Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №96 (август) 2021
Разделы: Физика, Техника
Размещена 05.08.2021. Последняя правка: 31.08.2021.
Просмотров - 207

ПРОЧНОСТЬ И ОТКОЛЬНОЕ РАЗРУШЕНИЕ МАГНИЯ ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ

Голубев Владимир Константинович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Независимый эксперт; приглашенный ученый

Аннотация:
В работе представлены результаты изучения окольного разрушения образцов магния при ударном нагружении. Образцы толщиной 10 мм нагружались ударом алюминиевых пластин толщиной 4 мм через алюминиевые экраны толщиной 8 и 4 мм. Скорости пластин-ударников изменялись в пределах 150-440 м/с. После нагружения образцы разрезались вдоль продольных диаметральных сечений, эти сечения полировались для наблюдения характера макроскопического разрушения образцов, а затем травились для изучения характера микроскопического повреждения материала. На основании этих наблюдений были получены результаты по степени и характеру откольного разрушения образцов магния при разных скоростях удара. Силовые и временные условия нагружения образцов определялись расчетно с использованием программы Ansys Autodyn. Для всех испытанных образцов были рассчитаны полные истории их ударного нагружения. В результате была определена откольная прочность магния и соответствующая скорость деформации в растягивающем импульсе.


Abstract:
The paper presents the results of studying the spall fracture of magnesium samples under shock loading. Samples 10 mm thick were loaded by impact of 4 mm thick aluminum plates through aluminum screens 8 and 4 mm thick. The velocities of impacting plates varied in the range of 150-440 m/s. After loading, the samples were cut along the longitudinal midsections, these sections were polished to observe the nature of the macroscopic fracture of the samples, and then etched to study the nature of microscopic failure of the material. On the basis of these observations, results were obtained on the degree and nature of spall fracture of magnesium samples at different impact velocities. The force and time conditions of loading the samples were determined by calculation using the Ansys Autodyn program. For all tested specimens, full impact loading histories were calculated. As a result, the spall strength of magnesium and the corresponding strain rate in a tensile pulse were determined.


Ключевые слова:
магний; прочность; ударное нагружение; откольное разрушение; структура материала; характер повреждения

Keywords:
magnesium; strength; shock loading; spall fracture; material structure; damage character


УДК 539.422: 620.172.254

Введение и состояние вопроса

Магний и его сплавы широко используются в конструкциях современной техники. В процессе прочностного расчета либо прогнозирования работоспособности конструкций в экстремальных условиях зачастую необходимо знать не только статические, но и динамические механические свойства этих материалов. В условиях интенсивного ударного, а также взрывного нагружения основным видом разрушения материалов и конструкций является откольное разрушение, обусловленное выходом на свободные поверхности и отражением от них интенсивных ударных импульсов и нестационарных ударных волн. За характеристику прочности в этом случае принимается растягивающее напряжение или отрицательное давление, реализующееся в месте образования такого рода разрушения. Применительно к условиям зарождения в материалах откольных повреждений для этого напряжения или давления используется такой термин, как откольная прочность.

К настоящему времени получен значительный объем информации по определению откольной прочности различных магниевых сплавов. Что касается самого магния, то здесь можно отметить только несколько ранее выпущенных работ. Так, в работе [1] при проведении однотипных опытов по ударному нагружению образцов из магния Мг90 с разными скоростями и с использованием метода металлографического анализа были оценены условия, соответствующие зарождению в материале образца откольных повреждений и полному макроскопическому откольному разрушению образцов. В работе [2] проводились измерения профилей скорости свободной поверхности образцов из магния Мг95 в процессе их слабого взрывного и ударного нагружения, и на основании этих измерений оценивалась откольная прочность магния. Было рассмотрено влияние на откольную прочность интенсивности ударных волн, продолжительности нагружения и исходной температуры образцов. Результаты из этой работы по влиянию скорости деформации при растяжении на откольную прочность магния показаны на рис. 1. Числа, проставленные здесь возле экспериментальных точек по откольной прочности, указывают давления в нагружающих ударных волнах.

 

Рис. 1. Результаты [2] по влиянию скорости деформации при растяжении на откольную прочность магния.

Следует также отметить, что в указанных работах изучались образцы, изготовленные из близких по составу и свойствам сортам технического магния Мг90 и Мг95, однако в работе [2] они изготавливались из исходной отливки, а в работе [1] нарезались от прокатанного прутка. Используемый в работе [1] метод исследования ранее успешно использовался при изучении зарождения откольного разрушения в ряде металлов [3]. Авторами работы [2] проводились также измерения откольной прочности монокристалла магния [4]. Что касается характера откольного разрушения монокристалла, то здесь имеются свои собственные особенности, а вот результаты измерения откольной прочности монокристаллического магния показаны на рис. 2 в сопоставлении с результатами по откольной прочности поликристаллического магния [2] и с результатами по откольной прочности магниевого сплава М2-1 [5]. Согласно справочным данным в качестве основных добавок сплав М2-1содержит 3.8-5.0% алюминия, 0.6-1.5% цинка и 0.2-0.6% марганца.

 

Рис. 2. Результаты [4] по откольной прочности монокристаллического магния в сопоставлении с результатами по откольной прочности поликристаллического магния [2] и с результатами по откольной прочности магниевого сплава М2-1 [5].

Конечно, в существенно большей степени изучалась откольная прочность конкретных, используемых в авиационной и ракетной технике магниевых сплавов. В качестве примера можно привести многоаспектное и многолетнее изучение прочности и разрушения при различных условиях высокоинтенсивного нагружения магниевого сплава AZ31B [6-11].Согласно справочным данным в качестве основных добавок сплав содержит 2.5-3.5 % алюминия, 0.6-1.4 % цинка и 0.2-1.0 % марганца. В первой опубликованной работе [6] были получены результаты по определению откольной прочности сплава на основании измерения профиля скорости свободной поверхности образца в процессе его ударного нагружения. В работе [7] образцы сплава нагружались  ударом тонкой пластины или высокоэнергетическим электронным пучком. Определены пороги откола до температур, близких к точке солидуса. В работе [8] образцы сплава, изготовленные из материала, обработанного с использованием метода равноканальной угловой экструзии, подвергались ударному нагружению, а их откольная прочность определялась на основании результатов измерения профилей скорости свободной поверхности образцов. Результаты выполненного фрактографического изучения поверхностей откольного разрушения сохраненных образцов показали, что зарождение разрушения происходит в основном на присутствующих в материале интерметаллических включениях. В работе [9] измерялась откольная прочность двух наборов образцов, а именно, изготовленных из горячекатаной пластины и обработанных с использованием метода равноканального углового прессования. Она оказалась практически идентичной для двух наборов. В то же время механизмы образования откола оказались различными. В горячекатанных пластинах преобладающим механизмом оказался скол, а в обработанных с использованием метода равноканального углового прессования образцах превалировал вязкий ямочный излом. Эти особенности зарождения откольного разрушения в образцах сплава, находящихся в различных исходных состояниях, показаны на рис. 3.

 

Рис. 3. Фрагменты продольных диаметральных сечений сохраненных после ударного нагружения образцов сплава AZ31B, изготовленных из горячекатаной пластины (сверху) и обработанных с использованием метода равноканального углового прессования (снизу): a, c – низкое увеличение; b, d – высокое увеличение участков внутри рамок [9].

В работе [10] с использованием фрактографического метода рассматривались явления зарождения и развития откольного разрушения в образцах сплава, изготовленных из материала, обработанного с использованием метода равноканальной угловой экструзии. Образцы двух типов изготовлялись с ориентацией нормали, совпадающей или перпендикулярной направлению экструзии. Были отмечены различия в характере начальной стадии разрушения сплава. В работе [11] изучалось откольное разрушение тонких образцов сплава (фольг) толщиной 100 и 175 мкм с разной степенью предварительной механической обработки и соответственно с разной исходной структурой при их нагружении разгоняемыми лазерным моноимпульсом ударниками из фольги толщиной 25-75 мкм. Измерялись скорости свободной поверхности образцов, проводились расчеты процесса нагружения, осуществлялся фрактографический анализ характера откольного разрушения. Результаты по откольной прочности для сплава AZ31B, полученные таким образом, показаны на рис. 4 в сопоставлении с результатами, полученными в обычных опытах при нагружении образцов нормальных размеров ударом пластин.

 

Рис. 4. Результаты [11] по откольной прочности тонких образцов магниевого сплава AZ31B в сопоставлении с результатами по откольной прочности сплава AZ31B [8, 9] и сплава М2-1 [13].

В работе [14] образцы чистого магния изучались в исходном литом состоянии, после двухпроходной кумулятивной экструзии и после последующего отжига. Это изучение проводилось с использованием металлографического метода исследования микроструктуры, с помощью метода определения стандартных механических свойств при комнатной температуре, и наконец, путем электронно-микроскопического фрактографического анализа характера разрушения испытанных в условиях одноосного растяжения образцов.

На рис. 5 показана микроструктура магния после различных процессов обработки. Из рис. 5а видно, что исходная литая заготовка характеризуется неоднородными и крупными зернами с размерами в диапазоне от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Микроструктура экструдированного прутка после первого прохода (5b) значительно уменьшается и характеризуется относительно однородным зерном со средним размером около 35 мкм. Микроструктура экструдированного прутка после второго прохода (5с) является микроструктурой деформированного состояния. Для улучшения микроструктуры и механических характеристик экструдированного прутка он был отожжен при 250 °C в течение 20 мин. Микроструктура после отжига показана на рис. 5d, а средний размер зерна составил здесь 9-10 мкм.

 

Рис. 5. Микроструктура магния после различных процессов обработки: a – литая заготовка; b – экструдированный пруток после первого прохода; c - экструдированный пруток после второго прохода; d – пруток после отжига.

На рис. 6 показаны диаграммы одноосного растяжения образцов из магния в различных исходных состояниях. Из этих диаграмм для каждого исходного состояния могут быть определены предел текучести (YS), предел прочности при растяжении (UNS) и равномерное удлинение при разрыве (UE). Для приведенных на рис. 6 a, b, c, d состояний эти значения составляют соответственно 24 МПа, 86 МПа и 4,8%; 84 МПа, 189 МПа и 12%; 123 МПа, 162 МПа и 7%; 124 МПа, 199 МПа и 10,7%.

 

Рис. 6. Диаграммы одноосного растяжения образцов магния после различных процессов обработки: a – литая заготовка; b – экструдированный пруток после первого прохода; c - экструдированный пруток после второго прохода; d – пруток после отжига.

На рис. 7 показаны результаты фрактографического изучения морфологии поверхностей разрушения образцов магния при одноосном растяжении после различных процессов их обработки. Из рис. 7а видно, что поверхность излома при растяжении материала литой заготовки характеризуется типичным речным рисунком хрупкого излома, что указывает на его чрезвычайно низкую пластичность при комнатной температуре. Горячая экструзия магния при первом проходе приводит к тому, что на поверхности излома образовалось большое количество ямок (7b). Это указывает на тот факт, что пластичность магния в таком состоянии стала значительно лучше, и характер разрушения изменился от хрупкого к вязкому. Однако, как показано на рис. 7c, после дополнительной экструзии при втором более холодном проходе смешанная морфология мелких ямок и разрывных гребней четко наблюдается на поверхности излома, а глубина ямок становится меньше, чем в образце, испытанном после первого прохода. После дополнительного отжига излом снова становится полностью вязким (7d) и характеризуется большим количеством глубоких ямок.

 

Рис. 7. Морфология разрушения магния при одноосном растяжении [14],  после различных процессов обработки образцов: a – литая заготовка; b – экструдированный пруток после первого прохода; c - экструдированный пруток после второго прохода; d – пруток после отжига.

В работе [15] образцы чистого магния также изучались в исходном литом состоянии и после проведения горячей экструзии. Это изучение также проводилось с использованием металлографического метода исследования микроструктуры, с помощью метода определения стандартных механических свойств при комнатной температуре и путем электронно-микроскопического фрактографического анализа характера разрушения испытанных в условиях одноосного растяжения образцов. Полученные результаты в значительной степени подобны результатам работы [15], хотя и имею некоторые свои особенности. На рис. 8 показаны результаты фрактографического изучения морфологии поверхностей разрушения образцов магния из литой заготовки (a, b) и из прутка, полученного при горячем экструдировании (c, d). Излом исходного материала характеризуется речным узором со ступеньками скола, то есть имеет чисто хрупкий характер. Излом же экструдированного материала имеет смешанный характер. Речной узор заменяется здесь прерывистыми короткими ступенями с небольшими и неглубокими ямками.

 

Рис. 8. Морфология разрушения магния при одноосном растяжении [15] образцов из литой заготовки (a, b) и из прутка, полученного путем горячего экструдировании (c, d).

Таким образом, результаты нескольких рассмотренных работ позволяют составить определенное первоначальное предствление об откольном и статическом разрушении магния и его некоторых сплавов. В указанной работе [1] результаты по откольному разрушению магния приводились очень кратко, его условия нагружения и откольная прочность определялись только с использованием простых оценок в акустическом приближении. В последующем, после выхода этого краткого сообщения, были получены дополнительные результаты по условиям испытаний и характеру разрушения магния. В настоящее время выполнены полные численные расчеты условий ударного нагружения всех испытанных образцов. Это позволяет получить гораздо более точные и достоверные данные об откольной прочности и характере откольного разрушения магния при использованном в работе [1] методе ударного нагружения. 

Полученные результаты и обсуждение

Образцы из магния толщиной 10 мм и диаметром 40 мм нарезали от прокатанного прутка магния Мг90 в состоянии поставки. Справочные механические свойства магния приведены в табл. 1. Они взяты в марочнике металлов [16], а также приводятся и в других справочниках такого рода. Кроме этих свойств в марочнике указана плотность магния Мг90 при 20 °С, равная 1.74 г/см3, и максимально возможное содержание основных примесей: железо – до 0.04%, марганец – до 0.03%, алюминий – до 0.02%.

Табл.1. Механические свойства магния Мг90

 

Перед испытаниями образцы крепили х алюминиевым экранам диаметром 80 мм c толщиной слоя алюминия hl = 4и 8 мм. Ударное нагружение образцов осуществляли ударом по экрану пластины из алюминиевого сплава АМц толщиной 4 мм и поперечными размерами 110×150 мм. До необходимой скорости удара vi пластина разгонялась помощью скользящей детонации тонкого слоя пластического взрывчатого вещества. Для предотвращения откольного повреждения пластины между пластиной и слоем взрывчатого вещества располагался слой технического сукна. Фронт детонации в заряде взрывчатого вещества создавался при его одновременном инициировании вдоль одной из сторон размером 110 мм с помощью линейного распределителя.

Степень разрушения образцов определяли визуально при наблюдении полированных диаметральных продольных сечений образцов, а характер откольного повреждения материала определяли с использованием метода металлографического структурного анализа шлифов этих сечений после травления. Результаты проведенных опытов приведены в табл. 2. Там же указаны полученные в выполненных расчетах значения максимальных растягивающих (минимальных отрицательных) давлений Pt в зонах реализуемого в образцах растяжения.

Экспериментальные образцы изготовлялись из пруткового материала, то есть направление ударного нагружения образцов совпадало с направлением технологической прокатки. Предварительной термообработки прутка после прокатки и образцов после их отрезания от прутка не проводилось.

Табл. 2. Результаты проведенных опытов

 

Внешние виды продольных диаметральных сечений образцов, на которых визуально, без использования метода металлографического анализа, можно наблюдать откольное разрушение материала, показаны на рис. 9–11.

 

Рис. 9. Продольное диаметральное сечение образца № 1 при разных условиях освещения.

Через сечение образца № 1 проходит широкая магистральная откольная трещина. Ее расстояние от тыльной поверхности образца или, по-иному, толщина откольного слоя hs, находится примерно в пределах 3.3–3.9 мм. Небольшие фрагменты откольного разрушения можно также наблюдать и на бóльших расстояниях от тыльной поверхности. В образце № 2 скопления небольших фрагментов откольного разрушения проявляются в довольно широкой зоне расстояний от тыльной поверхности, а в образце№ 3 – в основном на расстояниях около 3.3-3.9 мм.

 

Рис. 10. Продольное диаметральное сечение образца № 2.

 

Рис. 11. Продольное диаметральное сечение образца № 3.

Расчеты полных историй ударного нагружения образцов и силовых и временных условий их откольного разрушения проводились с использованием программы Ansys Autodyn [17]. Для расчетов использовались уравнения состояния металлов, приведенные в базе данных используемой программы. Для обоих металлов использовались уравнения состояния в форме Shock, а связанные с уравнением состояния модели прочности несколько различались. Для алюминия использовалась модель прочности von Mises, а для магния – модель Steinberg Guinan. Коэффициенты уравнений состояния и моделей прочности материалов приведены в табл. 3, соответственно в первых четырех и оставшихся трех столбцах. Для модели прочности Steinberg Guinan из ее 9 коэффициентов приведены только 3 основные. Для приведенных в табл. 3 коэффициентов использованы следующие обозначения: ρ0 – плотность, γ – параметр Грюнайзена, c0, λ  коэффициенты линейного D-u– соотношения между массовой и волновой скоростями, G – модуль сдвига, Y  - предел текучести,  Ym – максимальный предел текучести.

 Табл. 3. Коэффициенты уравнений состояния и моделей прочности для магния и алюминия

Результаты всех проведенных расчетов показаны на рис. 12-23. Для каждого из образцов показаны как полная история ударного нагружения образца, включающая фазы его ударного сжатия и последующего растяжения, так и более разборчиво история растяжения, непосредственно определяющая условия откольного разрушения образца. Результаты расчетов, выполненных для образцов, которые нагружались через экран толщиной 8 мм, показаны на рис. 12-19. Здесь 7 датчиков фиксировались в образце на координатах x = 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5, 7.0 и 7.5 мм. Получаемые диаграммы давления на этих лагранжевых координатах отображались следующими цветами: синий, коричневый, зеленый, фиолетовый, голубой, оранжевый и снова синий.

 

Рис. 12. История ударного нагружения образца № 6.

На рис. 12 показана история ударного нагружения образца № 6, нагружаемого через экран толщиной 8 мм ударом пластины со скоростью 154 м/с. Взяв в качестве опорного датчик № 5, расположенный на координате x = 6.5 мм, получаем максимальное сжимающее давление в импульсе сжатия Pc = 0.706 ГПа на момент времени t = 3.26 мкс и максимальное растягивающее давление Pt = 0.533 ГПа на момент времени t = 4.59 мкс. Для скорости деформации материала в растягивающем импульсе получаем значение έ = 3.5·104 с-1. Более разборчиво история растяжения образца № 6 показана на рис. 13. Здесь отсутствуют результаты записей с датчиков № 1 и 2, как не отражающие особенностей разрушающих растягивающих давлений. Приведенное значение растягивающего давления 0.53 ГПа характеризует здесь условия нагружения, при которых еще не наблюдается зарождения откольного повреждения в материале образца.

 

Рис. 13. История растягивающего давления в образце № 6.

 

Рис. 14. История ударного нагружения образца № 5.

На рис. 14 показана история ударного нагружения образца № 5, нагружаемого через экран толщиной 8 мм ударом пластины со скоростью 175 м/с. Взяв в качестве опорного датчик № 5, расположенный на координате x = 6.5 мм, получаем максимальное сжимающее давление в импульсе сжатия Pc = 0.809 ГПа на момент времени t = 3.26 мкс и максимальное растягивающее давление Pt = 0.605 ГПа на момент времени t = 4.61 мкс. Более разборчиво история растяжения образца № 5 показана на рис. 15. Здесь отсутствуют результаты записей с датчиков № 1 и 2, как не отражающие особенностей разрушающих растягивающих давлений. Приведенное значение растягивающего давления 0.60 ГПа характеризует здесь условия нагружения, при которых  наблюдается зарождения и небольшое развитие откольного микроповреждения образца.

 

Рис. 15. История растягивающего давления в образце № 5.

 

Рис. 16. История ударного нагружения образца № 4.

На рис. 16 показана история ударного нагружения образца № 4, нагружаемого через экран толщиной 8 мм ударом пластины со скоростью 211 м/с. Взяв в качестве опорного датчик № 5, расположенный на координате x = 6.5 мм, получаем максимальное сжимающее давление в импульсе сжатия Pc = 0.982 ГПа на момент времени t = 3.31 мкс и максимальное растягивающее давление Pt = 0.734 ГПа на момент времени t = 4.62 мкс. Более разборчиво история растяжения образца № 4 показана на рис. 17. Здесь отсутствуют результаты записей с датчиков № 1 и 2, как не отражающие особенностей разрушающих растягивающих давлений. Приведенное значение растягивающего давления 0.73 ГПа характеризует здесь условия нагружения, при которых  наблюдается интенсивное развитие откольного микроповреждения образца.

  

Рис. 17. История растягивающего давления в образце № 4.

 

Рис. 18. История ударного нагружения образца №3.

На рис. 18 показана история ударного нагружения образца № 3, нагружаемого через экран толщиной 8 мм ударом пластины со скоростью 247 м/с. Взяв в качестве опорного датчик № 5, расположенный на координате x = 6.5 мм, получаем максимальное сжимающее давление в импульсе сжатия Pc = 1.165 ГПа на момент времени t = 3.33 мкс и максимальное растягивающее давление Pt = 0.876 ГПа на момент времени t = 4.65 мкс. Для скорости деформации материала в растягивающем импульсе получаем значение έ = 6.1·104 с-1. Более разборчиво история растяжения образца № 3 показана на рис. 19. Здесь отсутствуют результаты записей с датчиков № 1 и 2, как не отражающие особенностей разрушающих растягивающих давлений. Приведенное значение растягивающего давления 0.88 ГПа характеризует здесь условия нагружения, при которых  наблюдается интенсивное откольное повреждение материала и частичное слабое макроскопическое разрушение образца.

 

Рис. 19. История растягивающего давления в образце № 3.

Результаты расчетов, выполненных для образцов, которые нагружались через экран толщиной 4 мм, показаны на рис. 20-23. Здесь 9 датчиков фиксировались в образце на координатах x = 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5 и 7.0 мм. Получаемые диаграммы давления на этих лагранжевых координатах отображались следующими цветами: синий, коричневый, зеленый, фиолетовый, голубой, оранжевый и снова синий, коричневый, зеленый.

 

Рис. 20. История ударного нагружения образца № 2.

На рис. 20 показана история ударного нагружения образца № 2, нагружаемого через экран толщиной 4 мм ударом пластины со скоростью 308 м/с. Взяв в качестве опорного датчик № 8, расположенный на координате x = 6.5 мм, получаем максимальное сжимающее давление в импульсе сжатия Pc = 1.502 ГПа на момент времени t = 2.57 мкс и максимальное растягивающее давление Pt = 0.796 ГПа на момент времени t = 4.07 мкс. Взяв в качестве опорного датчик № 2, расположенный на координате x = 3.5 мм, получаем максимальное сжимающее давление в импульсе сжатия Pc = 1.504 ГПа на момент времени t = 2.18 мкс и максимальное растягивающее давление Pt = 1.028 ГПа на момент времени t = 4.61 мкс. Более разборчиво история растяжения образца № 2 показана на рис. 21. Приведенные значения растягивающего давления 0.80 и 1.03 ГПа характеризует здесь условия нагружения, при которых наблюдается интенсивное откольное повреждение материала и частичное макроскопическое разрушение образца.

 

Рис. 21. История растягивающего давления в образце № 2.

 

Рис. 22. История ударного нагружения образца № 1.

На рис. 22 показана история ударного нагружения образца № 1, нагружаемого через экран толщиной 4 мм ударом пластины со скоростью 439 м/с. Взяв в качестве опорного датчик № 8, расположенный на координате x = 6.5 мм, получаем максимальное сжимающее давление в импульсе сжатия Pc = 2.200 ГПа на момент времени t = 2.38 мкс и максимальное растягивающее давление Pt = 1.239 ГПа на момент времени t = 4.00 мкс. Взяв в качестве опорного датчик № 2, расположенный на координате x = 3.5 мм, получаем максимальное сжимающее давление в импульсе сжатия Pc = 2.205 ГПа на момент времени t = 1.91 мкс и максимальное растягивающее давление Pt = 1.575 ГПа на момент времени t = 4.61 мкс. Более разборчиво история растяжения образца № 1 показана на рис. 23. Приведенные значения растягивающего давления 1.24 и 1.58 ГПа характеризуют здесь условия нагружения, при которых наблюдается полное макроскопическое откольное разрушение образца.

 

Рис. 23. История растягивающего давления в образце № 1.

Определить степень макроскопического откольного разрушения при визуальном рассмотрении возможно только для образцов № 1-3, которые подвергались довольно интенсивному ударному нагружению. Степень и характер откольного повреждения материалов остальных образцов можно определить только с использованием метода металлографического структурного анализа шлифов диаметральных продольных сечений образцов после травления. Большое число результатов такого рода металлографического анализа показано на рис. 24-36. На приведенных структурных изображениях показаны разнообразные типы откольного повреждения, различающиеся по его степени и характеру. Интенсивное откольное повреждение характеризуется ростом и слиянием отдельных изолированных микроповреждений в трещины и полости и последующим слиянием этих трещин и полостей с образованием зон повреждения. Этот тип откольного повреждения магния можно наблюдать в образцах № 1-3 и частично 4. Промежуточное откольное повреждение характеризуется ростом и слиянием отдельных изолированных микроповреждений в трещины и полости без их последующего слияния с образованием зон повреждения. Этот тип откольного повреждения можно в основном наблюдать в образце № 4. Слабое откольное повреждение характеризуется образованием отдельных изолированных микроповреждений или их небольших скоплений в зоне откола. Этот тип откольного повреждения можно в основном наблюдать в образце № 5. Образованные в материале откольные повреждений могут иметь хрупкий характер и представлять собой трещины. Откольные повреждения вязкого характера представляют собой поры или небольшие полости.

Поскольку образцы магния нарезали от прокатанного прутка магния в состоянии поставки их структура представляет собой вытянутые в направлении прокатки полосы мелких зерен размером примерно от 10 до 20 мкм, перемежающиеся отдельными полосами несколько более крупнозеренного материала. Для определенности условно примем, что горизонтальное направление на последующих рисунках соответствует горизонтальной оси x. Тогда указание оси образца будет характеризовать расположение рассматриваемой структуры на изображении. Ширина рассматриваемой структуры на изображении обозначается как x0.

 

Рис. 24. Интенсивное откольное повреждение смешанного характера: ось образца – y, ширина изображения x0 = 550 мкм.

Интенсивное откольное повреждение магния можно наблюдать на рис. 24-29. Откольное повреждение смешанного характера показано на рис. 24, 25. Оно характеризуется как наличием вязких пор и полостей, так и наличием хрупких трещин. Характер откольного повреждения на последующих рис. 26-29 является полностью вязким.  

 

Рис. 25. Интенсивное откольное повреждение смешанного характера: ось образца – y, ширина изображения x0 = 575 мкм.

 

Рис. 26. Интенсивное откольное повреждение вязкого характера: ось образца – x, ширина изображения x0 = 580 мкм.

 

Рис. 27. Интенсивное откольное повреждение вязкого характера: ось образца – y, ширина изображения x0 = 540 мкм.

 

Рис. 28. Интенсивное откольное повреждение вязкого характера: ось образца – y, ширина изображения x0 = 555 мкм.

  

Рис. 29. Интенсивное откольное повреждение вязкого характера: ось образца – y, ширина изображения x0 = 565 мкм.

 

Рис. 30. Промежуточное откольное повреждение вязкого характера: ось образца – y, ширина изображения x0 = 570 мкм.

Промежуточное откольное повреждение магния можно наблюдать на рис. 30, 31. На рис. 30 это повреждение имеет вязкий характер, а на рис. 31 – преимущественно хрупкий характер.

 

Рис. 31. Промежуточное откольное повреждение преимущественно хрупкого характера: ось образца – x, ширина изображения x0 = 580 мкм.

 

Рис. 32. Слабое откольное повреждение вязкого характера: ось образца – x, ширина изображения x0 = 560 мкм.

Слабое откольное повреждение магния можно наблюдать на рис. 32-36. Его образование в полосах мелких зерен носит исключительно вязкий характер, а в полосе несколько более крупных зерен (рис. 35) характер повреждения становится неявным.

  

Рис. 33. Слабое откольное повреждение вязкого характера: ось образца – y, ширина изображения x0 = 575 мкм.

 

Рис. 34. Слабое откольное повреждение вязкого характера: ось образца – x, ширина изображения x0 = 550 мкм.

 

Рис. 35. Слабое откольное повреждение неявного характера: ось образца – x, ширина изображения x0 = 565 мкм.

 

Рис. 36. Слабое откольное повреждение вязкого характера: ось образца – y, ширина изображения x0 = 565 мкм.

За значение откольной прочности магния в данной работе  можно принять значение максимального растягивающего давления 0.6 ГПа, при котором в зоне растяжения образца № 6 начали образовываться отдельные микроповреждения. Этому значению откольной прочности можно соотнести полученную в расчете скорость деформации, среднее значение которой при рассмотрении образцов № 6 и 3 составляет около 5·104 с-1. Стоит также отметить, что при последующем повышении интенсивности растяжения, обусловленном увеличением скорости удара, начинает происходить релаксация растягивающего давления в зоне откола. В этом случае расчеты, выполненные в предположении сохранения целостности материала, уже не отражают реального напряженно-деформированного состояния материала, а дают только сопоставительную картину влияния интенсивности ударного нагружения образца на интенсивность растяжения материала в зоне откола. Для учета влияния поврежденности материала на его напряженно-деформированное состояние разработан ряд кинетических моделей откольного разрушения [18]. Эти и другие модели успешно применяются некоторыми исследователями для моделирования процесса откольного разрушения материалов и в частности для описания скорости свободной поверхности образца в процессе откола [19]. Однако в используемой в работе расчетной программе Ansys Autodyn [17] такого рода модели не задействованы.

Полученные в работе результаты по определению откольной прочности магния можно сопоставить с результатами, полученными в работе [2] и показанными на рис. 1. Для скорости деформации έ = 5·104 с-1 откольная прочность там составляет около 0.8 ГПа. Некоторое различие с полученным в данной работе значением 0.6 ГПа может быть обусловлено двумя явными различиями в исходных предпосылках. В работе [2] образцы изготавливались из исходной отливки магния, характеризующейся крупнозернистой структурой, тогда как в данной работе образцы изготавливались из прокатанного прутка. В результате проведенной прокатки структура магния существенно изменилась и стала мелкозернистой. Как показывают результаты работ по определению прочности и изучению характера разрушения магния в условиях одноосного растяжения [14, 15], получаемые результаты по прочности магния и его характеру разрушения существенным образом различаются для исходного литого крупнозернистого состояния и мелкозернистого состояния, полученного в результате экструзии материала.

Определение откольной прочности в работе [2] осуществлялось по регистрации скорости свободной поверхности, то есть косвенным методом, тогда как в данной работе получение откольной прочности осуществлено прямым методом, непосредственно по факту зарождения в материале образца откольных микроповреждений.

Что касается наблюдаемого в работе характера откольного повреждения магния, то он носит преимущественно вязкий характер, что обусловлено в основном мелкозернистой структурой, образованной в результате прокатки прутка. Наряду с этим наблюдаются и элементы хрупкого разрушения в виде трещин, что может быть в какой-то мере связано с неоднородностью структуры материала.

Заключение

В работе получены результаты по определению откольной прочности магния, имеющего мелкозернистую структуру, которая была получена в результате прокатки прутка материала.  Полученному значению откольной прочности, равному 0.6 ГПа соответствует скорость деформации материала в растягивающем импульсе, равная 5·104 с-1. Полученные результаты по характеру откольного повреждения магния указывают на его смешанную природу, преимущественно вязкую и в меньшей степени хрупкую. В целом полученные результаты достаточно хорошо сопоставимы с результатами по разрушению магния и его нескольких низколегированных сплавов в условиях ударного и статического нагружения и значительным образом дополняют картину имеющихся данных по динамической прочности магния и по характеру его разрушения в условиях ударного нагружения.

Библиографический список:

1. Голубев В.К., Соболев Ю.С., Юкина Н.А. О разрушении магния и магниево-литиевого сплава ВМД5 при ударном нагружении // Пробл. прочности. – 1990. – № 9. – С. 30-32.
2. Kanel G.I., Razorenov S.V., Bogatch A., Utkin A.V., Fortov V.E., Grady D.E. Spall fracture properties of aluminum and magnesium at high temperatures // J. Appl. Phys. – 1996. – Vol. 79, No. 11. – P. 8310-8317.
3. Голубев В.К., Новиков С.А., Соболев Ю.С., Юкина Н.А. О критических условиях зарождения микроповреждений в металлах при отколе // ПМТФ. – 1983. – Т. 24, № 4. – С. 151-158.
4. Kanel G.I., Garkushin G.V., Savinykh A.S., Razorenov S.V., Resseguier T., Proud W.G., Tyutin M.R. Shock response of magnesium single crystals at normal and elevated temperatures // J. Appl. Phys. – 2014. – Vol. 116, Iss. 14. – P. 143504(9).
5. Гаркушин Г.В., Канель Г.И., Разоренов С.В. Высокоскоростная деформация и разрушение магниевого сплава Мa2-1 в условиях ударно-волнового нагружения. – ФТТ. – 2012. – Т. 54, вып. 5. – С. 1012-1018.
6. Маккуин Р., Марш С., Тейлор Дж., Фритц Дж, Картер У. Уравнение состояния твердых тел по результатам исследований ударных волн // Высокоскоростные ударные явления / Ред. Р. Кинслоу. – М.: Мир, 1973. – С. 299-427.
7. Schmidt R.M., Davies F., Lempriere B., Holsapple K. Temperature dependent spall threshold of four metal alloys // J. Phys. Chem. Solids. – 1978. – Vol. 39, No. 4. – P. 375–385.
8. Farbaniec L., Williams C.L., Kecskes L., Ramesh K.T., Becker R. Microstructural effects on the spall properties of ECAE-processed AZ31B magnesium alloy // Int. J. Impact Eng. – 2016. – Vol. 98. – P. 34-41.
9. Yu X., Li T., Li L., Liu S., Li Y. Influence of initial texture on the shock property and spall behavior of magnesium alloy AZ31B // Mater. Sci. Engin. A. – 2017. – Vol. 700. – P. 259–268.
10. Krywopusk N.M., Williams C.L., Kecskes L.J., Weihs T.P. Characterization of spalled AZ31B processed by ECAE // Mater. Sci. Eng. A. – 2019. – Vol. 767. – P. 138298(10).
11. Mallick D.D., Zhao M., Parker J., Kannan V., Bosworth B.T., Sagapuram D., Foster M.A., Ramesh K.T. Laser-driven flyers and nanosecond-resolved velocimetry for spall studies in thin metal foils // Exp. Mech. 2019. – Vol. 59, Iss. 5. – P. 611-628.
12. Канель Г.И., Разоренов С.В., Фортов В.Е. Откольная прочность металлов в широком диапазоне длительностей нагрузки // Докл. АН СССР. – 1984. – 275, № 2. – С. 369-371.
13. Гаркушин Г.В., Разоренов С.В., Красновейкин В.А., Козулин А.А., Скрипняк В.А. Влияние структурных факторов на механические характеристики магниевого сплава Ma2-1 при квазистатическом и высокоскоростном деформировании. ФТТ. – 2015. – Т. 57, вып. 2. – С. 321-327.
14. Sun H., Li C., Xie Y., Fang W. Microstructures and mechanical properties of pure magnesium bars by high ratio extrusion and its subsequent annealing treatment // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2012. – Vol. 22, Sup. 2. – P. s445-s449.
15. Lei W., Zhu D., Wang H., Liang W. Microstructure and mechanical properties of pure magnesium subjected to hot extrusion // J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. – 2019. – Vol. 34, Iss. 5. – P. 1193-1196.
16. Марочник металлов: Магний Мг90. – Интернет-ресурс. URL: https://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/mag/Mg90 (дата обращения: 02.06.2021).
17. Ansys Autodyn User's Manual. Release 15.0. – Canonsburg, PA: ANSYS, Inc., 2013. – 492 p.
18. Канель Г.И., Сугак С.Г., Фортов В.Е. О моделях откольноrо разрушения. – Проблемы прочности. – 1983. – № 8. – Стр. 40-44.
19. Antoun T., Seaman L., Curran D.R., Kanel G.I., Razorenov S.V., Utkin A.V. Spall Fracture. – N. Y.: Springer, 2003. – 404 p.




Рецензии:

6.08.2021, 7:48 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: В работе Голубева Владимира Константиновича подробно представлены результаты изучения окольного разрушения образцов магния Мг90 при ударном нагружении. Приведены результаты проведенных опытов с предоставлением рисунков со ссылками на литературные источники и фотоснимки результатов опытов с 6 образцами магния Мг90 полученные автором. Приведены результаты расчетов полных историй ударного нагружения образцов и силовых и временных условий их откольного разрушения. Результаты опытов представлены в полном объеме, которые дополняют имеющиеся данные по динамической прочности магния и откольного разрушения образцов магния. Статью рекомендую к публикации в журнале SCI-ARTICLE.RU.

6.08.2021, 18:01 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Такой комплексный обзорно-оригинальный труд, сопровождённый богатыми иллюстрациями, вносит безусловный вклад в отрасль проблематики прочности металлов и их откольного разрушения вообще, а не только для модификаций Mg. По мнению рецензента, ссылки на работы [12], а также [10, 11] и отчасти [9] и [17], а также целый комплекс элементов новизны придают работе весьма серьёзный научный статус. Рецензент считает возможным без замечаний рекомендовать данную работу уважаемого коллеги Владимира Константиновича к публикации, заведомо согласный с замечаниями других рецензентов, если таковые найдутся.



Комментарии пользователей:

7.08.2021, 19:04 Голубев Владимир Константинович
Отзыв: Одним махом благодарю обоих уважаемых коллег-рецензентов за интерес к работе и положительные отзывы. Поскольку вопросы и замечания отсутствуют, то на этом заканчиваю.


Оставить комментарий


 
 

Вверх