An experimental technique for studying the behavior of high-strength steel under static punching

Abstract

Високоміцні сталі широко використовуються в оборонному й цивільному секторі промисловості. В процесі експлуатації високоміцні та броньовані сталі піддаються екстремальним статичним та динамічним навантаженням. Проведення випробувань зразків матеріалу або повномасштабних конструкцій при таких навантаженнях є дуже складним та дороговартісним процесом. Тому для оцінювання їх міцності в світовій практиці широко використовуються чисельні методи розрахунку. Для визначення параметрів розрахункових моделей в якості експрес-методу доцільно використовувати випробування, які за характером навантаження, деформування та руйнування є подібними до повномасштабних чи стандартних, але які дешевше й легше провести в лабораторних умовах. Однією із важливих властивостей високоміцних сталей є їхня стійкість при пробитті різними типами бронебійних ударників. Тому з метою розроблення розрахункових моделей високоміцних матеріалів, мінімізуючи при цьому об’єм використовуваного матеріалу для виготовлення зразків та спрощуючи процедуру проведення випробувань, в останній час розвиваються такі методи, як випробування на статичне та динамічне продавлювання. В Інституті проблем міцності імені Г. С. Писаренка НАН України було проведено комплекс експериментально-розрахункових досліджень деформування зразків різної конфігурації з високоміцних сталей в умовах як статичного, так і динамічного навантажень, зокрема, процесу продавлювання пластинчастих зразків пуансонами різної форми. В рамках даної роботи розроблено експериментальну методику та устаткування для дослідження поведінки матеріалів при статичному продавлюванні. Проведено випробування пластинчастих зразків із високоміцної сталі на модернізованій сервогідравлічній машині Instron 8802 із використанням трьох типів пуансонів: плоского, напівсферичного та конусного. Встановлено, що найбільш інформативною є діаграма продавлювання зразків напівсферичним пуансоном, а найменш інформативною – діаграма продавлювання конусним пуансоном. При цьому характер руйнування зразків є подібним до результатів полігонних випробувань при пробитті перешкоди бронебійними ударниками. Отримані результати добре узгоджуються з відомими літературними даними і можуть бути використані для валідації результатів, отриманих при чисельному моделюванні.

High-strength steels are widely used in the defense and civil industries. During operation, high-strength and armored steels are subjected to extreme static and dynamic loads. Material specimens or full- scale structures testing at such loads is a very complex and expensive process. Therefore, numerical calculation methods are commonly used to assess their strength. To determine the parameters of these models as an express method, it is reasonable to use tests that are similar in nature of the loading, deformation, and failure to full-scale or standard ones, but which are cheaper and easier to perform in the laboratory conditions. One of the key properties of high-strength steels is their resistance to penetration by various types of armor-piercing strikers. To simplify the testing procedure and minimize materials consumption, static and dynamic punching methods have been developed. A set of experimental and numerical investigations on the deformation of various specimens from high-strength steels has been made under static and dynamic load conditions, in particular, plate specimens punching (punches of different shapes) by the G. S. Pisarenko Institute for Problems of Strength of the NAS of Ukraine. This paper presents the experimental procedure and equipment for the investigation of the materials’ behavior under static punching. High-strength steel plate specimens have been tested on an upgraded servohydraulic machine Instron 8802 using three types of punches: flat, spherical, and conical. It is established that the diagram describing the spherical punching is the most informative, while the diagram showing the conical punching is less informative. The nature of the specimen fracture is consistent with the results of field tests in the barrier penetration by armor-piercing strikers. The obtained results are in good agreement with the known literature data and can be used to validate the results obtained by numerical simulations.