|
Оглавление
Предисловие редактора перевода
Монография известного физика П. Бриджмена, издаваемая в русском переводе, посвящена в основном вопросу о влиянии высоких давлений на механические свойства металлов и сплавов, а также некоторых других материалов. П. Бриджмен является специалистом в области физики высоких давлений. Ему принадлежат многочисленные исследования сжимаемости металлов и ряда других веществ, влияния высоких давлений на электропроводность, вязкость, полиморфные превращения и др. Советскому читателю известны две монографии П. Бриджмена: "Физика высоких давлений" и "Новейшие работы в области высоких давлений", изданные на русском языке. Во время войны и в послевоенные годы им был выполнен ряд исследований в области изучения механических свойств металлов и сплавов, главным образом стали различных марок, под гидростатическим давлением до 30 000 кг/см2. В частности, автором были тщательно изучены стали, применяемые при изготовлении броневых плит. Эти исследования оказались весьма плодотворными. Многие из результатов настолько неожиданны (например, резкое возрастание пластичности при высоком давлении), что для полного их объяснения потребуется глубокое теоретическое исследование. Во введении к настоящей книге автор указывает, что исследования, составившие основу его монографии, возникли из изучения двух проблем, имевших как будто мало общего между собой. Первая проблема – это проектирование и изготовление установок высокого давления, рассчитанных на работу при давлении до 100 000 кг/см2. Эта проблема требует изучения поведения сосудов высокого давления и их деталей под действием максимальных допустимых нагрузок, в частности, гидростатического давления и напряжений сжатия в поршнях. Вторая проблема, поставленная артиллеристами во время войны, – пробивание стальной брони снарядами. Для решения обеих этих проблем необходимо исследовать большие пластические деформации. Этот вопрос и является предметом данной монографии. Из списка работ автора, приведенного в монографии, видно, что только часть выполненных им исследований была опубликована в печати; многие результаты публикуются в настоящей книге впервые. Характерным для исследований П. Бриджмена является стремление прежде всего провести широкую разведку в новой области, не углубляясь при этом в детали открываемых явлений. При этом там, где это возможно, автор пытается сделать обобщения, провести параллель между поведением вещества при обычных условиях и под высоким гидростатическим давлением, а также развивает теоретические представления о полученных эффектах. Так например, после описания исследований на растяжение, проведенных на 47 различных образцах при давлениях от атмосферного до 30 000 кг/см2, Бриджмен делает попытку определить применимость различных критериев разрыва в расширенной области деформаций. В опытах автора максимальное достигнутое истинное напряжение было равно 42 000 кг/см2, а истинная деформация – 5,0. Такое большое значение деформации означает необычайное расширение области упрочнения при растяжении. Чем выше давление, при котором проводится испытание, тем больше угловой коэффициент линии упрочнения. Деформация в момент разрыва также линейно возрастает с давлением. Кроме того, с ростом давления меняется характер разрыва. При атмосферном давлении в центре разрыва видна площадка, возникшая при отрыве волокон, а вокруг этой площадки имеется ободок, появившийся в результате среза. Чем выше давление, тем меньшую часть площади разрыва занимает центральная площадка. При, давлениях выше 15 000 кг/см2 для мягких сталей и 25 000 кг/см2 для самых твердых разрыв происходит только путем среза. Весьма важными для наших представлений о природе хрупкости материалов являются опыты, описанные в гл.4 "Растяжение под давлением образцов из других материалов, помимо стали". Автор, разработав специальную методику испытания на растяжение хрупких материалов, показал в своих экспериментах, что при давлениях выше 25 000 кг/см2 такие типичные хрупкие материалы, как бериллий, и даже минералы (типографский камень-известняк из Золенгофена) приобретают заметную пластичность. Предел прочности также сильно возрастает. Карболой (сверхтвердый сплав на основе карбидов вольфрама) при давлении 26 000 кг/см2 обнаружил прочность на разрыв 56 000 кг/см2, что в 2–3 раза выше, чем наибольшее значение, когда-либо наблюдавшееся для различных разновидностей этого сплава. Большое значение имеют также дальнейшие опыты, в которых изучалась прочность хрупких материалов на сжатие (гл.5). Интересно, что карболой при испытаниях на сжатие выдерживал напряжение сжатия до 140 000 кг/см2 при внешнем гидростатическом давлении 28 000 кг/см2. При этом карболой приобретает значительную пластичность: в описанных условиях наблюдалось сжатие до 10%. Были проведены также испытания синтетиче- ского сапфира, алмаза, кварца и других материалов. В конце книги (гл.24) автор развивает свои воззрения на природу хрупкого разрушения. При этом он исходит из основного положения, что разрушение возможно только тогда, когда оно сопровождается выделением энергии. На основе этого положения он объясняет тот экспериментально найденный факт, что при растяжении под давлением хрупкие материалы разрушаются под действием гораздо меньшего напряжения, чем при сжатии под давлением. Резкое возрастание пластичности материала, находящегося под высоким гидростатическим давлением, наблюдалось также в опытах автора по продавливанию стальным закаленным пуансоном дисков из сталей различных марок, подвергнутых разным термообработкам (гл.7). При высоком давлении сильно возрастает как истинное напряжение сдвига, так и глубина, на которую пуансон проникает в диск без разрушения. Величина этого возрастания оказывается того же порядка, как и для предела упругости или твердости по Бринеллю. Особый интерес представляют описанные в монографии опыты по разрушению полых толстостенных цилиндров из стали под действием внешнего давления (гл.8). Эти опыты показали, что максимальное значение логарифма отношения внешнего радиуса цилиндра к внутреннему при разрушении линейно возрастает с внешним давлением. При наиболее высоких давлениях внутренний диаметр становится настолько малым, что на размер отверстия начинает влиять зернистая структура металла; в этом случае формулы теории, выведенные для однородного и изотропного материала, уже мало применимы. Подобное же явление встречается при растяжении под давлением. Для получения кривой зависимости истинного напряжения от истинной деформации проведен математический анализ результатов наблюдения. Автор приходит к выводу, что для больших пластических деформаций деформационное упрочнение при сжатии заметно меньше, чем при растяжении. Опыты П. Бриджмена, касающиеся влияния давления на пустоты в хрупких материалах (гл.9), повидимому, представляют интерес и для геологов, в связи с изучением землетрясений, вызванных внезапным обрушением больших масс горных пород внутрь пустот в земной коре. Несомненно, что явление внезапных выбросов горной породы в шахтах под действием напряжений также может быть в какой-то степени моделировано, пользуясь методикой, разработанной автором настоящей монографии. В его опытах было показано, что разрушение стекла и ряда естественных монокристаллов, имеющих внутренние пустоты, под действием внешнего гидростатического давления происходит путем заполнения внутренней полости обломками, отделяющимися от стенок. При этом чем более совершенна поверхность полости, тем выше давление, при котором начинается разрушение. Во второй части монографии описаны опыты автора, проведенные с целью распространения кривой деформационного упрочнения в область больших пластических деформаций при различных видах напряженного состояния. Сюда входят простое, двухмерное и смешанное сжатие, а также кручение совместно с простым сжатием. Кроме того, исследовано изменение объема при сжатии в области пластических деформаций. Основная цель этих испытаний – выяснить, существует ли в области больших деформаций обобщенная кривая деформационного упрочнения. Оказывается, что кривые, построенные для различных видов деформации, плохо согласуются между собой. Весьма интересные результаты получены при изучении кручения при наличии сжимающего напряжения, направленного по оси, вокруг которой происходит закручивание. При этих условиях область пластического углового смещения возрастает в несколько раз. Это позволяет проследить кривую упрочнения при сдвиге до истинной деформации, равной 3, и сравнить ее с кривой упрочнения при растяжении. Все примененные методы сравнения обнаруживают заметное расхождение между обеими кривыми. Кривая упрочнения при сдвиге поднимается значительно медленнее и имеет существенно меньший угловой коэффициент, чем кривая упрочнения при растяжении. Автор пытается объяснить это явление на основе рассмотрения перемещения атомов при растяжении и при сдвиге. При подведении итогов проведенных опытов в области больших пластических деформаций автор развивает свои взгляды на пластическую деформацию и разрушение. При этом он уделяет главное внимание физической картине исследуемых явлений. В частности, автор приходит к выводу, что при больших деформациях вид кривой деформационного упрочнения сильно зависит от вида деформации, т.е. он отрицает наличие при этих условиях обобщенной кривой упрочнения. Таким образом, для полного описания поведения тела необходимо знание не только напряжений и деформаций в данный момент, но и его истории. Большую роль играет анизотропия деформационного упрочнения; автор связывает ее с дискретной структурой вещества. К сожалению, при анализе влияния давления на механические свойства материалов автор не привлек столь мощный метод исследования, как рентгеновский анализ кристаллических структур. Несомненно, что многие явления, наблюдаемые П. Бриджменом в его опытах, получили бы при этом дополнительное освещение. Остался также неисследованным весьма интересный вопрос о разрыве толстостенных полых цилиндров под действием внутреннего давления. Такие исследования имели бы большое теоретическое значение. При редактировании книги было сочтено целесообразным перевести английские единицы в соответствующие метрические единицы. Уже после выхода американского издания настоящей книги П. Бриджмен опубликовал статью о механических свойствах никеля, вольфрама, молибдена и некоторых других материалов при высоком гидростатическом давлении. Перевод этой статьи помещен в конце книги в качестве приложения. Результаты исследований механических свойств материалов, находящихся под высоким гидростатическим давлением, описанные в монографии Бриджмена (например, увеличение пластичности с одновременным возрастанием сопротивления разрушению), представляют значительный интерес для физиков, изучающих твердое тело, а также для инженеров, работающих в области прочности материалов. Инженеры-металлурги и конструкторы также найдут в этой монографии интересные для них данные, так как в технике возможны условия, близкие к тем, которые были созданы в некоторых опытах П. Бриджмена. Л. Ф. Верещагин
Предисловие автора
В течение многих лет я проводил эксперименты по изучению влияния высокого гидростатического давления на свойства веществ. Во время этих экспериментов давление часто специально повышалось до такой величины, что это приводило к разрыву сосудов, и я имел возможность наблюдать много различных случаев разрыва при необычных условиях. Эти случаи разрыва часто нельзя было предусмотреть заранее, и по своему характеру они были прямо противоположны тому, чего можно было ожидать на основании опыта, полученного в технике при значительно меньших напряжениях. Сначала я интересовался этими разрывами лишь постольку, поскольку это было необходимо для проектирования моих установок высокого давления. Однако по мере накопления материала и, в частности, с открытием необычайно большого увеличения пластичности и расширения области деформационного упрочнения стали под действием высокого гидростатического давления я стал интересоваться этим вопросом самим по себе. Мною было проделано много экспериментов для того, чтобы разобраться как в явлениях разрыва под действием высоких напряжений, так и в явлениях больших пластических деформаций, которые часто предшествуют такому разрыву. Ряд таких исследований я провел во время войны, имея в виду практические применения. Эти исследования поставили другие вопросы, которыми я дальше занимался из чисто научного интереса. В этой книге дается изложение всего накопленного опыта работы при довольно необычных условиях. Я считаю, что он не только представляет самостоятельный интерес, но может помочь при рассмотрении сложных проблем пластической деформации и разрыва, многие из которых до сих пор не решены, в более узком диапазоне условий, обычно встречаемых на практике. Я. Бриджмен
Введение
Цель этой книги – дать более или менее связное изложение всей экспериментальной работы по исследованию больших пластических деформаций и явлений разрыва, которой я занимался преимущественно в течение последнего десятилетия. В этом ощущается необходимость, потому что большая часть этой работы была выполнена во время войны и результаты ее опубликованы в официальных отчетах, часть которых была засекречена. После войны эти отчеты стали доступны только в виде совершенно неудобочитаемых фотокопий, которые можно получить из Управления архивов в Вашингтоне. Недавно в технической литературе были опубликованы различные статьи, авторы которых, повидимому, не знали о моей работе и частично повторили мои эксперименты. После войны я опубликовал ряд работ в более доступных изданиях, главным образом в Journal of Applied Physics, но мне кажется, что их также полезно обобщить в книге, более доступной для инженеров. Кроме того, для полноты картины имеет смысл изложить здесь и некоторые результаты моих более ранних исследований. Эта работа началась с открытия, сделанного незадолго до войны, что пластичность обычных сталей очень сильно возрастает под действием гидростатического давления в диапазоне от 20 000 до 30 000 кг/см2. Примерно в то же время в Исследовательской лаборатории морского флота было показано путем фотографирования процесса пробивания броневой плиты снарядом и вычисления отрицательных ускорений, что напряжения, возникающие вокруг головки снаряда при пробивании брони, лежат в этом же диапазоне – от 20 000 до 30 000 кг/см2. Эти работы, очевидно, тесно связаны друг с другом. До сих пор при анализе процесса пробивания брони не учитывались изменения физических свойств стали под действием напряжений, возникающих в процессе пробивания. Теперь стало известно новое свойство стали, а именно, зависимость пластичности от давления, которая не обнаруживается при помощи обычных методов испытания, но, очевидно, имеет очень большое значение для баллистических проблем. Поэтому необходимо было провести систематическое исследование этой зависимости для различных сталей, применяемых для изготовления броневых плит и снарядов. Научно-исследовательский комитет национальной обороны (NDRC) явился инициатором широкой программы исследований, целью которых было изучение влияния давления на пластичность целого ряда сталей. На ранних стадиях этих исследований считалось, что знание нового параметра – коэффициента, выражающего зависимость пластичности от давления, – может помочь в решении важной практической задачи, а именно, объяснить, почему так часто наблюдаются расхождения между баллистическими свойствами стали и ее обычными техническими характеристиками, такими как прочность на разрыв или ударная вязкость. Мы считали, что с введением этого нового параметра удастся установить связь между баллистическими свойствами и техническими характеристиками стали и таким образом избежать дорогостоящих баллистических испытаний. Решение этой практической задачи неожиданно затормозилось изНза того, что для моих испытаний не оказалось плит. Броневые плиты, не выдержавшие баллистических испытаний, являлись собственностью компаний-поставщиков, и военно-морской флот, согласно своим контрактам, обязан был возвращать им пробитые плиты. К тому времени, когда была преодолена связанная с этим волокита, положение изменилось, так как было показано, что пробивание броневых плит при баллистических испытаниях является следствием присутствия в стали загрязнений и для объяснения неожиданных отклонений в поведении стали нет необходимости применять новый физический параметр, известный лишь посвященным. Между тем было собрано много данных о влиянии давления на растяжение различных сортов стали, из которой были изготовлены броневые плиты, выдержавшие баллистические испытания. Далее, к тому же времени стало ясно, что при спешке, вызванной войной, слишком трудно найти аналитический метод решения задачи о пробивании брони снарядом и что нужды момента можно удовлетворить гораздо эффективнее путем накопления большого числа данных, полученных непосредственно при баллистических испытаниях. Поэтому NDRC пришел к выводу, что эти работы не имеют непосредственного военного значения и выходят за пределы его компетенции. Правда, была начата широкая программа работ по совместному изучению в различных лабораториях физических свойств ряда сталей, отобранных и изготовленных под руководством Зейтца. Определение поведения сталей под гидростатическим давлением в моей лаборатории было только частью этой большой программы. Однако с приближением конца войны NDRC не мог взять на себя дальнейшее выполнение этой программы, и все контракты на исследования, связанные с ней, были расторгнуты. Между тем аналогичные работы, но с гораздо более широкими задачами, были начаты в другом месте. Директором исследовательского отдела Уотертаунского арсенала был в то время полковник Цорниг, офицер с широким образованием и необычной широтой взглядов. Его точка зрения сказалась в замечании, что одним из немногих преимуществ войны является то, "что вы, профессора колледжей, хотите работать для нас и открывать для нас вещи, за которые вы иначе и не подумали бы браться". В этом духе и при активном участии Зинера и Голломона из исследовательского отдела арсенала были заключены контракты на исследовательские работы, в результате которых были представлены восемь отчетов о различных исследованиях пластических деформаций стали. Эти отчеты никогда не были засекречены. Первоначальной целью этой работы было изучение действия гидростатического давления, но были проведены также и различные другие исследования больших пластических деформаций. Сюда относятся деформирование толстостенных цилиндров внешним гидростатическим давлением и пластическая деформация под действием различных напряжений небольших образцов, вырезанных в разных направлениях из образцов, подвергнутых предварительно пластической деформации различного вида. К концу войны полковник Цорниг был переведен в другое место, и "медовый месяц" кончился. Однако у меня возникло много вопросов, на которые я хотел найти ответ. В течение нескольких лет непосредственно после войны в моей лаборатории продолжались различные исследования, являвшиеся продолжением работ, начатых во время войны, и результаты их были опубликованы в различных специальных журналах. Эти результаты также приведены в книге, так как хотя о них и нельзя сказать, что они недоступны, все же и их полезно собрать вместе. То же относится и к некоторым моим более ранним работам по изучению большой пластической деформации и разрыва, которые включены сюда вместе с некоторыми неопубликованными ранее результатами. При таком разнообразии материала нелегко найти наилучший метод изложения. Так как многие испытания проводились до разрушения образца, то можно было бы рассмотреть сначала различные виды пластической деформации, а затем отдельно явления разрушения. Я предпочел, однако, рассматривать совместно пластическую деформацию и разрушение, связанные с одним каким-либо видом испытаний. Наибольшее число испытаний было проведено при высоком гидростатическом давлении с целью определить в первую очередь влияние давления на различные величины, характеризующие пластическую деформацию и разрушение. Эти опыты описаны первыми. Самые простые из них – это испытания на растяжение под давлением. В результате этих опытов определено влияние давления на повышение кривой деформационного упрочнения по всей ее длине, а также на повышение точки разрыва. При этих испытаниях непосредственно получаются кривые зависимости удлинения от нагрузки, измеренные при различных средних гидростатических давлениях. При пересчете кривой зависимости удлинения от нагрузки в кривую зависимости истинного напряжения от истинной деформации необходимо ввести поправочный множитель, которым пренебрегают при испытаниях на растяжение в обычных условиях. Этот поправочный множитель возникает вследствие чрезвычайно большой пластичности, которая допускает почти безграничное уменьшение поперечного сечения образца. Так, в одном опыте сужение составило 99,7%. С большим сужением связана неоднородность в распределении напряжения по сечению шейки. Чтобы найти действительную связь между напряжением и пластической деформацией или разрушением, нужно ввести поправку на эту неоднородность. Первая глава книги посвящена рассмотрению этой предварительной задачи. Кроме обычных испытаний на растяжение цилиндрических образцов исследовалось также двухмерное растяжение под давлением. Двухмерные условия осуществлялись приближенно путем продольного растяжения тонкостенных труб. Здесь влияние давления также заключается в сильном увеличении пластичности. В случае двухмерного растяжения, так же как и в случае трехмерного, необходимо ввести поправку на распределение напряжений в шейке. Этот вопрос также рассмотрен в первой главе. Помимо испытаний на растяжение были проведены и другие испытания под гидростатическим давлением. Их результаты, хотя гораздо менее полные, чем в случае испытаний на растяжение, дают все же качественную картину явления. Эти испытания включают простое сжатие, определение твердости по Бринеллю, пробивание отверстий и деформирование толстостенных труб под действием внешнего гидростатического давления. Сюда же относятся опыты по волочению проволок, помещенных целиком в среду, находящуюся под высоким давлением, которые были проведены только при одном значении давления. Большие пластические деформации можно осуществить также другими способами, помимо использования высокого гидростатического давления. Несколько простейших случаев были исследованы. Из всех напряженных состояний проще всего создать простое сжатие, которое пригодно для получения больших деформаций без разрушения. Применение простого сжатия в качестве стандартного испытания было бы, несомненно, более обычным, если бы при больших деформациях образец не принимал бочкообразной формы вследствие трения на торцах. Последнее приводит к серьезным отклонениям от однородности в распределении напряжений. Чтобы избежать этого, можно воспользоваться методом Тейлора и Куинни; этот метод состоит в сжатии последовательными ступенями каждый раз на небольшую величину, причем после каждого приложения напряжения из образца, приобретшего бочкообразную форму, вытачивается новый образец с сохранением первоначального соотношения размеров. Таким образом Тейлор и Куинни определили кривую зависимости истинного напряжения от истинной деформации при простом сжатии для меди вплоть до укорочения в 50 раз. В этой книге читатель найдет применение этого метода к стали при сжатии вплоть до укорочения в 20 раз. Результаты для меди и стали оказываются качественно различными. Наряду с простым сжатием исследовалось также двухмерное сжатие, т.е. деформация сжатия в одном главном направлении, равное ей расширение в другом и отсутствие изменений в размерах в третьем главном направлении. До сих пор, повидимому, было проведено очень мало таких измерений. Я считаю, что они дают полезные сведения, так как пластическая деформация происходит при очень простых условиях и явление не усложняется, как при трехмерной пластической деформации, изНза взаимодействия плоскостей скольжения во взаимно перпендикулярных направлениях. Другой вид испытаний, пригодный для получения больших деформаций, – это кручение цилиндра относительно его продольной оси с одновременным приложением простого сжатия вдоль той же оси. При этом действие простого сжатия очень схоже с действием гидростатического давления. Зарождающиеся трещины "залечиваются" до того, как успеет развиться разрушение, эффективная пластичность сильно возрастает, и образцу можно сообщить без разрушения гораздо большие углы закручивания. Этот вид испытаний, повидимому, раньше не применялся, хотя и были проведены опыты по кручению совместно с продольным растяжением вместо сжатия. Испытания другого типа были проведены с различными образцами, предварительно деформированными тем или иным путем. Все эти испытания проводились при атмосферном давлении, в большинстве случаев с миниатюрными образцами, вырезанными по различным направлениям из предварительно деформированных образцов. Полученные результаты интересны, в частности, потому, что они дают сведения об изотропности предварительно деформированного материала. Эти испытания включали: простое растяжение образцов после предварительной деформации растяжения под давлением, простого сжатия и двухмерного сжатия; простое сжатие после деформации растяжения под давлением, простого сжатия и двухмерного сжатия; кручение после простого растяжения под давлением. Во всей работе уделялось сравнительно мало внимания временным эффектам. Однако в испытаниях по двухмерному сжатию были исследованы некоторые вопросы, связанные со скоростью деформации, и результаты этих опытов описаны в гл.13, посвященной двухмерному сжатию. Эти результаты связаны с тем, что можно назвать первичной пластической деформацией или ползучестью, т.е. с временными эффектами, имеющими место непосредственно после изменения нагрузки, в отличие от более медленных эффектов в течение больших интервалов времени, которые обычно называются ползучестью. Об авторе
Выдающийся американский ученый-физик, лауреат Нобелевской премии. Родился в Кембридже, штат Массачусетс. С 1900 г. учился в Гарвардском университете (диплом бакалавра в 1904 г., степень магистра в 1905 г.). В 1908 г. стал доктором наук, защитив диссертацию о влиянии давления на электрическое сопротивление ртути. Начав свою карьеру научным сотрудником в 1908 г., в 1910 г. стал преподавателем, в 1913 г. – ассистент-профессором, в 1919 г. – профессором, в 1950 г. – университетским профессором и в 1954 г. – почетным профессором в отставке. Во время Первой мировой войны создал систему звукового обнаружения для противолодочной борьбы, а во время Второй мировой войны работал над проблемой сжимаемости урана и плутония, внеся тем самым вклад в создание первой атомной бомбы. В 1905 г. Бриджмен изобрел герметизированный метод изоляции сосудов с газом, находящимся под высоким давлением, позволявший получать давления до 100 тысяч атмосфер. При помощи его установки было исследовано множество новых явлений, включая влияние давления на электрическое сопротивление, а также поведение жидкостей и твердых тел при высоких давлениях. Создание высокопрочных стальных сплавов позволило ему использовать свои постоянно совершенствуемые аппараты для измерения сжимаемости, плотности и точки плавления сотен материалов в зависимости от давления и температуры. В 1946 г. Бриджмен был удостоен Нобелевской премии по физике "за изобретение прибора, позволяющего создавать сверхвысокие давления, и за открытия, сделанные в связи с этим в физике высоких давлений". |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||