настройки метода испытаний образца

Присутствуют возможности построения зависимостей силы, перемещения, скорости и затраченной энергии от времени и отображения значений затраченной энергии, массы, высоты сброса груза и скорости удара. Возможно построение диаграмм нагружения образца в реальном времени и экспортирование необработанных данных для самостоятельного анализа.

Таким образом, конструкция вертикальной ударной установки и ее рабочие диапазоны скорости, энергии удара, наличие встроенной температурной камеры, а также характеристики датчиков и сопутствующего программного обеспечения позволяют проводить различные испытания на удар: определение ударной вязкости по Шарпи, Изоду; испытания композиционных пластин, панелей и тонких пластиков по промышленным стандартам; изучение влияния изменения состава и геометрии конструкции (ориентация слоев, их толщина, объемная доля волокон и т.д.) на сопротивление ударным нагрузкам.

В качестве примера была проведена серия испытаний на определение ударной вязкости для металлических образцов с разными скоростями удара и глубиной концентратора.

Размеры и форма образца для проведения испытаний были выбраны в соответствии с ГОСТ 9454–78 [3] и представлены в табл. 1. Материал – алюминиевый сплав (АМг3).

Таблица 1

Размеры образца, мм

Вид концентратора	Радиус концентратора	Длина	Ширина	Высота	Глубина кон-цен-трато-ра	Высота рабочего сечения
U	±0,07	5	10±0,1	10	±0,1	8±0,1
U	±0,07	5	0±0,1	0	±0,1	5±0,1

Образец устанавливался на опоры (расстояние между опорами 40 мм) так, чтобы удар бойка приходился со стороны, противоположной концентратору, в плоскости его симметрии.

Группа из 5 образцов (№ 1–5) с глубиной концентратора 2 мм была испытана при следующих условиях: скорость 4,76 м/с; полная энергия 300 Дж.

Образцы с глубиной концентратора 5 мм были поделены на три группы. Для группы из 2 образцов (№ 6–7) с глубиной концентратора 5 мм условия испытания были: скорость 4,75 м/с; полная энергия 255 Дж. Для группы из 3 образцов (№ 8–10) с глубиной концентратора 5 мм условия: скорость 4,71 м/с; полная энергия 190 Дж.

Для последней группы из 4 образцов (№ 11–14) с глубиной концентратора 5 мм принимались условия: скорость 17,13 м/с; полная энергия 300 Дж.

В табл. 2 представлены значения перемещения, максимальной силы, затраченной энергии и ударной вязкости для каждого образца из группы.

Таблица 2

Результаты испытаний

№ п/п	Глубина концентратора, мм	Скорость испытания, м/с	Затраченная энергия, Дж	Max cила, Н	Перемещение, мм	Ударная вязкость, Дж/см2
1	2	4,76	59,54	9202,38	13,00	73,14
2	2	4,76	59,12	9189,71	13,51	72,71
3	2	4,76	60,14	8963,36	13,07	74,61

Окончание табл. 2

№ п/п	Глубина концентратора, мм	Скорость испытания, м/с	Затраченная энергия, Дж	Max cила, Н	Перемещение, мм	Ударная вязкость, Дж/см2
4	2	4,76	61,55	9198,76	11,93	76,05
5	2	4,76	60,29	9338,19	13,61	73,44
6	5	4,75	25,26	3538,26	15,08	49,91
7	5	4,75	24,44	3500,24	15,02	47,18
8	5	4,71	22,76	3610,69	17,37	45,24
9	5	4,71	22,66	3435,05	13,87	44,43
10	5	4,71	21,15	3215,95	15,45	45,01
11	5	17,13	28,33	4139,44	16,35	57,11
12	5	17,13	28,26	4639,22	16,29	57,55
13	5	17,13	28,05	4777,74	19,05	55,55
14	5	17,13	28,18	4565,88	18,94	55,14

На рис. 5. представлены характерные диаграммы зависимости затраченной энергии от времени для каждого условия испытания. Из диаграммы видно, что наибольшее количество энергии было затрачено при испытании образца с глубиной концентратора 2 мм при скорости удара 4,76 м/с. Наименьшее значение энергий имели образцы с глубиной концентратора 5 мм, испытанные при скорости 4,71–4,75 м/с.

Рис. 5. Диаграмма зависимости затраченной энергии от времени: 1 – образец с глубиной выреза 5 мм, скорость удара 4,71 м/с; 2 – образец с глубиной выреза 5 мм, скорость удара 17,16 м/с; 3 – образец с глубиной выреза 2 мм, скорость удара 4,76 м/с

Из рис. 6 видно, что в случае, когда глубина концентратора равна 2 мм, максимальная разрушающая сила оказалась намного выше, чем у образца с глубиной концентратора 5 мм, а перемещения в обоих случаях близки.

Рис. 6. Диаграмма зависимости силы от перемещения: 1 – образец с глубиной выреза 5 мм, скорость удара 4,71 м/с; 2 – образец с глубиной выреза 2 мм, скорость удара 4,76 м/с

Рис. 7. Диаграмма зависимости силы от перемещения: 1 – образец с глубиной выреза 5 мм, скорость удара 4,71 м/с; 2 – образец с глубиной выреза 5 мм, скорость удара 17,16 м/с

При сравнении диаграмм зависимости силы от перемещения для образцов с одной глубиной выреза, но разными скоростями (рис. 7), видно, что при увеличении скорости удара происходит увеличение разрушающей силы, но перемещения остаются прежними, а для некоторых образцов увеличиваются. В результате энергия, затраченная на разрушение, а следовательно, ударная вязкость, значительно возрастают. Увеличение значения затраченной энергии при увеличении скорости удара характерно для материалов, у которых с увеличение скорости деформирования не наблюдается перехода в хрупкое состояние (алюминий, медь и большая часть сплавов на основе этих металлов) [4].

На диаграмме сила – время (рис. 8) видно, что время, потраченное на разрушение при скорости удара 17,16 м/с, намного меньше времени, затраченного на разрушение образца при скорости удара 4,71 м/с. Диаграмма силы от времени для высокой скорости удара имеет резкие скачки значения силы, а спад диаграммы имеет более ломаный вид, чем при меньшей скорости удара.

Наличие выраженных пиков на диаграмме сила – время (см. рис. 8) может быть связано с волнами напряжений при ударе [5]. Для точного понимания характера возникновения скачков значения силы необходимо дальнейшее изучение.

Рис. 8. Диаграмма зависимости силы от времени: 1 – образец с глубиной выреза 5 мм, скорость удара 17,16 м/с; 2 – образец с глубиной выреза 5 мм, скорость удара 4,71 м/с

Таким образом, были проведены испытания алюминиевых образцов с различной глубиной концентратора при скорости удара 4,7 м/с и 17,1 м/с, в результате которых получены данные затраченной энергии и ударной вязкости. Проведено сравнение диаграмм зависимостей энергия – время и сила – перемещение.

Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках государственного контракта № 13.G25.31.0093 от 25 октября 2010 г.