Прочностные свойства полых титановых сфер в условиях динамического нагружения

А.И. Ивашкин, С.В. Комаров

В мире научных открытий №1.1(25), 2012

PDF версия

В настоящее время в качестве компонентов систем защиты от внешних механических воздействий используются различные материалы. Широкое применение в указанной области имеет древесина различных пород и металлы, кроме того, в литературе есть данные об исследовании полых сфер, изготовленных из композитного материала Nomex Aramid fiber/phenolic resin honey-comb компанией ATECA [1]. Указанные полые сферы способны выдерживать давление 0,35 МПа, однако в ряде задач при проектирования новых изделий этого недостаточно, например, при разработке динамической защиты для транспортных контейнеров массой порядка 10000 кг.
В данной статье приведены результаты исследования прочностных свойств полых сфер, изготовленных из титанового сплава ОТ4 ГОСТ 19807-91 [2], в зависимости от скорости осадки, ориентации сварного соединения относительно направления приложения внешней нагрузки, а также анализ изменения геометрических параметров сфер при изготовлении. Для достижения цели исследования решаются следующие задачи:
- определение геометрических параметров сфер и их заготовок;
- определение степени ослабления металла в зоне сварного соединения;
- определение прочностных характеристик полых сфер в условиях динамического нагружения;
- определение влияния ориентации сварного соединения на прочностные свойства полых сфер.

Объектом исследования являлись 15 полых титановых сфер с номинальным диаметром 72 мм и толщиной стенки 5 мм. Выборка объектов исследования выполнялась случайным образом из 150 сфер, изготовленных из металла одной партии. Сфера изготовлена из двух полусфер, полученных методом холодной штамповки из листов титанового сплава ОТ4, и имеет одно неразъемное соединение, выполненное методом сварки в среде защитных газов по контуру прилегания деталей. При реализации технологического цикла возможно изменение размеров заготовок и сфер, поэтому до и после сварки регистрировали следующие параметры:
- диаметр полусферы;
- толщина стенки у свариваемой кромки;
- минимальная толщина стенки;
- диаметр сферы;
- масса сферы.

В результате измерений указанных параметров получено следующее:
- максимальное значение наружного диаметра полусфер составляет 71,6 мм, минимальное 71,2 мм, среднее 71,4 мм;
- максимальное значение толщины стенки у свариваемой кромки составляет 5,1 мм, минимальное 4,9 мм, среднее 5 мм;
- максимальное значение диаметра сферы составляет 71,8 мм, минимальное 71,3 мм, среднее 71,4 мм;
- максимальное значение массы сферы составляет 0,289 кг, минимальное 0,281 кг, среднее 0,285 кг.

Полученные данные свидетельствуют о максимальном разбросе внешних диаметров полусфер 0,4 мм, толщины стенки – 0,2 мм, диаметра сферы – 0,5 мм, массы сферы – 0,008 кг, что составляет соответственно 0,56%, 3,9% и 0,7% и 2,8% от максимальных значений. Указанными отклонениями в условиях поставленных задач можно пренебречь, поскольку допуск листового материала толщиной 5 мм составляет 9,2% (0,46 мм согласно ГОСТ 22178 76 [3]) и значительно превышает полученные отклонения.
Исследование степени ослабления металла в зоне сварного соединения выполняется на испытательной машине Insight-200 (относительная погрешность измерений 1,0%, максимальное разрывное усилие 200 кН) согласно методике, изложенной в ГОСТ 6996 66 [4]. Испытание выполняется на трех плоских образцах тип XII, XIII [4], изготовленных из партии металла для заготовок по-лусфер и с полным соответствием сварного соединения по типу шва, сварочным материалам и толщине листа сварному соединению титановой сферы.
Результаты внешнего осмотра плоских образцов после испытаний показали, что разрушение происходит вне зоны сварного соединения. Зафиксиро-ванные в момент разрушения значения временного сопротивления составляют 81,8; 81,9; 82,2 кгс/мм2, что находится в пределах 70-90 кгс/мм2, установленных ГОСТ 22178-76. Таким образом, ослабление металла в зоне сварного соединения не происходит.
Испытания сфер на прочность проводят на испытательной машине MTS 810 (относительная погрешность показаний 1%, максимальное усилие 500 кН). Динамическое нагружение реализуется усилием рабочего элемента ис-пытательной машины, перемещающегося со скоростью 0,1; 30 и 70 мм/с. Сварное соединение располагается под углом 0, 45 и 90º относительно направления силы сжатия. В процессе испытания контролируется усилие сжатия и деформация исследуемой сферы.
Условия испытаний титановых сфер (скорость перемещения рабочего элемента и ориентация сварного соединения) приведены в таблице 1.
Результаты испытаний при скорости 0,1 мм/с в виде зависимости усилия сжатия от деформации титановых сфер приведены на рис. 1. На графике на-блюдаются две явно выраженных области сопротивления прилагаемой нагруз-ке. Пик первой области образуется при перемещении рабочего элемента испытательной машины на 25-30 мм, что составляет 34,7-41,7% от диаметра сферы. Максимальное значение нагрузки второй область сопротивления реализуется при перемещении 46-48 мм (64-66% от диаметра сферы). Образование второго пика обусловлено возникающим контактом «полюсов» полой сферы при их вдавливании внутрь в процессе перемещения рабочего элемента. После пре-одоления пиковой зоны второй области сопротивления происходит резкий спад усилия сжатия, свидетельствующий о разрушении полой сферы, что зафикси-ровано при внешнем осмотре, и потере ею способности сопротивляться прила-гаемой нагрузке. Аналогичный характер имеет зависимость усилия сжатия от величины деформации сфер при скоростях 30 и 70 мм/с (см. рис. 2 и 3). Максимальное значение усилия сжатия в первой области составило 292,2 кН (сфера №1) при расположении сварного соединения под углом 0º, ми-нимальное – 258,6 кН (сфера №11) при угле 90º. Среднее усилие составило 237,7 кН. Разброс значений усилия сжатия не превышает 11,5%. Принимая во внимание значение допуска на листовой прокат 9,2%, можно сделать вывод о соизмеримости полученных отклонений и незначительности влияния ориента-ции сварного соединения на прочностные свойства сфер.
На рис. 2 и 3 не наблюдается явного пика второй области сопротивления сжатию, поскольку испытательная машина имеет собственную систему безо-пасности и снимает прилагаемое усилие в случае возникновения возможности соударения рабочих элементов. На диаграмме зависимости усилия сжатия от величины деформации сфер №№ 5 и 9 (см. рис. 3) можно увидеть завершение «роста» усилия сжатия, т.е. наблюдается завершение образования второй области сопротивления.
Сопоставляя характер деформации всех образцов, с достаточной уверенностью можно констатировать, что кривые всех образцов имеют пик сопротивления при уровне деформации 45-48 мм (64-66%). При увеличении скорости с 0,1 до 70 мм/с при ориентации сварного соединения под углом 0º наблюдается увеличение максимального значения уси-лия сжатия первой области сопротивления на 18,9 кН (6,1 %), второй области – на 17,5 кН (4,2 %). Аналогичные результаты для первой области наблюдаются и при других ориентациях сварного соединения, а именно, при 45º – 41,9 кН (13,7 %), при 90º – 41,5 кН (13,8 %), что объясняется кинематическим упрочнением материалов. Ориентация сварного соединения незначительно влияет на увеличение сопротивления сжатию с увеличением скорости деформирования.
Осмотр полых сфер после испытаний позволяет сделать заключение о локализации очагов разрушения при различных скоростях деформирования. В первую очередь разрушение металла полой сферы для всех случаев нагружения происходит в зоне, наиболее удаленной от оси сжатия (см. рис. 4). Далее трещины распространяются преимущественно по направлению проката металла (см. рис. 5).
Анализ полученных диаграмм и внешнего вида титановых сфер после испытаний позволяет выделить еще одну закономерность, которая заключается в концентрации напряжений в зоне контакта «полюсов» и последующим разрушением металла сферы в этой зоне. Описанные выше закономерности разрушения с небольшими отклонениями наблюдаются при всех рассмотренных вариациях скорости сжатия и ориентации сварного соединения относительно направления силы сжатия. Стоит отметить более равномерный характер разрушений при скоростях 30 и 70 мм/с по сравнению со скоростью 0,1 мм/с. Это объясняется более резким пе-реходом энергии пластической деформации в тепловую энергию за счет сокра-щения времени теплоотдачи в окружающую среду.

В результате проведенных исследований получено следующее:
- утонение стенки полусферы при изготовлении методом холодной штамповки не превышает 3,9%;
- разрушение плоского сварного образца происходит вне зоны сварного соединения;
- сопротивление полой сферы сжатию незначительно зависит от ориентации сварного соединения;
- первая область сопротивления полой сферы реализуется на уровне нагрузки 260-290 кН при скорости 0,1 мм/с и 275-315 кН при скорости 70 мм/с;
- вторая область, образованная в результате контакта «полюсов», реализуется на уровне нагрузки 360-400 кН при скорости 0,1 мм/с и 405-425 кН при скорости 70 мм/с;
- максимальное сопротивление сферы прилагаемой нагрузке реализуется при относительной деформации 64-66%;
- областью локализации очагов разрушений является зона полой титановой сферы, наиболее удаленная от оси сжатия.

Заключение. Проведены испытания полых титановых сфер, изготовленных методом сварки штампованных полусфер. Измерение размеров сфер в процессе изготовления и испытания плоских образцов сварных швов подтверждают качество изготовления. Влияние ориентации сварного соединения к направлению прилагаемой нагрузки на прочностные свойства сфер незначительно. Полые сферы из титанового сплава ОТ4 рекомендуются к использованию в качестве демпфирующего элемента систем механической защиты.

Библиографический список:
1. Rahme Pierre, Bouvet Christophe, Rivallant Samuel, Fascio Valia, Valem-bois Guy. Mechanical protection for composite structures submitted to low energy impact. In: ECCM14 - 14th European Conference on Composite Materials, 07-10 June 2010, Budapest, Hungary.
2. ГОСТ 19807-91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки.
3. ГОСТ 22178-76. Листы из титана и титановых сплавов. Технические условия.
4. ГОСТ 6996 66. Сварные соединения. Методы определения механиче-ских свойств.