11. Определение откольной прочности сплавов, применяемых для бронезащиты.

Результаты измерений откольной прочности ряда металлов и сплавов при различных значениях нагрузки приведены в табл. 2.9 [2.22]. Измерения показали, что с увеличением скорости растяжения сопротивление разрушению в этих условиях возрастает. Общей корреляции между полным временем разрушения и зависимостью разрушающих напряжений от длительности нагрузки нет, что видно, например, из сопоставления результатов опытов с вязкой нержавеющей сталью и другими материалами. По-видимому, зависимость разрушающих напряжений от длительности нагрузки определяется скорее наличием в материале потенциальных очагов разрушения и начальной скоростью их роста, в то время как общая длительность процесса разрушения зависит от закономерностей развития и слияния несплошностей.

Для оценки возможного вклада фактора времени авторы [2.22] сопоставляют величину откольной прочности с соответствующими характеристиками материалов, определяемыми в обычных квазистатических испытаниях. Стандартные испытания на растяжение дают две основные характеристики прочности – технический предел прочности _в, характеризующий максимальную нагрузку, выдерживаемую образцом, и истинное напряжение разрушения S_k, определяемое с учетом изменения поперечного сечения образца в «шейке». Для пластичных материалов превышение величины S_k над _в может быть очень большим. Из табл. 2.9 видно, что значения прочности при отколе, реализуемые в микросекундном диапазоне длительностей нагрузки, обычно в 1,5 … 2 раза превышают S_k. При этом время действия нагрузки в случае откола на 6 … 8 порядков меньше, чем при определении S_k. Однако, проблема использования истинного (максимального) растягивающего напряжения связана с невозможностью сопоставить его со стандартизованным показателем качества, которые применяются в производстве материалов. При этом технические требования по уровню качества материалов, предназначенных для работы при импульсных ударных нагрузках существенно выше, чем для работы при статических нагрузках.

Следует также учитывать, что показатели, применяемые для оценки качества в серийном производстве, имеют нормальное распределение со среднеквадратическим отклонением, определяемым по квадратному корню из дисперсии, которое составляет при статических испытаниях до 10 % по характеристикам прочности и до 30 % по характеристикам пластичности от среднего значения. Очевидно, что повышение скорости деформации увеличивает дисперсию распределения характеристик и приводит к повышению уровня разброса показателей, принимаемых для оценки качества материалов, что не позволяет установить технические требования к конструкциям, работающим при импульсном ударном нагружении при их изготовлении в производстве.

Поскольку длительность процесса разрушения сравнима с длительностью ударно-волнового эксперимента, следует определить, какую стадию разрушения характеризуют определяемые данным методом величины напряжений. Скорость разрушения всегда конечна, поэтому интенсивное приложение нагрузки способно создать значительные избыточные напряжения в материале. Кроме того, металлографические исследования образцов после воздействия демонстрируют различную степень разрушения в зависимости от длительности нагрузки даже при одной и той же ее интенсивности. Это иногда интерпретируется как существование нескольких уровней разрушения при отколе, которые характеризуются зарождением несплошностей, их ростом на промежуточной стадии и формированием магистральной трещины [2.39].

Очевидно, что скорость разрушения, которая может фиксироваться на волновых профилях, должна коррелировать со скоростью расширения вещества в падающем импульсе нагрузки. Откольный импульс появляется на профиле скорости поверхности образца, если разрушение происходит достаточно быстро. Замедленное разрушение вызывает замедленную релаксацию растягивающих напряжений, что приводит к уменьшению крутизны фронта откольного импульса. Качественно профиль волны, распространяющейся от зоны разрушения к поверхности образца, можно представить как результат наложения двух волн – разгрузочной части падающего импульса и волны сжатия, появляющейся в результате разрушения.

Значения разрушающих напряжений, полученные динамическими измерениями, определяют условия инициирования откола. В связи с этим уместно отметить, что наблюдаемые неоднородности поверхности откола тем мельче, чем короче импульс нагрузки и, соответственно, больше достигаемые перенапряжения в образце.

Отсюда следует, что увеличение растягивающего напряжения приводит к инициированию все более мелких и более многочисленных очагов разрушения по мере распространения волны растяжения вглубь образца. Вблизи поверхности, где растягивающие напряжения еще не столь велики, инициируется разрушение лишь на сравнительно крупных дефектах. Так как количество крупных дефектов относительно невелико, скорость разрушения оказывается недостаточно большой, чтобы произвести заметную релаксацию растягивающих напряжений. Развитие разрушения в приповерхностных слоях останавливается разгрузкой, порождаемой быстрым разрушением в глубине образца.

Сопоставление величин откольной прочности, полученных измерениями волновых профилей, с условными значениями порогов разрушения, которые получаются в результате металлографического анализа образцов после испытаний с различными скоростями удара, показывают, что величины откольной прочности примерно соответствуют порогу зарождения откольного разрушения. Во многих случаях металлографический анализ дает даже более высокие значения порога зарождения. Два других порога – промежуточная стадия разрушения и формирование магистральной трещины, – соответствуют большей интенсивности ударной нагрузки. Это не означает, что развитие разрушения происходит при более высоких растягивающих напряжениях, потому что релаксация напряжений при разрушении ограничивает их рост в экспериментах с более высокой интенсивностью ударной нагрузки. Разделение тела на части завершается значительно позже момента достижения максимума растягивающих напряжений и требует определенных затрат энергии.

В условиях ударно-волновых испытаний материал перед разрушением претерпевает быстрое сжатие и разогрев в ударной волне. В связи с этим возникает вопрос, в какой мере эти факторы влияют на сопротивление откольному разрушению. В работе [2.22] были проведены эксперименты с образцами титановых и алюминиевых сплавов и железа при интенсивностях ударных волн 2 … 90 ГПа. Измеряли скорости свободной поверхности образцов титанового сплава ВТ8, полученные в опытах с нагружением образцов алюминиевыми ударниками толщиной 2 мм при скорости удара 660, 1900 и 5300 м/с. Давление ударного сжатия в этих опытах изменялось от 6,5 до 77 ГПа. Измерения показали, что откольная прочность сплава практически не зависит от амплитуды ударной нагрузки и равна 4,16 ± 0,06 ГПа. Суммарная деформация в цикле ударного сжатия и разгрузки перед разрушением в этих опытах доходила до 50 %, а остаточный разогрев – до 1100 °К. Аналогичный результат получен в экспериментах с алюминием, где ударный разогрев достигал 90 % температуры плавления, а суммарная деформация – 60 %. Не было зафиксировано влияние интенсивности ударной нагрузки на откольную прочность и в опытах с мягкой сталью, где, как известно, происходит обратимое полиморфное превращение при давлении 13 ГПа.

Результаты экспериментального определения откольной прочности стали, приведенные в [2.22] (см. табл. 2.9), показывают следующее:

1. Стали в пластичном состоянии, по-видимому, после отжига, в том числе армко-железо, ст.3 и сталь 45 со структурой, включающей феррит и перлит, и с пределом прочности до _в = 600 МПа, имеют низкую откольную прочность в интервале _отк = 1,6 ... 2,2 ГПа.

2. Нержавеющая сталь типа 12Х18Н10Т со структурой аустенита и с пределом прочности до _в = 600 МПа имеет откольную прочность _отк = 1,8 ... 2,3 ГПа.

3. Конструкционные стали в термообработанном состоянии на твердость НRС 40 … 50 (предел прочности _в = 1200 … 1800 МПа) со структурой сорбита, троостита или отпущенного мартенсита имеют высокую откольную прочность _в = 4000 … 5000 МПа.

4. С увеличением толщины образовавшегося откола значение откольной прочности снижается, по-видимому, из-за потери энергии удара на деформацию в зоне откола и разгон откольных осколков.