Экспериментальное исследование энергетического баланса динамически нагруженной меди

На правах рукописи

НИКОЛАЕВА ЕЛЕНА АЛЕКСЕЕВНА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ДИНАМИЧЕСКИ НАГРУЖЕННОЙ МЕДИ

01.02.04 – механика деформируемого твёрдого тела

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Пермь - 2007

Работа выполнена в Институте механики сплошных сред УрО РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

В.А. Баранников

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор П.В. Трусов

доктор физико-математических наук

А.А. Адамов

Ведущая организация: Российский Федеральный Ядерный Центр –

ВНИИ Технической Физики

имени академика Е.И. Забабахина

Защита состоится «20» сентября 2007г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 004.012.01 при Институте механики сплошных сред УрО РАН по адресу: 614013, г. Пермь, ул. Ак. Королёва, 1.

С текстом диссертации можно ознакомиться в библиотеке Института механики сплошных сред УрО РАН

Автореферат разослан «___» ____________ 2007 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Березин И.К.

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.

1. 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.
2. Разработаны, спроектированы и изготовлены оптический датчик перемещений и электромагнитный датчик скорости перемещений.
3. Впервые в подобную экспериментальную установку встроен адиаба-тический калориметр для измерения тепла, выделенного образцом в результате динамического сжатия.
4. Разработана оригинальная методика измерения разуплотнения дефор-мированных образцов на основе метода гидростатического взвешивания, позволяющая исключить влияние трудно контролируемых небольших вариаций плотности рабочей жидкости.
5. 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.
6. 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:

1. Оригинальная экспериментальная установка – разрезной стержень Гопкинсона-Кольского, реализующая однократное нагружение образца с усовершенствованным методом его извлечения после процесса деформи-рования.
2. 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.
3. 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.
4. Оригинальная конструкция оптического датчика перемещений для измерения деформации образца, позволяющая осуществлять измерения величины деформации образца без использования численных процедур.
5. Результаты исследования процесса запасения энергии медными образцами при последовательном нагружении образцов и при одно-разовом нагружении образцов с возрастающей величиной остаточной деформации.
6. 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.

1. 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.
2. Разработан и спроектирован оптический датчик перемещений, который может использоваться, в том числе для проведения измерений в технике прямого удара ”direct-impact”.
3. 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы исследования, сформули-рованы цели и методы исследования, формулируются выводы по основным результатам.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приведена история развития метода Гопкинсона и теория метода. Особое внимание уделено обзору работ, посвящённых экспериментальным исследованиям тепловой диссипации механической энергии, затраченной на пластическое деформирование. Также в главе рассматривается одна из предложенных в научной литературе моделей термопластичности.

Разрезной стержень Гопкинсона-Кольского состоит из двух длинных стержней (входного и выходного), газовой пушки и ударника (Рис.1). Образец в форме цилиндра располагается между входным и выходным стержнями. При столкновении с входным стержнем ударник передаёт в него импульс упругого сжимающего напряжения, часть которого проходит через образец, а часть отра-жается от него. При этом образец пластически деформируется. Тензодатчики, закреплённые на входном и выходном стержнях, измеряют импульсы дефор-мации. Отражённый импульс деформации пропорционален скорости деформа-ции образца, а прошедший импульс деформации пропорционален напряжению в образце.

Рис. 1. Разрезной стержень Гопкинсона-Кольского.

Известно, что часть пластической работы, затраченной на динамическое деформирование материалов, переходит в тепло, в то время как оставшаяся часть остаётся в структуре материала в форме энергии дефектов и энергии, связанной с их взаимодействием.

Доля общего количества пластической работы, перешедшей в тепло, обычно обозначаемая , для упругопластического, изотропного, однородного материала вычисляется из уравнения теплопроводности [2]. Для случая дина-мического нагружения, когда преобладают адиабатические условия,

.

Здесь – абсолютная температура, c – удельная теплоёмкость, – плотность, – напряжение и – пластическая деформация. Точка означает дифферен-цирование по времени.

Экспериментальная информация о запасении энергии в структуре дина-мически деформированных материалов в основном получена из квазиста-тических экспериментов. Детальный обзор литературы по данному вопросу содержится в [3], и различные экспериментальные методики по измерению энергии обсуждаются в [4,5].

Первая попытка измерить в динамических экспериментах, выполнен-ных в широком диапазоне деформаций и скоростей деформации, была сделана в [6]. Исследования, проведённые на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского вместе с инфракрасными камерами, показали, что тепло, выделившееся в результате деформирования образца, существенно меньше затраченной работы [2,4,6]. В [2,6] обнаружено, что варьируется от 0.6 до 0.9 в зависимости от исследуемого металла, величины деформации и скорости деформации.

Рассмотренная в главе модель термопластичности [7] достаточно хорошо предсказывает зависимость доли выделенного тепла в работе, затраченной на пластическое деформирование, от деформации и скорости деформации для различных конструкционных материалов. Для каждого из исследованных материалов эксперименты при различных скоростях деформации дают одну и ту же запасённую энергию как функцию остаточной деформации. Однако, инфракрасная камера не даёт возможности наблюдать конечное равновесное состояние материала, поскольку трудно зафиксировать образец после деформирования, сохранив для него адиабатические условия, а процесс релаксации, как показали исследования, завершается за время, существенно превышающее время деформирования. В отличие от инфракрасной камеры, калориметрический метод измерений выделившегося тепла позволяет зафикси-ровать конечное равновесное состояние материала после деформирования.

Во второй главе описана схема экспериментальной установки, приведены схемы первичных преобразователей датчиков. Обсуждаются возможности, которые даёт представленная в работе экспериментальная техника. В работе применяется техника однократного удара [8-10], которая обеспечивает сохранение адиабатических условий проведения динамического эксперимента и допускает последующее изучение микроструктуры, плотности и твёрдости материала.

Существенное повышение стабильности и надёжности работы разрезного стержня Гопкинсона-Кольского обеспечено за счёт разработки оригинальных датчиков перемещений и массовых скоростей [11,12]. Применение оптического датчика перемещений позволяет переписать соотношение метода Гопкинсона-Кольского для скорости деформирования в терминах перемещений, что упрощает обработку экспериментальных данных и избавляет от процедуры интегрирования, которая вносит значительные погрешности в расчёты дефор-мации образца.

Использование датчика массовой скорости электромагнитного типа значительно упрощает процедуру численного расчёта диаграмм напряжение-деформация, при этом сквозная калибровка измерительной системы гаран-тирует достаточную точность полученных экспериментальных результатов. Работа электромагнитного датчика отличается высокой стабильностью и долговечностью в отличие резистивных датчиков деформации, что позволяет отказаться от повторения динамических калибровок в процессе работы, способствуя успешному использованию датчиков электромагнитного типа в динамических экспериментах.

Третья глава посвящена исследованию тепловой составляющей процесса деформирования меди на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского. Обосно-вана методика применения калориметра смешения в комплексе с разрезным стержнем Гопкинсона-Кольского. Приведены результаты калибровки калори-метра и экспериментального определения постоянной времени калориметра. Определены качественные зависимости доли запасённой энергии в полной механической работе, затраченной на деформирование, от полной деформации образцов.

Разрезной стержень Гопкинсона-Кольского позволяет исследовать тепловые эффекты высокоскоростного деформирования, поскольку обеспечивает адиабатические условия деформирования материалов: длительность импульса нагружения в динамическом эксперименте составляет 40-80мкс, в то время как тепловая постоянная времени образца (, где h – характерный размер образца и a – коэффициент температуропровод-ности материала образца. Для меди , толщина испытуемых образцов ). Во время динамического эксперимента образец не успевает обменяться теплом с окружающей средой и мерными стержнями, чем обеспечиваются адиабатические условия эксперимента.

Все образцы из меди М1, использующиеся в экспериментах, были отшлифованы до чистоты Rz5, отожжены в вакуумной печи при температуре 5000С в течение двух часов и охлаждены до комнатной температуры вместе с печью.

Эксперименты с образцами серии с.

Эксперименты проведены по методике последовательного повторного нагружения образцов [9]. Каждый образец однократно нагружался в экспери-ментальной установке по методу «убегающего стержня», перемещался в калориметр, и измерялось тепло, выделенное образцом. Деформация и напря-жение в образце в процессе нагружения определялись по данным, полученным на разрезном стержне Гопкинсона-Кольского. Для подтверждения корректно-сти измерений проводились контрольные замеры – для толщины образца по пяти точкам микрометром (цена деления 0,01мм), диаметр измерялся по пяти точкам штангенциркулем (цена деления 0,1мм). В Табл.1 для каждого из образцов приводятся скорость ударника, величина деформации, средняя скорость деформации, максимальное значение напряжения в образце.

Табл. 1.