Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Динамическое деформирование и разрушение твердых тел, их динамическая прочность на макро и микроуровнях
1.1 .Распространение волн в твердом теле 17
1.2. Механические свойства материалов при динамическом нагружении 26
1.3.Микромеханика динамического деформирования материалов ..33
1.4.Микроструктурные аспекты динамики разрушния 51
1.5.Теория высокоскоростного проникания и откольных явлений 57
Выводы 75
Глава 2. Экспериментальные методы исследования ударно-волновых процессов, проникания и откола, и структуры материалов при их реализации
2.1.Высокоскоростное внедрение в металлические преграды кумулятивных «ножей» удлиненных кумулятивных зарядов 77
2.2. Методы регистрации пространственно-временных профилей упруго-пластических плоских волн с помощью лазерных дифференциальных интерферометров 80
2.2.1 .Метод нагружения
2.2.2.Метод регистрации 83
2.3.Исследование динамических свойств материалов с помощью составного стержня Гопкинсона 90
2.4.Металлография и фрактография плоских преград, мишеней и образцов 98
Основные результаты 100
Глава 3. Экспериментальные результаты исследований поведения металлов при их высокоскоростном нагружении
3.1.Исследования влияния стандартных механических характеристик при растяжении, ударной вязкости и трещиностойкости на внедрение и разрушение преград кумулятивным «ножом» удлиненного кумулятивного заряда 101
3.2. Исследование свойств материалов при ударном растяжении 116
3.3.Исследования динамического поведения металлов при ударном нагружении плоских мишней 129
3.3.1.Распределение движения мезопотоков движения частиц по скоростям и ее связь с динамической прочностью 130
3.3.2.Осцилляции и вращения структурных элементов материала 136
З.З.З.Откольная прочность материалов и ее связь с истинным сопротивлением разрыву при динамическом растяжении 146
3.4.Исследования влияния ширины распределения мезопотоков на глубину внедрения кумулятивного «ножа» и толщину откола в преградах 156
Результаты и выводы 164
Глава 4. Структурные исследования металлов преград, мишеней и образцов
4.1 .Исследования поверхностей разрушения преград 166
4.2.Металлографические исследования структуры металлов преград 173
4.2.1 . Волнообразование при высокоскоростном проникании 173
4.2.2.Структурные исследования преград из металлов с ГЦК-решеткой 177
4.2.3.Микроструктурные исследования преград из ОЦК металлов 195
4.2.4.Микроструктурные исследования преград из титановых сплавов 206
4.3.Металлографический анализ медных образцов и концевых частей кумулятивных «ножей» удлиненных кумулятивных зарядов 213
4.4.Металлографические исследования и статистический анализ характеристик мезодефектов в плоских мишенях 225
Глава 5. Взаимосвязь характеристик динамического деформирования и разрушения со структурными параметрами материалов
5.1.Сопротивление динамическому деформированию при внедрении кумулятивных «ножей» удлиненных кумулятивных зарядов 243
5.2.Динамическая трещиностойкость материалов 248
5.3.Фрактальные характеристики при динамическом нагружении 258
5.4.Долговечность материалов в условиях откольного разрушения 267
5.5.Структурная вязкость твердых тел 273
Глава 6. Создание инженерных методов расчета процессов внедрения кумулятивного «ножа» в преграды
6.1.Модель внедрения кумулятивного «ножа» в преграды из пластичных металлов с учетом распределения по скоростям мезопотоков частиц преграды 282
6.2.Модель внедрения с учетом трещинообразования в процессе расклинивания 288
6.3.Модель внедрения, учитывающая микродефектность материалов 294
6.4.Вопросы проектирования систем разделения ракетно-космической техники на основе удлиненных кумулятивных зарядов 298
Глава 7. Распространение упруго-пластических волн и волн разрушения в твердом теле
7.1.Двухуровневая модель распространения стационарной пластической волны при регенеративном законе размножения дислокаций на первом уровне и отсутствии размножения на втором 302
7.2.Осцилляции фронта пластической волны в твердом теле при динамическом нагружении 311
7.3.Фрактально-кластерная модель откольного разрушения 325
Заключение. Общие результаты и выводы 336
Литература 339
- Механические свойства материалов при динамическом нагружении
- Методы регистрации пространственно-временных профилей упруго-пластических плоских волн с помощью лазерных дифференциальных интерферометров
- Исследование свойств материалов при ударном растяжении
- Волнообразование при высокоскоростном проникании
Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время все современные виды ракетно-космической техники (РКТ) имеют в своем составе системы и устройства для разделения. При выводе космического аппарата (КА) на заданную орбиту происходит отделение его от последней ступени ракеты-носителя. В процессе полета встает необходимость отделить от ракеты или КА отработавшие части или агрегаты, десантные аппараты, посадочные капсулы и др., вскрыть люки, перерезать внутренние конструктивные элементы. В качестве основных средств систем разделения и резки часто применяются удлиненные кумулятивные заряды (УКЗ) рабочим элементом которых является кумулятивный «нож» (КН), образующийся при схлопы-вании оболочки УКЗ.
Развитие ракетно-космической техники и военной техники вообще требует на современном этапе повышения ее эффективности без существенного повышения стоимости, и, поскольку, большая часть этой техники работает в экстремальных условиях, очевидно, что снижение ее стоимости может произойти на этапе проектирования, при применении систем автоматизированного проектирования (САПР), имеющих комплекс программ и банк данных, адекватно описывающих поведение и свойства элементов конструкций и материалов в условиях высокоскоростного (импульсного) нагружения, существенно отличающихся от таковых в условиях статического нагружения. В настоящее время необходимые сведения черпаются либо из динамических испытаний, либо путем
подстановки в уравнения коэффициентов динамичности, которые определяются на основе корреляционных соотношений. Более перспективным является первое направление, второе находит место в приложениях.
Тем не менее, несмотря на бурное развитие вычислительной техники, по мнению академика В.В. Новожилова «.. .очень важно продолжать развитие не только наиболее точных по постановке теоретических моделей, но и грубых моделей, поскольку именно они дают возможность охватывать явления в целом, наглядно оценивая роли входящих в задачи параметров».
Исследование фундаментальных законов поведения материалов в процессе высокоскоростного нагружения, кроме всего прочего, приобретает особую важность в связи с решением главной проблемы механики деформируемого твердого тела: созданием общей теории поведения материалов под нагрузкой при учете зависящих от скорости деформации их свойств. Для более полного понимания и изучения процесса деформирования твердого тела на макроуровне и уточнения расчетных моделей механики сплошной среды необходимо более глубокое исследование механизмов деформирования на уровне структурных элементов материала. В этом плане большой прогресс за последние годы достигнут в развитии физики прочности и пластичности.
Один из основополагающих принципов физики прочности и пластичности гласит, что прочность и пластичность являются структурно - чувствительными свойствами реальных металлов и полностью определяются при прочих равных условиях числом, типом и пространственным расположением дефектов их кри-
сталлического строения. К таким дефектам относятся: точечные дефекты, дислокации, дисклинации, планарные дефекты и границы зерен. Развитие теории этих дефектов показало, что микромеханизмы, определяющие пластическое течение и разрушение, также весьма чувствительны к скорости нагружения. Поэтому дальнейший прогресс в области динамической теории механики сплошных сред невозможны без глубокого понимания взаимосвязи микро и макропараметров в процессе высокоскоростного (ударного) нагружения твердых тел.
В настоящее время наименее разработанной и изученной областью является диапазон скоростей деформации 105... 106 с"1, что соответствует в теории броне-баллистики начальной скорости соударения 2,5...3,5 км/с. В указанном диапазоне скоростей меняется вид диаграммы материала и, как правило, существенно возрастает предел текучести и изменяются другие характеристики материала. Поэтому, исследование этих вопросов является одной из актуальнейших проблем теории прочности и пластичности, что не в последнюю очередь связано с дальнейшим развитием бронетанковой и ракетно-космической техники.
Самостоятельной задачей является разработка критериев динамической прочности и пластичности, изучения их связей со статическими параметрами материала и исследование влияния микропараметров на макропараметры.
При микросекундном времени нагружения пластическое течение материала становится неустойчивым, в частности, большую роль начинают играть ротационные моды пластической деформации. В этом случае возникает необходимость в разработке теории вихревой пластической деформации для различных
структурных уровней, например, мезоскопическом.
И, наконец, самостоятельный научный интерес представляет разработка прикладных аналитических методов расчета процесса высокоскоростного взаимодействия твердых тел, их внедрение друг в друга при учете микроструктурных аспектов поведения материала.
Целью работы является: -исследование физических процессов, происходящих на микро (мезо) уровнях при динамическом нагружении материалов и исследование взаимодействия кумулятивного «ножа» УКЗ с преградой в диапазоне скоростей деформации lO^loV;
-разработка феноменологических моделей динамического поведения материалов в процессе высокоскоростного проникания кумулятивного «ножа» и в условиях откольного разрушения преград; анализ, с помощью этих моделей влияния характеристик нагружения и свойств материалов на устойчивость пластического течения и разрушение в условиях высокоскоростного нагружения.
Научное направление.
К настоящему времени в странах СНГ и за рубежом выполнено большое количество работ по изучению взаимосвязи микромеханизмов пластического течения с процессами макродеформации вообще и с динамическими процессами, в частности. Однако, все работы, касающиеся высокоскоростного нагружения, посвящены, как правило, описанию взаимосвязи микропластичности и макродеформации на уровне одиночных дислокаций, и лишь сравнительно недавно (с
начала 80-х годов) появились работы, в которых определяющую роль стали играть коллективные формы движения сильновзаимодействующих дислокаций. Однако работ по определению взаимосвязи кинетики элементарных процессов в пластической деформации на мезоуровне с параметрами макропроцессов и материалов при высокоскоростном нагружении до сих пор не было.
Настоящая работа открывает новое направление в броневой баллистике и механике деформируемого твердого тела, а именно: исследование роли микро (мезо) параметров и кинетики элементарных процессов пластической деформации, начиная с мезоструктурного уровня и выше, в формировании и распространении упруго-пластических волн в твердом теле, в динамической прочности материалов и зависимости их механических свойств от скорости деформации в микросекундном диапазоне длительности, а также взаимосвязи структурных параметров с этими свойствами.
Научная новизна.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые: 1 .Проведено комплексное экспериментальное исследование процессов ударного взаимодействия твердых тел и процесса высокоскоростного проникания кумулятивного «ножа» в широком диапазоне скоростей нагружения; 2.Установлены осцилляции и вращения структурных элементов ударного нагружаемых материалов, определены колебательные и вращательные коэффициенты динамической вязкости материалов;
3. У становлено, что пластическая деформация в процессе высокоскоростного проникания кумулятивного «ножа» осуществляется в виде движения совокупности микро (мезо) потоков частиц материала преграды и установлена взаимосвязь глубины проникания КН и толщины разделения преграды с распределением микро (мезо) потоков частиц вещества по скоростям; 4.Разработаны методы определения характеристик динамической трещино-стойкости материалов при скоростях деформации 105... 106 с"1 в условиях нормального отрыва и поперечного сдвига по остановке трещины; 5.Разработаны критерии откольного разрушения материалов с учетом трансляционных и ротационных механизмов динамического деформирования и разрушения при учете распределения мезопотоков частиц материала по скоростям; б.Установлено, что система дефектов, образующаяся в процессе откольного разрушения, является фрактальным кластером мезомасштабного структурного уровня. Разработана фрактально-кластерная модель откольного разрушения; 7.Разработаны модели высокоскоростного проникания кумулятивного «ножа» УКЗ с учетом распределения микро (мезо) потоков частиц материала преград по скоростям и параметров механики разрушения;
8.Разработаны модели распространения пластической волны в твердом теле при его динамическом нагружении, основанные на кинетике дислокаций и дискли-наций.
Практическая ценность и достоверность результатов.
Изложенные в диссертации результаты экспериментальных и теоретических
исследований существенно расширяют представления о физике процессов ди-намического нагружения материалов, а также о механизмах взаимодействия микро и макропараметров процессов пластической деформации в микросекундном диапазоне длительности. Их практическая ценность определяется тем, что:
-разработанные методики расчета процесса высокоскоростного проникания кумулятивного «ножа» в различные преграды внедрены в практику расчетов в подсистеме САПР SU НПО «Краснознаменец»;
-предложенные в процессе выполнения работы и зарегистрированные Госкоми
тетом СССР по делам изобретений и открытий способы определения коэффи-
<щ циента динамической вязкости и динамического коэффициента интенсивности
напряжений при поперечном сдвиге по остановке трещины внедрены в практику при исследовании свойств материалов в Ленинградском филиале института машиноведения АН СССР (Санкт-Петербургский Институт Проблем Машиноведения Российской Академии Наук), ФГУП ЦНИИ Материалов г. Санкт-Петербург, ЗАО «НПО «Специальные материалы» г. Санкт-Петербург; -разработанные критерии откольного разрушения материалов преград и сверхпластичного поведения элементов кумулятивного «ножа» удлиненного кумулятивного заряда могут быть использованы при компьютерном моделировании и разработке новых материалов, а также поиске оптимальных структурных усло-вий динамической сверхпластичности;
-предложенные и зарегистрированные Госкомитетом СССР по делам изобретений и открытий способы изготовления детонирующих удлиненных зарядов с кумулятивной выемкой могут быть использованы в процессе производства детонирующих удлиненных зарядов типа 2ТСн на ФГУП «НПП «Краснознаменец»;
-предложенная и зарегистрированная Госкомитетом СССР по делам изобретений и открытий конструкция электровоспламенителя была реализована в конструкции электровоспламенителя ЭВ-У-5, применяющегося в системе зажигания кислородно-водородного ракетного двигателя объекта «106-4»; -предложенная и зарегистрированная Госкомитетом СССР по делам изобретений и открытий конструкция дискретного удлиненного кумулятивного заряда может быть реализована в системах разделения ракетно-космической техники нового поколения.
Достоверность результатов и выводов достигнута за счет использования современных экспериментальных методов, адекватно отражающих процессы, происходящие в материалах при ударном взаимодействии твердых тел и представлений физики прочности и пластичности и механики разрушения. Исследования опирались на хорошо развитые методики лазерной интерферометрии и составного стержня Гопкинсона, оптической, растровой и просвечивающей микроскопии. Основные результаты подтверждены натурными испытаниями изделий типа 2ТСн и испытаниями по определению откольной прочности материалов в условиях ударного нагружения плоских образцов.
Основные положения, представленные к защите.
1. Экспериментальные результаты исследований поведения материалов при высокоскоростном проникании кумулятивного «ножа», в частности, экспериментальные доказательства:
-осуществления пластической деформации в виде совокупности движения мезопотоков частиц с различной скоростью относительно друг друга; -наличие связи между глубиной внедрения КН и толщины разделения преград с распределением мезопотоков частиц по скоростям.
2.Экспериментальные результаты исследований динамического проведения материалов при высокоскоростном растяжении и ударно-волновом нагружении плоских образцов, в том числе: вращения и колебания структурных элементов материалов.
3 .Методы определения динамической трещиностойкости и вязкости материалов и критерии откольного разрушения с учетом распределения мезочастиц по скоростям и фрактальных свойств систем дефектов, формирующих откольную поверхность.
4.Инженерные модели процесса проникания кумулятивного «ножа» с учетом распределения мезопотоков частиц среды по скоростям и параметров механики разрушения.
5.Фрактально-кластерная модель откольного разрушения материалов с определением откольной прочности и распределения образующихся дефектов по размерам.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: XI, XII Всесоюзных конференциях «Физика прочности и пластичности» (Куйбышев, 1986, 1989), I и II Всесоюзных научно-технических конференциях «Прикладная рентгенография металлов» (Ленинград, 1986, 1990), I Всесоюзной научно-технической конференции «Действие электрических и магнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов» (Юрмала, 1987),Всесоюзной конференции по проектированию боеприпасов (Москва, 1988), Всесоюзном семинаре «Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий» (Новокузнецк, 1988), II и III Республиканских семинарах «Динамическая прочность и трещиностойкость материалов (Киев, 1988, 1991), IV Всесоюзном совещании по детонации (Телави, 1988), I Всесоюзном семинаре «Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 1991), XIII Международной конференции «Физика прочности металлов и сплавов» (Самара, 1992), I и II Международном семинарах «Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах» (Барнаул, 1992, 1994), XI Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Нальчик, 1996), 14th Internation Conference on "Structural Mechanics in Reactor Technology" (Lion, 1997), V Международном семинаре «Современные проблемы прочности им. В.А. Лихачева» (Старая Русса, 2001), XXXVIII семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Санкт-Петербург, 2001), Международном
семинаре «Мезоструктура» (Санкт-Петербург, 2001), Объединенном XXIX семинаре «Актуальные проблемы прочности» и X Московском семинаре «Физика деформации и разрушения твердых тел» (Черноголовка, 2002), XV Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Великий Новгород, 2002), XV Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Великий Новгород, 2002).
Отдельные разделы диссертационной работы докладывались на семинаре лаборатории динамики материалов ФТИ им. А.Ф.Иоффе, семинаре института машиноведения им. А.А.Благонравова (Москва), семинаре лаборатории физики разрушения института проблем машиноведения (Санкт-Петербург), научно-техническом семинаре кафедры «Технология металлов и металловедение» Санкт-Петербургского Института Машиностроения (ВТУЗ-ЛМЗ).
В полном объеме диссертация докладывалась на научно-техническом совете (НТС) ФГУП «НПП «Краснознаменец», на семинаре Института Проблем Машиноведения Российской Академии Наук под руководством академика Н.Ф. Морозова. Публикации.
По теме диссертации опубликовано 57 работ [1-57] и получено 6 авторских свидетельств [58-63], 3 из которых внедрены в научно-производственную практику.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Изложена на 374 страницах машинописного текста, иллюстрирована рисунками и таблицами. Список цитируемой литературы содержит 298 наименований.
Механические свойства материалов при динамическом нагружении
Наиболее приемлемым способом, с точки зрения инженерной практики, по лучения опытных данных для типовых расчетов, является установление связи между стандартными механическими характеристиками и требуемыми параметрами конструкции. Такая связь, если не количественная, то качественная обычно предполагается [94], но сложность ее установления иногда приводила, к практически, полному отказу от поисков подобной связи. Как правило, эта сложность возникает вследствие значительного различия между условиями деформирования образцов и реальной конструкции. Выбор характеристик для установления связей хотя и должен зависеть от характера нагружения, в большей степени определяется простотой и унифицированностью метода испытания. Чаще всего применяется испытание на простое одноосное растяжение или сжатие, в том числе и при высоких скоростях деформации є 10V. Однако, сведения о механических характеристиках при динамическом на-гружении также достаточно разноречивы, что в первую очередь связано с применением разных образцов и методик измерений.
Рассмотрим влияние скорости нагружения на следующие характеристики: предел текучести, предел прочности (временное сопротивление) и относительное удлинение, являющейся в какой-то (большей) степени параметром пластичности.
Предел текучести. В первую очередь речь пойдет об условном пределе текучести при простом одноосном растяжении. Экспериментально установлено, что при нормальной температуре увеличение скорости деформации приводит к по вышению предела текучести для большинства металлов и сплавов. Исключения составляют высокопрочные стали, имеющие статический предел текучести атс 1,55 ГПА [95]. При уменьшении этого предела для сталей, влияние скорости деформации сказывается сильнее. Наиболее интенсивное увеличение динамического предела текучести имеет место при скорости деформации 103... 104с"!, с возрастанием этой скорости увеличение атд замедляется.
В целом же, необходимо отметить, что рассмотренном диапазоне скоростей деформации температурно-скоростная зависимость предела текучести достаточно сложная и во многом определяется конкретными температурно-скоростными условиями нагружения [99].
При скоростях деформации є № с" в условиях одноосного напряженного состояния становится проблематичным поддержание однородности пластической деформации. Детальное исследование данной проблемы провел Г.В. Степанов [82]. В принципе, для этой области скоростей деформирования можно воспользоваться различными экстрополяционными формулами [100,101]. Так, например, В.В. Селивановым предложена для сталей с атс=0,1.. .2,0 Гпа в диапазоне скоростей ё-\О"4... 106с" следующая зависимость атд/ат = 1 + 1пА/1,35аптс, (1.10) где А=1+0,1(3 221пё); п=0,8 при атс 1ГПа; п=2 при сттс 1ГПа А в диапазоне скоростей 106 3-107с"1 авторы [102] предлагают соотношение от=Ає\ (1.11) где А, (3 - const. Еще большую трудность представляет получение данных о динамическом пре-деле текучести в условиях нагружения материалов ударными волнами.
Предел прочности. Экспериментальные исследования динамической прочности при растяжении различных металлов и сплавов позволили установить, что динамический предел прочности (сгвд), как правило, превосходит статический, но эти данные также относятся к диапазону скоростей деформации , 104с"1. Наибольшее повышение временного сопротивления (предела прочности) отмечалось у отожженого литого железа (на 55%). Для различных углеродистых сталей при различной термообработке увеличение составляет от 4 до 43%, для легированных хромоникельмолибденовых сталей от 3 до 31%, для меди от 23 до 38%), для алюминиевых сплавов от 5 до 33%, для магниевых сплавов от 17 до 54%. В некоторых случаях (для хрупких сталей и титановых сплавов [106]) отмечено понижение сувд до 6% по сравнению с свс.
Относительное удлинение. Относительное удлинение 5, наряду с относительным сужением \/, является характеристикой пластичности материалов. Анализ экспериментальных данных по определению влияния скорости дефор мации на относительное удлинение 5 указывает на сложный характер изменения этой характеристики при изменении к.
Как правило, относительное удлинение металлов и сплавов с ростом скорости деформации снижаются. Однако в ряде работ отмечаются отклонения от этого закона. Например, в работе [95] приводятся примеры повышения 5Д для самых различных металлов (меди холоднокатанной более чем в 4 раза, стали SAE1022 холоднокатанной в 2,5 раза, алюминиевого сплава 2S на 30% и т.п.). В работе [110] отмечается, что относительное удлинение повышается с ростом скорости деформации для сплавов на никелевой основе, для высокоуглеродистой стали типа ШХ15.
В модели Леонова- Швайко / 126 / принимается, что скольжение является основным механизмом пластической деформации в сплошной наиально изотропной среде. Рассматривается одна из возможных схем плоекопластической деформации, при которой ее составляющая в направлении одной из осей декартовой системы координат равна нулю. Считается, подобно тому как и в теории скольжения Батдорфа - Будянского, что первые скольжения возникнут в плоскости, в которой максимальное касательное напряжение достигнет некоторого предельного значения Z-% , называемого начальным сопротивлением сдвигу. До этого напряжения среда деформируется упруго и следует закону Г ка.
Методы регистрации пространственно-временных профилей упруго-пластических плоских волн с помощью лазерных дифференциальных интерферометров
Для динамического нагружения плоских мишеней в условиях одноосной деформации обычно используют либо специальные разработанные "линзы" ВВ, либо пневматические пушки различного калибра. Для исследования процессов разрушения при тыльном отколе значительно удобнее использовать второй метод нагружения, поскольку он позволяет весьма точно контролировать (до 1 %) скорость ударника.
В настоящей работе использовалась пневматическая пушка калибра 37 мм. Образцы (мишени) представляли собой плоские шайбы диаметром 52 мм и толщиной 3...15 мм. Общая функциональная схема установки показана на рис.2.1. Она включает камеру высокого давления 1, ствол 3, вакуумную камеру с креплением для юстировки мишени 5. Ударники имели форму "стаканчика", который, как правило, изготавливали из того же материала, что и мишень. В этом случае, как известно, массовая скорость частиц в волне нагрузки в начальный момент времени равна половине скорости полета ударника. Для определения скорости полета ударника измеряли временной интервал между двумя последовательными пересечениями ударником двух лазерных лучей, как это показано на рис. 2.2. Реализуемая в опытах плоскостность соударения составляет не хуже 10"5 радиан (1нс по растяжке фронта упругого предвестника). Погрешность измерения скорости ударника определяется в основном ошибкой измерения расстояния между лазерными лучами и составляет 1%.
Для запуска регистрирующей аппаратуры вырабатываются импульсы, генерируемые схемой, состоящей из источника постоянного тока, емкости и зарядного сопротивления, включенные на вход схемы-обострителя. При закорачивании двух штырей в момент соударения ударника с мишенью вырабатывается импульс, который далее после обработки подается на запуск высокоскоростного осциллографа. Как известно при исследовании процессов динамического деформирования и разрушения одной из наиболее информативных характеристик процесса является временной профиль среднего давления или средней скорости частиц среды. Для регистрации указанных профилей применяется кварцевые, пьезо-керамические, емкостные, диэлектрические и манганиновые датчики, а также лазерные интерферометры. Принцип действия последних основан на явлении изменения частоты отраженного от свободной поверхности мишени лазерного излучения (вследствие эффекта Доплера) при выходе на нее ударной волны. Интерферометрический метод обладает рядом преимуществ по сравнению с остальными: а) не требует колибровки; б) не вносит возмущений в регистрационный процесс; в) безыинерционен. Но одним из наиболее важных достоинств этого метода является возможность получения наряду со средними, макроскопическими характеристиками процесса (это обеспечивают и все традиционные методы перечисленные выше), также и микроскопических характеристик, т.е. таких характеристик, по которым можно судить о течении процессов динамического деформирования и разрушения на микроуровне (более точнее, на мезоуровне).
Сведения о поведении материала на микроуровне, получаемые с помощью интерферометрического метода, носят статистический характер. Это значит, что набор микроскопических характеристик относится не к отдельным элементарным носителям пластической деформации, а к некоторой совокупности частиц. Для описания статистических процессов на микроуровне должна использоваться функция распределения частиц по скоростям, знание которой дает полную информацию о микропроцессах на том или ином масштабном уровне рассмотрения. К сожалению, экспериментальное определение зависящей от времени функции распределения частиц по скоростям в таких быстропроте-кающих процессах, как динамическое деформирование и разрушение материалов пока не представляется возможным. Вместе с тем, для многих практических целей вполне достаточно знать только два момента функции распределения - среднюю скорость частиц и ширину распределения частиц по скоростям или дисперсию скорости частиц. Как оказалось, эти две характеристики можно определить за один акт ударного нагружения материала. Проведем краткий анализ работы лазерного дифференциального интерферометра (рис.2.3) при наличии распределения частиц свободной поверхности по скоростям.
Луч лазера 1, отраженный от зеркально отполированной поверхности мишени 2, на полупрозрачном зеркале 3 расщепляется на два луча, которые затем интерфируют на зеркале фоторегистратора 4, приходя туда по двум путям: первый по ВЖИ, второй - по ВГДИ. Разность между этими путями является длиной плеча задержки интерферометра L3. Если на мишень 2, свободная поверхность которой в результате ударного нагружения движется со скоростью V, направляется луч лазера, имеющего частоту Шо (круговая частота), то в соответст-
вий с эффектом Доплера, частота отраженного сигнала будет равна с точностью до членов второго порядка малости (V/c) , где с - скорость света.
Проведенный в работах [194,195] детальный анализ работы ЛДИ был осно ван на предположении, что свободная поверхность мишени движется как единое целое, т.е. все ее частицы имеют одинаковые скорости. В действительности, однако, скорости отдельных микро- мезоплощадок в пределах поперечного сечения лазерного луча могут существенно различаться. Если скорости частиц мишени, попадающих в пределы лазерного луча, неодинаковы имея некоторый разброс Дії, то отраженный от мишени свет теряет свою монохроматичность и характеризуется уже не единственной частотой излучения со, а некоторым спектром частот шириной Аи и эта взаимосвязь может быть выведена следующим образом.
Исследование свойств материалов при ударном растяжении
В процессе исследований по методике составного стержня Гопкинсона была испытана большая группа конструкционных материалов: сталей различных марок, титановых и алюминиевых сплавов и меди марки М2 [32, 41]. Испытания проводились в диапазоне температур 20...350С, что объясняется невосприимчивостью в данном интервале модуля Юнга стали ЧС4ВЧ (материала стержней) к повышению температуры.
Все результаты испытаний приведены в таблицах 3.5.. .3.9. Анализ результатов для меди марки М2, представленных в таблице 3.5 показывает, что по сравнению со статическими характеристиками (ств— 180Мпа, 85-58%, \/=52%) при нормальной температуре характеристика прочности при динамическом растяжении звд при той же температуре выросла в два раза, во столько же раз (учитывая разницу в образцах) выросли характеристики пластичности 5 и \/. Кроме того обращает на себя внимание факт сверхпластического поведения по деформационной способности металла образца. Этот результат противоречит в какой--то степени общепринятому мнению о снижении с ростом скорости деформации характеристик пластичности материала.
Анализ результатов для стали 12Х18Н10Т, представленных в таблице 3.6 показывает, что характеристики пластичности (5,у) практически постоянны для всего исследованного диапазона температур и не отличаются от таковых при статическом растяжении (5=56%,\/=64%). В отличии от меди марки М2 предел прочности при температуре 150 С резко снижается по сравнению с результатами полученными при температуре 20С, затем его значения незначительно уменьшаются, а при температурах 250 и 350С этот параметр не меняется.
Анализ результатов, приведенных в таблице 3.7 показывает, что предел прочности обеих сталей практически не чувствителен к скорости деформации, что достаточно характерно для малоуглеродистых сталей [110]. В большей степени возрастает относительное удлинение для стали 10, это повышение составляет 100%. Относительное сужение не меняется ни в зависимости от скорости деформации, ни в зависимости от температуры испытаний. При испытаниях сталей марок 40х и 45, были взяты образцы партии металла имеющие низкие характеристики пластичности (см. табл. 3.1) при статическом растяжении 55=7,7% у стали 40Х и 85=13,6% у стали 45. Анализ результатов, представленных в таблицах 3.8 и 3.9 показал, что наиболее чувствительна (с точки зрения предела прочности) к влиянию скорости деформации сталь марки 40Х, а наименее чувствительна - сталь марки 30ХН4М. С точки зрения влияния скорости деформации на изменения пластических свойств наиболее чувствительна сталь Сп.28, а наименее чувствительна - сталь 30ХН4М. Влияние температуры испытаний для всех четырех марок стали сказывается достаточно слабо, однако следует заметить, что, если для сталей 40Х и 45 с ростом температуры относительное удлинение не возрастает, то для сталей Сп.28 и 30ХН4М происходит, хотя и незначительное, но увеличение этой характеристики.
Полученные результаты для ряда материалов (медь, титановые сплавы) достаточно хорошо согласуются с результатами работ других авторов [95], [110], для других испытанных материалов (стали различных марок) есть существенные отличия, связанные с ростом пластических характеристик при увеличении скорости деформации. Суть метода заключается в регистрации при помощи рентгеновской и скоростной фотосъемки скоростей головных Vi и хвостовых V2 элементов струй кумулятивного ножа ДУЗ её начальной 1\ и 62 длины.
Как было отмечено ранее, в этих экспериментах было установлено, что струи имеют переменную, снижающуюся по линейному закону от головной к хвостовой части скорость. Именно за счет градиента скорости происходит растяжение струи и в конечном итоге её разрушение на отдельные фрагменты.
Определение прочности металла струи производится, исходя из гипотезы о равенстве удельной кинетической энергии её продольного относительного движения и удельной работы деформирования до разрушения струи на отдельные фрагменты.
Волнообразование при высокоскоростном проникании
Исследование структур материалов преград является в настоящее время, наряду с математическим моделированием, единственным способом изучения физических процессов, происходящих в толще преграды при высокоскоростном проникании ударников. Это связано с тем, что кратковременность указанного процесса не позволяет визуализировать его с достаточно высокой точностью и надежностью.
Описания структур материалов преград систематизировались по типу кристаллической решетки, а среди металлов с одним типом решетки по механическим свойствам, и для ГЦК металлов ещё и по значению энергии дефекта упаковки (ЭДУ), которая, как известно, оказывает влияние на механизм пластической деформации в металле: путем поперечного скольжения или двойникования. Чем выше величина ЭДУ, тем более высока склонность к появлению механизма поперечного скольжения.
Металлографические исследования проводились с помощью оптической, растровой и просвечивающей микроскопии. Кроме того, для ряда материалов преград были произведены замеры микротвердости [18].
До рассмотрения процессов, связанных с изменением структуры материалов преград, остановимся на эффекте возникновения волнообразного рельефа на поверхности каверны[14]. Он наилучшим образом обнаруживает себя в преградах с конечной глубиной внедрения ПКУ (рис.4.9-4.11). Волнообразный рельеф возникает в материалах преград всех типов: ОЦК, ГЦК и ГПУ решетками. Это говорит об общности рассматриваемого явления.
Как известно, волнообразный рельеф возникает также при сварке взрывом различных материалов при определенных параметрах процесса метания свариваемых пластин [87,221] и при косом внедрении пуль [222].
Детальный анализ профиля рельефа указал на его сходство с таковым, возникающим при сварке взрывом. При амплитуде волны 0,1мм их длина лежит в пределах 0,2.. .0,8мм. Разница по сравнению с волнами, возникающими при плакировании, заключается в том, что при метании взрывом одной пластины на другую образуется волнообразный рельеф постоянной амплитуды и длины волны. В нашем случае параметры волнового профиля постоянны вероятно вследствии замедления ПКУ и увеличения сечения взаимодействия слоя ПКУ с преградой.
Кроме того, в структуре преград, где обнаруживается волнообразный рельеф на поверхности каверны, можно наблюдать линии грубого скольжения и полосы сброса (рис.4.12). Наличие этих полос указывает на ротационную природу пластической деформации вблизи поверхности каверны, когда, вследствие разных скоростей пластической деформации, в микрообъемах материала формируется особая дислокационно-дисклинационная полосовая субструктура с большими внутренними напряжениями, способными в ряде случаев к образованию трещин. Такие волнообразные трещины, возникшие в микрообъемах, прилегающих к поверхности каверны, были обнаружены в алюминии марки А6 (рис.4.12). Хотя более детально возникновение волнообразного рельефа в работе не исследовалось, можно предполагать, что его причина кроется в наличии поверхностных сил трения между подповерхностными слоями материала преграды и ПКУ.
Для испытанных образцов у находилась в диапазоне от 100 до 1100% и хорошо совпадала с результатами работы [223], в которой для хромоникелевой стали в условиях высокоскоростного пробоя пластин автором было получено среднее значение у=572%. На металлографических шлифах на расстоянии 0,2мм от края каверны были обнаружены линии сброса шириной 100.. .200мкм (рис. 4.14), являющиеся, как известно, признаком ротационного характера пластической деформации. С целью выявления равномерности распределения значений пластической деформации и степени упрочнения металла, были произведены замеры микротвердости на приборе ПМТ-3, сделанные при нагрузке 0,5ОН с шагом индентирования 50мкм в перпендикулярном направлении от берега каверны. Как показали результаты, микротвердость монотонно уменьшалась в направлении удаления от края (рис.4.15). Попадание индентора прибора в различные макрополосы приводило к разбросу измеряемой величины, который оказался наибольшим на расстоянии около 450мкм от края каверны. Наименьший разброс в показаниях твердомера приходился на удаление от берега каверны на расстоянии 200мкм и 800мкм. Как видно из угловых зависимостей траекторий макрополос (рис.4.15), на расстоянии около 450мкм наблюдали резкое изменение ориентации полос на образце. Напротив, на расстоянии приблизительно 200 и 800мкм их ориентация была относительно постоянной и равной 45 и 85, соответственно. Поскольку величина микротвердости, измеренная в пределах отдельных микрополос, была постоянной (рис.4.13), то можно утверждать, что уровень микротвердости определялся степенью локализации пластической деформации в пределах отдельной макрополосы, а разброс микротвердости зависел от ориентации макрополос относительно береговой линии каверны.
