Способ испытания механических свойств конструкционных материалов в условиях ударно-волнового нагружения и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2507498:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) (RU)
Изобретение относится к области испытания материалов при ударных нагрузках и может быть использовано для получения информации о механических свойствах материалов при кратковременном интенсивном воздействии. Сущность: формируют плоскую ударную волну, действующую симметрично и одновременно в двух противоположных направлениях, в одном из которых размещен испытуемый образец. Одновременно регистрируют кинематические параметры ударной волны, распространяющейся по испытуемому образцу, и ударной волны, распространяющейся в противоположном от испытуемого образца направлении, после чего по их различию определяют механические свойства испытуемого конструкционного материала. Технический результат: повышение точности определения механических свойств испытуемых конструкционных материалов в условиях ударно-волнового воздействия за счет получения дополнительной информации в одном эксперименте, что связано с сокращением времени определения механических свойств, удешевлением способа их определения и снижением трудоемкости всего процесса. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области испытания материалов при ударных нагрузках и может быть использовано для получения информации о механических свойствах материалов при кратковременном интенсивном воздействии.
Известен способ испытания механических и кинетических свойств материалов при ударно-волновом воздействии [1], наиболее близкий к заявленному изобретению, который заключается в возбуждении ударной нагрузки на поверхности плоского образца, измерении и анализе ударной волны, распространяющейся по образцу. Процессы структурных превращений, пластического течения и разрушения связаны со свойствами исследуемого вещества и, вследствие этого, проявляются в структуре ударных волн. Признаками, общими с заявленным изобретением, являются возбуждение в испытуемом плоском образце ударных волн и регистрация распространения этих волн в данном образце.
Недостатком известного способа является недостаточно высокая информативность и точность определения механических свойств испытуемых конструкционных материалов за счет отсутствия информации об амплитудно-временных параметрах ударной волны до воздействия на испытуемый образец и, как следствие, необходимость проведения дополнительных экспериментов для установления путем экстраполяции экспериментальных данных профиля воздействующей ударной волны, что уменьшает точность определения механических свойств, удорожает сам процесс их определения и повышает трудоемкость способа.
Предлагаемый способ лишен указанных недостатков.
Технический результат направлен на повышение точности определения механических свойств испытуемых конструкционных материалов в условиях ударно-волнового воздействия за счет получения дополнительной информации в одном эксперименте, что связано с сокращением времени определения механических свойств, удешевлением способа их определения и снижением трудоемкости всего процесса.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе испытания механических свойств конструкционных материалов в условиях ударно-волнового нагружения, включающем воздействие плоской ударной волны на испытуемый образец и регистрацию кинематических параметров ударной волны, распространяющейся по образцу, в соответствии с заявленным способом формируют плоскую ударную волну, действующую симметрично и одновременно в двух противоположных направлениях, в одном из которых размещен испытуемый образец, одновременно регистрируют кинематические параметры ударной волны, распространяющейся по испытуемому образцу, и ударной волны, распространяющейся в противоположном от испытуемого образца направлении, после чего по их различию определяют механические свойства испытуемого конструкционного материала.
За счет полученной информации в одном эксперименте (при определении механических свойств конструкционного материала испытуемого образца в условиях ударно-волнового воздействия) о начальных параметрах плоской ударной волны и ее параметрах после прохождения по испытуемому образцу существенно повышается точность и информативность о механических свойствах испытуемого конструкционного материала.
Реализация заявленного способа осуществляется с помощью устройства для испытания механических свойств конструкционных материалов в условиях ударно-волнового нагружения.
Известно устройство для тестирования материалов при импульсном нагружении[2],содержащее конденсаторную батарею, генератор импульсных токов, загрузочное устройство в виде согнутой пополам плоской металлической шины, приспособление для крепления образца испытуемого материала, аппаратуру для управления и регистрации результатов испытаний. В момент запуска устройства генератор импульсных токов формирует импульс разрядного тока с конденсаторной батареи, который протекает по согнутой шине. В результате разного направления тока в двух половинах шины последние испытывают действие друг на друга отталкивающей силы, обусловленной взаимодействием магнитного поля двух разнонаправленных токов. Образец прижимается к шине таким образом, что ограничивается раздвижение шины. Образуется плоская ударная волна, воздействующая на образец. Аппаратура регистрирует профиль ударной волны, прошедший через испытуемый образец. Признаками, общими с заявленным устройством, являются применение магнитно-импульсной методики для инициирования ударной волны, которая позволяет формировать симметричную расходящуюся в две противоположные стороны ударную волну. Недостатком данного устройства является необходимость проведения калибровочных экспериментов для установления профиля начальной ударной волны, что влияет на недостаточно высокую точность и информативность результатов эксперимента.
Известно устройство для динамических испытаний материалов [3], наиболее близкое к заявленному устройству для реализации способа определения механических свойств конструкционного материала в условиях ударно-волнового нагружения, принятое в качестве прототипа. Оно содержит накопитель электрической энергии в виде конденсаторной батареи с зарядным устройством, подключенный к накопителю через разрядник взрывающийся проводник в виде фольги, держатель фольги, выполненный в виде диэлектрической подложки, приспособление для крепления образца испытуемого материала, аппаратуру для управления и регистрации результатов испытаний. Неплоскостность фольги устраняется ее плотным прилеганием к поверхности диэлектрической подложки. Образец располагается с противоположной диэлектрической подложке стороны. В момент запуска устройства разрядный ток конденсаторной батареи проходит через фольгу и в результате воздействия мощного импульса тока фольга взрывается. Образуется плоская ударная волна, воздействующая на образец. Аппаратура регистрирует профиль ударной волны, прошедший через испытуемый образец, и профиль воздействующей на диэлектрическую подложку ударной волны, который принимается и за профиль ударной волны, воздействующей на испытуемый образец.
Признаками, общими с заявленным устройством, являются источник ударных волн, накопитель электрической энергии с зарядным устройством, разрядник, применение электрического взрыва фольги для инициирования ударной волны, наличие диэлектрической подложки - волновода, который обеспечивает плоскостность фольги и служит для определения профиля ударной волны, воздействующей на образец.
Недостатками известного устройства является невысокая точность определения механических свойств испытуемых конструкционных материалов в условиях ударно-волнового воздействия на них, поскольку в режиме реального времени регистрируемый таким образом профиль ударной волны, воздействующей на волновод, не соответствует профилю ударной волны, воздействующей на испытуемый образец, за счет чего возникает значительная неточность определяемых параметров по отношению к реально существующим в действительности.
Техническим результатом устройства для реализации заявленного способа определения механических свойств испытуемых конструкционных материалов в условиях ударно-волнового воздействия является повышение точности эксперимента и информативности получаемых результатов исследований, а также дополнительная возможность вариации параметров ударной нагрузки, снижение стоимости и трудоемкости эксперимента.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для реализации заявленного способа, содержащем накопитель электрической энергии с зарядным устройством, разрядник, источник плоских ударных волн, соединенный последовательно с накопителем электрической энергии и разрядником, диэлектрический волновод с заданными механическими параметрами, выполненный в виде пластины с плоскопараллельными поверхностями и плотно прижатый к источнику плоских ударных волн, приспособление для фиксации компонентов устройства и испытуемого образца, в соответствии с заявленным устройством, дополнительно и симметрично по отношению к источнику плоских ударных волн расположен второй идентичный имеющемуся диэлектрический волновод с одинаковыми с ним или иными известными свойствами.
Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что в качестве источника плоских ударных волн использован подключенный к накопителю через разрядник взрывающийся проводник в виде фольги, которая расположена по центру между двумя противоположно зафиксированными друг относительно друга диэлектрическими волноводами.
Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что в качестве источника плоских ударных волн использованы подключенные к накопителю через разрядник две плоские токопроводящие шины с противоположным протеканием электрического тока, которые плотно установлены между двумя противоположно зафиксированными друг относительно друга диэлектрическими волноводами.
Новая конструкция заявленного устройства в виде двух одинаковых соосно расположенных диэлектрических волновода, зажимающих между собой источник ударной волны с плотно прижатым к любому из диэлектрических волноводов испытуемого образца, позволяет получить с высокой точностью результаты испытаний в одном эксперименте.
Новая конструкция заявленного устройства позволяет использовать источник ударной волны для формирования плоской ударной волны, симметрично распространяющейся с двух противоположных от ее источника сторон, при этом ударную нагрузку образца и регистрацию амплитудно-временных параметров плоской ударной волны, распространяющейся по образцу, осуществляют с одной стороны, а регистрацию начальных параметров ударной волны с другой противоположной стороны.
Сущность заявленного изобретения поясняется Фиг.1-3.
На Фиг.1 представлена схема распространения плоской ударной волны, где: А) - источник плоской ударной волны, формирующий плоскую ударную волну, которая распространяется симметрично в две противоположные стороны; В) - испытуемый образец.
На Фиг.2 представлена схема устройства для реализации заявленного способа определения механических свойств испытуемых конструкционных материалов в условиях ударно-волнового воздействия.
Заявленное устройство, как это видно из Фиг.2, содержит накопитель электрической энергии (1), разрядник (2), подключенный к накопителю источник ударной волны (3), диэлектрические волноводы (4), образец (5) испытуемого материала, каркас устройства (6) для соосной фиксации источника ударной волны, волноводов и образца, аппаратуру для управления (7) и регистрации (8).
Работа предлагаемого изобретения осуществляется следующим образом. Накопитель электрической энергии (1) заряжается до выбранного напряжения. Блок синхронизации аппаратуры (7) запускает разрядник (2). Разрядный ток поступает в источник ударной волны (3), который плотно зажат между двумя одинаковыми соосно расположенными диэлектрическими волноводами (4). Если в качестве источника ударной волны (3) используется фольга, то под действием мощного импульса тока она взрывается, образуется плоская ударная волна, воздействующая на оба волновода (4). Если в качестве источника ударной волны (3) используются две токопроводящие плоские шины с различным направлением тока, то под действием мощного импульса тока они отталкиваются за счет взаимодействия их магнитных полей, и под давлением шин в диэлектрических волноводах (4) образуется плоская ударная волна. Ударная волна, распространяясь по волноводам, либо переходит в испытуемый образец, либо выходит на свободную поверхность противоположного испытуемому образцу волновода. Аппаратура (8) регистрирует амплитудно-временные профили ударной волны, прошедшей только через свободный волновод и прошедшей через второй волновод и прижатый к нему образец. (Образец исследуемого материала плотно прижимается к одному из волноводов и находится в акустическом контакте).
Соотношение механических импедансов испытуемого образца и волновода определяют долю энергии ударной нагрузки, вводимой в испытуемый образец, что также расширяет возможности вариации интенсивности ударного импульса вводимого в образцы. Толщина волновода определяет запаздывание момента нагружения исследуемых образцов относительно момента взрыва проводника, что позволяет отстраиваться от негативного влияния электромагнитных помех при измерениях. Контроль кинематических параметров ударной волны осуществляется с помощью емкостных и индукционных датчиков или интерферометров.
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного результата: повышение точности эксперимента и информативности результатов исследований, а также дополнительная возможность вариации параметров ударного нагружения.
На Фиг.3 представлены результаты апробаций.
Пример конкретной реализации заявленного изобретения.
В качестве примера конкретной реализации использования заявленного изобретения были проведены экспериментальные исследования динамических свойств металлических стекол на основе Zr при ударных нагрузках субмикросекундной длительности в диапазоне до 12 ГПа.
Взрывающаяся Al - фольга размещалась между двумя одинаковыми керамическими волноводами. Контроль параметров ударной волны осуществлялся по измерению скорости свободной поверхности образца и противоположного ему волновода с помощью дифференциальных лазерных интерферометров.
На Фиг.3 показана зависимость скорости перемещения свободной поверхности волновода (I) и образца (II) при воздействии ударной волной разной интенсивности. Ударная нагрузка формировалась с помощью взрыва фольги. Ноль соответствует выходу ударной волны на свободную поверхность волновода. Профилям ударной волны, воздействующей на образец, соответствуют кривые I, а профили ударной волны, прошедшей через образец, - кривые II. В единицах давления профили ударной волны могут быть оценены согласно акустическому приближению по формуле σ=0.5 ρcν, где ρ - плотность материала, с - скорость звука в материале, ν - скорость свободной поверхности.
При сравнении профилей ударной волны I и II наблюдается двухволновая структура волны, типичная для упругопластического отклика материалов, более того, она характерна для почти идеально пластического отклика. Это следует из наличия практически горизонтального участка профиля после фронта нагружения. Также следует отметить наличие характерного зуба текучести. В результате испытаний было установлено, что упругий предел Гюгонио исследуемого сплава на основе Zi σHEL=4,57±0,05 ГПа (гигапаскаль), а откольная прочность σsp=4,42±0,33 ГПа.
Результаты испытаний показали, что заявленный способ позволил с достаточно высокой точностью определять как момент нагружения образца, так и параметры начальной ударной волны, а также ее трансформацию при прохождении волны через образец, а заявленное устройство для испытания материалов при ударно-волновом нагружении позволяет получать профиль ударной нагрузки на испытуемый образец без проведения серии дополнительных экспериментов для определения ударной нагрузки путем экстраполяции экспериментальных данных. Получение данных в одном эксперименте существенно сокращает погрешность эксперимента до погрешности измерительных приборов, а также делает процесс определения механических параметров конструкционных материалов более мобильным, менее трудоемким и более дешевым.
Заявленное изобретение может быть широко применено в материаловедении, в области физики ударных волн и других областях науки и инженерного проектирования, где необходима информация о сжимаемости вещества, его механических и кинетических свойствах при кратковременных интенсивных и/или мощных нагрузках.
Список использованной литературы
1. Канель Г.И., Фортов В.Е., Разоренов С.В. Ударные волны в физике конденсированного состояния // Успехи физических наук, 2007, Т.177, №8, С.809-830.
2. Кривошеев С.И. Магнитно-импульсная методика тестирования материалов при импульсном нагружении // Журнал технической физики, 2005, Т.75, Вып.3, С.46-55.
3. Пат. SU 1114920, МПК G01N 3/30, G01M 7/00. Устройство для динамических испытаний материалов / А.А.Антонов, Б.Ф.Воробьев, Ю.В.Судьенков и У.Даубаев; ЛГУ им. А.А.Жданова. Заявлено 21.04.1983; Опублик. 23.09.1984 (прототип).
1. Способ испытания механических свойств конструкционных материалов в условиях ударно-волнового нагружения, включающий воздействие плоской ударной волны на испытуемый образец и регистрацию кинематических параметров ударной волны, распространяющейся по образцу, отличающийся тем, что формируют плоскую ударную волну, действующую симметрично и одновременно в двух противоположных направлениях, в одном из которых размещен испытуемый образец, одновременно регистрируют кинематические параметры ударной волны, распространяющейся по испытуемому образцу, и ударной волны, распространяющейся в противоположном от испытуемого образца направлении, после чего по их различию определяют механические свойства испытуемого конструкционного материала.
2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее накопитель электрической энергии с зарядным устройством, разрядник, источник плоских ударных волн, соединенный последовательно с накопителем электрической энергии и разрядником, диэлектрический волновод с заданными механическими параметрами, выполненный в виде пластины с плоскопараллельными поверхностями и плотно прижатый к источнику плоских ударных волн, приспособление для фиксации компонентов устройства и испытуемого образца, отличающееся тем, что дополнительно и симметрично по отношению к источнику плоских ударных волн расположен второй, идентичный первому диэлектрический волновод с аналогичными или заданными свойствами.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве источника плоских ударных волн использован подключенный к накопителю через разрядник взрывающийся проводник в виде фольги, которая расположена по центру между двумя противоположно зафиксированными друг относительно друга диэлектрическими волноводами.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве источника плоских ударных волн использованы подключенные к накопителю через разрядник две плоские токопроводящие шины с противоположным протеканием электрического тока, которые плотно установлены между двумя противоположно зафиксированными друг относительно друга диэлектрическими волноводами.
