Введение к работе
Актуальность темы. Поиск способов создания новых материалов, необходимых для нужд современной техники, привел к интенсивному развитию методов импульсной обработки материалов, позволяющих существенно развить и улучшить традиционные и создать принципиально новые технологии получения материалов с новыми физико-механическими свойствами. В числе перспективных технологий находятся упрочнение и сварка взрывом, а также получение композиционных материалов на основе порошковых матриц, армированных высокопрочными элементами. Качественное отличие импульсных методов состоит в том, что они позволяют воздействовать на материалы высокими (~ 105 -г- 106 атм) давлениями в течение малых промежутков времени (~ 10"5+ 10йсек), что дает возможность, варьируя параметры нагружения, целенаправленно влиять на свойства одних элементов композитов, сохраняя неизменными другие. Наиболее распространенные способы создания мощных импульсных нагрузок основаны на использовании накладных зарядов конденсированного взрывчатого вещества и соударения тел, разогнанных продуктами детонации или пороховыми газами. Основными величинами, характеризующими такие процессы, являются: давление, температура, плотность вещества, его деформация. Значительные давления и температуры при ударном воздействии создают благоприятные условия для различных физико-химических превращений. Так взрывное нагружение может вызывать фазовые переходы, создавать дефекты кристаллической решетки, изменять проводимость и т. д. С одной стороны все эти процессы могут служить объектами исследований, с другой, будучи хорошо изученными, могут использоваться при исследовании новых эффектов.
Отсутствие надежных данных об этих основных термодинамических параметрах не позволяет сделать заключение о возможности применения той или иной модели для описания реального поведения материалов в таких условиях. В связи с этим чрезвычайно актуальной является задача разработки методов экспериментального исследования поведения гомогенных и гетерогенных сред при их импульсном нагружении. Особое значение при решении поставленной задачи имеет глубокий теоретический анализ физических явлений, лежащих в основе разрабатываемых экспериментальных методов.
Цель работы состояла в разработке новых экспериментальных методов исследования поведения материалов в процессе их высокоскоростной деформации и получению с их помощью достоверной информации о напряженном состоянии и температурном поле среды при импульсном нагружении.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
разработка методов экспериментального исследования метания металлических пластин
слоями конденсированного взрывчатого вещества; определения поля давления в образце при косом соударении пластин и при контактном взрыве заряда в схеме скользящей детонации, при дозвуковом течении металла;
разработка физических основ термопарного метода измерения температуры металла в процессе его импульсного деформирования; создание метода измерения температуры при ударно-волновом сжатии металла; создание метода измерения поля температур при плоском установившемся течении металла; измерение температуры ударно-волнового сжатия меди; измерение температуры шва при сварке взрывом; измерение температуры металла при струйном течении в кумулятивном процессе; исследование напряженного состояния металла при импульсном нагружении термопарным методом;
разработка невозмущаюшего метода определения массовой скорости за плоской ударной волной в порошкообразных средах различной проводимости; экспериментальное построение ударных адиабат для порошковых материалов;
разработка метода определения конфигурации и параметров сильной ударной волны в порошкообразных средах в схеме скользящей взрывной нагрузки, разработка методов определения параметров структуры компактов на основе порошковых матриц, характеризующих степень консолидации частиц матрицы.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
разработаны и теоретически обоснованы экспериментальные методы и получены достоверные данные по:
определению баллистических характеристик конденсированных взрывчатых веществ,
определению поля давления при плоском установившемся дозвуковом течении металла,
определению температуры металла при ударно-волновом сжатии, в процессе кумуляшш и при плоском установившемся течении,
определению ударно-волновых параметров в порошковых средах,
определению параметров макроструктуры композитов на основе металлических порошковых матриц.
Практическая значимость. Проведенные исследования позволили определить баллистические свойства ряда промышленных взрывчатых веществ и их смесей, имеющих широкое применение при упрочнении, сварке и компактировании взрывом; измерить распределение давления в металле в условиях сварки взрывом, а также под действием бегущей взрывной нагрузки; измерить распределение температуры в плоских ударных волнах, при струйном течении металла в процессе кумуляшш, а также в условиях двумерного стационарного течения; определить основные параметры ударно-волнового нагружения порошковых сред, а
также определить характеристики макроструктуры компактов на основе металлических порошковых матриц, полученных взрывным компактированием. Полученные знания позволяют сделать заключение о применимости той или иной модели для описания поведения материалов при импульсном нагружении. В частности, процесс движения пластин и цилиндрических оболочек при взрывном нагружении адекватно описывается в рамках двумерной стационарной схемы с постоянным показателем политропы продуктов взрыва. Это дает возможность, на основании предварительного расчета, выбрать необходимые размеры и тип взрывчатого вещества для обеспечения сварки взрывом крупногабаритных изделий промышленного назначения.
Характер напряженного состояния металла и его температурного поля могут быть приближенно описаны, соответственно, в рамках простых гидродинамических и термодинамических моделей, что позволяет сделать корректный прогноз о зоне воздействия, длительности и величинах давления и температуры при импульсном нагружении. Это дает возможность целенаправленно влиять на структуру и свойства образцов, подвергающихся взрывному воздействию.
Экспериментальные данные об ударной сжимаемости порошковых сред, а также о характерных особенностях макроструктуры компактов, позволяют целенаправленно влиять на степень консолидации частиц матрицы, определяющую, в конечном счете, прочность компакта.
Предложенная физическая модель процесса компрессии магнитного поля ударно-индуцированными волнами проводимости в металлических порошковых средах, позволяет с одной стороны получить сведения о структуре фронта и параметрах ударной волны, а с другой осуществить оптимальный выбор дисперсионного состава и условий иагружения среды для достижения максимальных значений коэффициента компрессии.
Достоверность результатов обеспечивается использованием современной стандартной измерительной и вычислительной техники в исследовании процесса взрывного иагружения, применением проверенных теоретических моделей поведения материалов при импульсном нагружении.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (руководитель - академик Титов В.М.), а также на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: III Международный симпозиум "Обработка металлов взрывом", Marianske Lazne, 1976, VI Intern. Conf. on High Energy Rate Fabrication, W.G., Essen, 1977, IV и V Международные симпозиумы, "Обработка металлов взрывом" ЧССР, г. Готвальдов, 1979, 1982, II Всесоюзное совещание по обработке материалов взрывом, Новосибирск, 1981, 9-я Международная кон-
ференция "Высокоэнергетнческое воздействие на материалы", Новосибирск, 1986, IV Всесоюзное совещание по детонации, Телави, 1988, APS Topical Conference on Shock Compression of Condensed Matter, Seattle, 1995, IV Международная конференция "Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике", Казань, 1995, Международная конференция "Ударные волны в конденсированной среде" С.-Петербург, 1996, V International Conference on Mechanical and Physical Behavior of Materials under Dynamic Loading, Toledo, 1997, 111 International Symposium on Impact Engineering, Singapore, 1999.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 23 работах, опубликованных в научных журналах, а также в ряде материалов международных и российских симпозиумов, конференций, семинаров и совещаний.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав с выводами, заключения и списка цитируемой литературы (289 наименований). Обший объем работы составляет 270 страниц, в том числе 100 рисунков и 11 таблиц.
