Диссертация (1149351), страница 8
Текст из файла (страница 8)
39. Определение времени разрушения при периоде тока в соленоиде T=7,5 мкс:сигнал с фотодиода (1), осциллограмма тока в соленоиде (2), время разрушения (3).По сигналу с фотодиода определяется момент разрыва кольца и тем самымвремя разрушения образца.65Рис. 40. Определение времени разрушения при периоде тока в соленоиде T=1 мкс:осциллограмма тока в соленоиде (1), сигнала с фотодиода (2), время разрушения (3).Рис.
41. Определение времени разрушения при импульсном нагружении с длительностьюимпульса тока в соленоиде = 80 нс: осциллограмма тока в соленоиде (1),сигнал с фотодиода (2), время разрушения (3).Таким образом, синхронизируя сигнал с фотодиода с началом тока в цепикатушки, можно определить время разрушения металлического кольца. Заметим,66что при гармоническом нагружении образцов их разрушение наступает через несколько периодов тока в катушке (рис. 39, 40), а при импульсном (рис.
41) – разрушение может наступить либо на фронте импульса тока, либо на его спаде. Последний факт является весьма важным при высокоскоростном импульсномнагружении материалов. Данное обстоятельство при разрушении тонких металлических колец электромагнитным способом было зафиксировано нами впервые.Подобное явление наблюдалось при разрушении горных пород [6] с использованием электрического пробоя. Отмеченные эффекты обязаны динамическому высокоскоростному разрушению материалов, где наблюдается задержка разрушения, связанная с предварительным, так называемым подготовительным или инкубационным периодом.§3.4 Измерение радиального давления на кольцо иопределение окружного напряжения, деформации и ее скоростиИзмерение радиального давления на кольцо и окружного напряженияС помощью разработанного нами специального пьезодатчика были проведены измерения радиального давления на кольца при различных условиях нагружения в широком диапазоне скоростей деформаций.
Пьезодатчик изготовлен наоснове органической пьезополимерной пленки ПВДФ толщиной 30 мкм. Он былприменен при проведении данной серии экспериментов.Проанализированные в главе 1 настоящей работы схемы нагружения тонкихкольцевых образцов позволили реализовать такой широкий диапазон скоростейдеформаций.
Радиальное давление (), действующее на образец, измерялось спомощью пьезодатчика согласно схеме, приведенной на рис. 42. Далее по выражению (2.11) определялось окружное напряжение ().67Рис. 42. Схема измерения давления () на внутреннюю поверхность кольца.На рис. 43, 44 представлены определенные таким образом профили окружного напряжения в образцах из алюминия толщиной 15 мкм (конденсаторнаяфольга) и меди толщиной 15 мкм (прокатанный лист) при периоде тока в катушкеТ = 7,5 мкс. На рисунках также отмечены напряжения при разрыве металлического кольца и время до разрушения испытуемого образца. Эти данные соответствуют схеме нагружения, приведенной на рис.
6 Главы 1.На рис. 43 представлен профиль окружного напряжения от времени (),возникающего в медном кольцевом образце.Рис. 43. Экспериментальный профиль окружного напряжения для медного образцапри периоде нагружения Т=7,5 мкс. − время разрушения; − напряжение разрушения.68По методике определения времени разрушения, представленной в предыдущем параграфе, было определен момент времени разрыва металлическогокольца = 3,6 мкс (рис.
43). Разрыв кольцевого образца произошел при значенииокружного напряжения порядка 510 МПа на вершине импульса.Рис. 44 представляет собой профиль окружного напряжения () для случаядеформирования металлического кольца, изготовленного из алюминия.Рис. 44. Экспериментальный профиль окружного напряжения для алюминиевого образца припериоде нагружения Т=7,5 мкс. − время разрушения; − напряжение разрушения.Время разрушения, определенное с помощью фотодиода, в случае алюминиевого образца = 4,5 мкс (рис. 44), а значение окружного напряжения при разрыве кольца 190 МПа, что существенно меньше, чем при разрушении медногокольца.На рис.
43 и рис. 44 еще просматриваются колебания напряжения, но ониуже существенно сглажены за счет инерции деформирования материала кольца.Практически незаметные колебания на профилях окружного напряжения иллюстрируются на рис. 45, 46. Эти рисунки соответствуют модернизированной схеме69нагружения, представленной на рис. 1.5 (Глава 1), где период изменения тока вкатушке Т = 1 мкс.На рис. 45 приведен экспериментальный профиль окружного напряжения() для случая деформирования кольцевого образца, изготовленного из меди.Рис. 45. Экспериментальный профиль окружного напряжения для медного образца припериоде нагружения Т=1 мкс.
− время разрушения; − напряжение разрушения.В представленном случае время разрушения, определенное в эксперименте, = 4,6 мкс. Разрыв металлического кольца, изготовленного из меди, происходитпри значении окружного напряжения порядка 600 МПа, что превышает подобноезначение напряжения при периоде нагружения T=7,5 мкс. Данное обстоятельствоуказывает на то, что в данном случае увеличилась скорость деформации и, какследствие, повысился порог разрушения.На рис. 46 представлен экспериментальный профиль окружного напряжения, возникающего в алюминиевом образце при периоде тока в соленоиде 1 мкс.70Рис. 46.
Экспериментальный профиль окружного напряжения для алюминиевого образца припериоде нагружения Т=1 мкс. − время разрушения; − напряжение разрушения.В представленном на рис. 46 профиле напряжения время разрыва металлического кольца, определенное с помощью фотодиода, = 2,6 мкс. Значениеокружного напряжения в момент разрушения 260 МПа, что превышает подобнуювеличину при периоде нагружения T=7,5 мкс и существенно меньше, чем напряжение разрушения для медного кольца. Первый факт обязан большей скоростидеформации, второй – меньшей прочности алюминия по сравнению с медью.В проведенных экспериментах использовался соленоид из медного проводадиаметром 1 мм, состоящий из пяти витков. Расстояние между кольцевым образцом и соленоидом = 3 мм, расстояние между соседними витками соленоида1 = 7,5 мм, расстояние между крайним и центральным витками 2 = 15 мм (см.рис.
14). Характеристики образцов, условия экспериментов и результаты приведены в таблице 3.1, где: – период колебаний тока в катушке; ℎ – толщина кольцевого образца; – ширина образца; – диаметр металлического кольца; –напряжение заряда конденсатора; 1 – растягивающее напряжение в момент раз-71рыва образца; – время до разрушения; – энергия заряженного конденсатора; – максимальная амплитуда тока, протекающего по виткам катушки, − медныйобразец, − алюминиевый образец, ℎ − медный образец с надрезом.Для более стабильного разрушения медных кольцевых образцов и четкойфиксации места разрушения была проведена серия экспериментов, в которых использовались образцы с надрезом.
Величина надреза была порядка 0,5 мм.Таблица 3.1. Параметры материала, нагружения, ремя разрушения, энергия заряда конденсатораи окружные напряжения.Материал,мкс,мм,мм, мм,кВ ,MПa,мкс,Дж,АAl7,50,121,0282010413,751005700Al10,111,028271422,051826000Al10,0151,528,6202452,01004000Al10,0151,528,6201624,171004200Cu10,0151,028,6205774,681005800Cu notch10,0151,5528,6203766,61008400Из приведенной таблицы видно, что при большем периоде тока в соленоидеразрушение металлических колец происходит при меньшем значении окружногонапряжения в образце. То есть при квазистатическом нагружении кольцевых образцов, описанном в §1.2, разрыв металлического кольца происходит при значении окружного напряжения меньшем, чем при динамическом нагружении, описанном в §1.3.
Значения напряжений, необходимые для разрыва медных образцов,значительно превышают значения при разрушении алюминиевых образцов, чтобыло показано с помощью математической модели в Главе 2.Большой разброс во времени разрушения подчеркивает отмеченное ранееобстоятельство, что в силу инерционности деформирования материала колец разрушение может наступить на фронте импульса окружного напряжения, либо навершине, или на его спаде.
Все определяется тем, насколько быстро или медленно72изменяется напряжение во времени и насколько оно превышает по амплитуде порог разрушения материала кольца (перегрузка или недогрузка).В таблице 3.2 приведены экспериментальные данные статических испытаний на разрывной машине таких же фольг [22]. Данные усреднены по трем измерениям (диаграммам − ) при растяжении со скоростями деформации ̇() =0,357 −1 и 0,5 соответственно. Приняты обозначения: модуль упругостиЮнга; – предел упругости; – максимальное условное напряжение на диаграмме «напряжение-деформация»; – условное напряжение разрушения (временное сопротивление), соответствующее моменту начала макроразрыва образца; – деформация разрушения; – время разрушения.Таблица 3.2.
Напряжения, деформации и время разрушения для статического случая.Материал,ГПа ,MПa ,MПa ,MПa , % , сAl13 1,5660 999 0,9999 0,990,76 0,111,275 0,18Cu38 10,64400 72527 15,81508 15,242,27 0,412,730 0,49Видно, что различие в величинах и с незначительно, то есть разрушение образцов происходит практически на максимуме диаграммы «напряжениедеформация».Сравнение статических (таблица 3.2) и динамических (таблица 3.1) параметров разрушения показывает существенное превышение последних над статическими параметрами для алюминиевых образцов и в меньшей степени для медных колец, что можно объяснить их большей прочностью.Определение деформации и скорости деформации колецОпределение деформации и скорости деформации металлических кольцевых образцов проводилось на основе экспериментов по измерению радиальногодавления на внутреннюю поверхность образцов (), описанных в §3.3, которыедалее пересчитывались в окружные напряжения.
Характерные профили окружно-73го напряжения приведены для алюминиевых и медных фольг на рис. 43 и 44 соответственно для периода гармонического нагружения = 7,5 мкс, а на рис. 45, 46– для = 1 мкс.На переднем фронте импульса давления на интервале времени ∆ определялось значение ∆. Далее по форме Лапласа на этом временном интервале находилось значение окружного напряжения∆ =∆ ∙ ,ℎ(3.4)где – радиус кольца, ℎ – его толщина. Следуя закону Гука ∆ = ∆ (где –модуль Юнга), на выбранном временном интервале ∆ определялись деформацияи скорость деформации:∆,∆ 1 ∆̇ ==.∆ ∆∆ =Результаты измерений и вычислений сведены в таблицу 3.3.(3.5)(3.6)74Таблица 3.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
