Введение к работе
Исследования свойств веществ при интенсивных импульсных воздействиях ориентированы, как правило, на прогнозирование реакции материалов и конструкций на динамические нагрузки. Систематическое изучение прочностных свойств материалов в условиях ударных нагрузок началось в пятидесятых годах и было ориентировано, главным образом, на решение прикладных задач, связанных, в основном, с оборонноіі тематикой, проблемами термоядерного синтеза, противометеоритной защиты и т.п. С окончанием холодной войны становится особенно актуальным вопрос о иных применениях полученных знаний и методических разработок, в частности - в физике твердого тела, физике прочности и материаловедении. Эксперименты с плоскими ударными волнами не только дают уникальную возможность измерений свойств материалов при экстремально высоких давлениях и чрезвычайно малых длительностях воздействия, но также представляют собой надежный способ изучения сопротивления материалов деформированию и разрушению в условиях строго одноосных деформаций при напряженных состояниях, близких к всестороннему растяжению. При этом исключается влияние поверхности тела и окружающей среды, а критические разрушающие напряжения не чувствительны к отдельным относительно крупным дефектам в материале.
В экспериментах с ударными волнами динамическому разрушению материалов предшествует его сжатие до высоких давлений, которое сопровождается необратимым разогревом вещества, ростом концентрации микродефектов и дислокаций, полиморфными превращениями. Все эти явления, вообще говоря, могут оказывать влияние на процесс последующего откольного разрушения материала. По этой причине для того, чтобы понять, в какой мере ударно-волновые измерения информативны в отношении фундаментальных свойств материалов, не обусловленных специфичностью воздействия, необходимо провести систематические исследования определяющих факторов динамических разрушений и чувствительности прочностных характеристик в этих условиях к структуре материала и условиям испытаний.
Таким образом, актуальность исследований сопротивления материалов высокоскоростному деформированию и разрушению определяется как потребностью в экспериментальных сведениях о прочнос-
тных и упругопластических свойствах разнообразных материалов для прогнозирования результатов интенсивных импульсных воздействий, так и поиском новых приложений физики ударных волн в конденсированных средах.
Динамическая прочность материалов в субмикросекундном диапазоне длительностей нагрузки исследуется путем анализа отколь-ных явлений при отражении импульсов сжатия от поверхности тела. Наиболее достоверным и информативным способом определения разрушающих напряжений при отколе.является метод, основанный на непрерывной регистрации скорости движения тыльной поверхности образца в процессе откольного разрушения. Такие измерения дают не только количественные данныё-о сопротивлении материала разрушению, но позволяют также проследить динамику процесса, качественно оценить характер разрушения и его скорость в различных условиях нагружения.
Предметом диссертации является развитие экспериментальных методов исследования откольного разрушения материалов и систематическое изучение влияния условий испытаний, параметров ударно-волновой нагрузки, исходной структуры испытуемого материала и ее превращений при нагружении на сопротивление динамическому разрушению.
Метод исследований основан на регистрации профилей скорости свободной или контактной поверхности исследуемых образцов в процессе нагружения последних импульсами сжатия различной амплитуды и длительности. Анализ волновых профилей позволяет получать не только количественные данные по упруго-пластическим и прочностным характеристикам материала, но и информацию о динамике процесса.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
-
Метод генерации коротких импульсов сжатия с помощью метания тонких фолы ударной волной. Физический предел применимости лазерных измерителей скорости.
-
Результаты исследований динамического разрушения металлов и сплавов в широком диапазоне амплитуд и длительности нагрузки, влияния предварительной обработки и фазовых превращений, исходной структуры поликристаллических и монокристаллических образцов и их предварительного и ударно-волнового нагрева на сопротивление откольному разрушению, которые позволяют сделать вывод об откольной прочности как структурночувствительном параметре материала. Способы регистрации волновых профилей в предваритель-
но нагретых образцах и в процессе плавления материала при нагреве в ударной волне и результаты исследования влияния температуры на процесс откольного разрушения металлов.
-
Метод и результаты исследования краевых эффектов при от-кольном разрушении. Энергетический критерий отрыва откольного элемента.
-
Результаты исследований формирования и распространения волны разрушения в стекле и результаты измерений откольной прочности стекла, плавленного кварца, монокристаллов кварца, сапфира и рубина.
Новизна полученных результатов. Для возбуждения в исследуемых образцах коротких импульсов сжатия отработана методика метания тонких фолы ударной волной через пластину-ослабитель со скоростью 450-700 м/с, позволяющая создавать в образцах импульсы сжатия длительностью до 5-108с. Изучена динамика отрыва ударников от пластины-ослабителя. Показано, что уменьшение толщины отлетающей фольги до толщины, соизмеримой с шириной фронта ударной волны, приводит к уменьшению ее скорости, стремящейся в пределе к скорости поверхности пластины-ослабителя.
Впервые определен физический предел применимости лазерных измерителей скорости во взрывных экспериментах, связанный с потерей устойчивости отражающей поверхности исследуемого образца вследствие плавления после прохождения мощной ударной волны.
Установлено, что в широком диапазоне длительности нагрузки откольная прочность металлов возрастает с уменьшением длительности импульса и не зависит от интенсивности ударного сжатия. Показано, что предварительная термообработка и фазовые превращения материала в ударной волне, связанные с перестройкой внутренней структуры, могут оказывать заметное влияние на откольную прочность металлов. Впервые проведены экспериментальные измерения вариаций откольной прочности по объему образца для крупнозерен-ного поликристаллического магния и монокристаллического молибдена. Совокупность полученных данных показала, что критические разрушающие напряжения являются структурночувствительным параметром материала. Экспериментально подтверждено предположение о переходе механизма пластического деформирования при высокоскоростном разрушении оттермофлуктуационного к атермическо-му надбарьерному скольжению дислокаций.
Предложены способы регистрации профилей скорости поверхности при повышенных температурах как в результате нагрева материа-
ла ударной волной, так и в предварительно нагретых образцах. Показано, что величина разрушающих напряжении при отколе в свинце, олове, поликристаллических образцах алюминия, магния и монокристаллах цинка остается практически неизменной с ростом температуры до 0,9-0,95 температуры плавления, после чего резко падает вследствие локального плавления в окрестности очагов разрушения.
Впервые проведены систематические измерения динамической прочности при отколе в монокристаллах меди, молибдена, ниобия различной ориентации, а также кварца, рубина и сапфира в широком диапазоне амплитуд и длительностей нагрузки. Установлено, что сопротивление монокристаллических образцов отколу превышает прочность поликристаллов в 2-4 раза, их прочность может достигать 30-35% от максимально возможных растягивающих напряжений для данных материалов. Максимальные критические разрушающие напряжения реализуются в высокотвердых монокристаллах с высоким пределом упругости, не подверженных пластической деформации перед разрушением. При напряжениях в ударной волне выше динамического предела упругости откольная прочность хрупких монокристаллов падает до нуля вследствие их разрушения в фазе ударного сжатия. Экспериментально показано, что в отличие от монокристаллов, откольная прочность стекол остается высокой даже после воздействия интенсивных ударных волн, что является свидетельством пластичности стекол в этих условиях при напряжениях выше динамического предела упругости.
Для исследования влияния масштабного фактора на возможность полного отделения откольного элемента от образца предложен способ изучения краевых эффектов при отколе и соответствующий энергетический критерий отрыва откольного элемента.
При исследовании откольного разрушения стекла впервые в плоских ударных волнах экспериментально зафиксировано формирование волны разрушения в материале и показано, что она образуется на поверхности ударно-сжатого тела и распространяется за ударной волной с дозвуковой скоростью.
Практическая и теоретическая ценность работы. Полученные в работе экспериментальные данные по сопротивлению откольному разрушению технических металлов и сплавов в широком диапазоне температур, амплитуд и длительностей ударных нагрузок используются для построения определяющих соотношений в расчетах динамического воздействия на материалы и реальные конструкции, а также могут служить экспериментальной основой для разработки сис-
тем компьютерного конструирования новых материалов. Материалы исследований использовались в расчетах при проектировании новых технических устройств, в частности, при разработке противо-метеорптной защиты космического аппарата "Вега". Полученная в работе экспериментальная информация составляет надежную и достаточно обширную базу данных по динамическому разрушению материалов для развития физики твердого тела, физики разрушения и материаловедения.
Таким образом, в результате проведенных исследований сформулированы физические основы динамического разрушения твердых тел и определены перспективы применения динамических измерений прочности в материаловедении, что можно рассматривать, как новое научное направление, сущность которого заключается в изучении определяющих факторов сопротивления разрушению материалов динамическими методами.
Результаты диссертации представлены в 50 научных статьях, опубликованных в российских и зарубежных научных журналах и сборниках, основные из которых представлены в конце автореферата, и докладывались на IV Всесоюзном совещании по детонации (Телави, 1987 г.), IV Всесоюзном симпозиуме по импульсным давлениям (Менделееве, 1983 г.), III Всесоюзной школе-семинаре по физике взрыва (Красноярск, 1984 г.), VI Всесоюзном семинаре по прикладной механике (Томск, 1984 г.), Всесоюзном семинаре по математическому моделированию (Новосибирск, 1985 г.), VIII,Х,Х1 Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Ташкент,1986 г., Черноголовка, 1992,1996 г.г.), II Международной конференции МАРИВД "Высокие давления в науке и технике" (Киев, 1987 г.), Всесоюзном совещании по уравнениям состояния (п. Эльбрус, 1988 г., п. Терскол, 1998 г.). 11,111 Республиканском семинаре "Динамическая прочность и трещиностойкость конструкционных материалов" (Киев, 1988, 1991 г.г.), Всесоюзном совещании "Физика и техника высокоскоростного удара" (Владивосток, 1990 г.), II Международной школе-семинаре "Физика и газодинамика ударных волн" (Минск, 1992 г.), Российско-германском семинаре по ударным волнам (г.Карлсруе, Германия, 1992 г.), Международной конференции "Ударные волны в конденсированных средах"(-Санкт-Петербург, 1994, 1998 г.г.), IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1994 г.). Международной конференции по применению ударных волн в металлургии и явлениям при высокоскоростной деформации "Explomet 95", (Эль-Пасо, США, 1995 г.), IV Меж-
?
дународной конференции по компьютерному конструированию материалов и технологий (Томск, 1995 г.), Международной конференции по ударнотволновым процессам (Санкт-Петербург, 1995 г.), Международном симпозиуме по высокоскоростному соударению "HVIS-96" (Фрайбург, Германия, 1996 г.), Международном симпозиуме "Ударные волны в конденсированных средах" (Амхерст, США, 1997 г.), а также на научных семинарах Института проблем химической физики РАН.
Работа выполнена в лаборатории физической газодинамики Отдела горения и взрыва Института проблем химической физики Российской академии наук в период с 1982 по 1997 г.г.
СТРУКТУРА РАБОТЫ