Поведение порошковых материалов в условиях двумерного взрывного нагружения Костюков, Николай Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Изучение поведения гетерогенных сред в условиях сильного импульсного воздействия - одно по интенсивно распиваемых научных направлений современной науки. Его возникновение в значительной мере связано с важными практическими приложениями, в частности, возможностью получения новых композиционных материалов путем взрывного компактпрованпя.

Наибольшее число отечественных и зарубежных исследовании посвящено изучению мпкропроцессов, т.е.процессов, обусловленных дискретной структурой среды и протекающих на размерах, сравнимых с масштабом ее неоднородностей. При этом основные результаты достигнуты с использованием простейшего вида нагружения - плоского одномерного. Такие нагружения удобны с точки зрения интерпретации и обобщения полученных результатов, но не имеют серьезного практического применения. В прикладном аспекте предпочтительны двумерные схемы нагружения контактными зарядами взрывчатых веществ, предложенные Рябпниным Ю.Н. в 195G году и получившие дальнейшее развитие в работах Дремпна А.Н., Першина СВ., Ставера A.M. и других исследователей. Интересными н перспективными в практическом плане объектами изучения являются порошковые материалы (ПМ) - неконсолидированные (не имеющие жесткого каркаса) пористые среды, состоящие из контактирующих твердых частиц дисперсностью ^ 10² мкм.

Двумерный характер взрывного нагружения обусловливает неоднородное деформирование компактнруемого материала, возникновение сложной картины макроскопического (по сравнению со средним размером частиц ПМ) течения п, в конечном итоге, образование крупномасштабных неоднородностей в объеме получаемых компактов. Компактпрование композиционных материалов, представляющих собой двух- пли многокомпонентные смеси различных ПМ нли порошковую матрицу с размещенными в ней примесными включениями другого материала в виде волокон, фолы, стержней, гранул и т.д., дополнительно осложняется межкомпонентными взаимодействиями.

Для создания научных основ взрывных технологий и направлен-

ного влияния на свойства получаемых компактов необходимо проведение фундаментальных исследований физической природы п механизмов макропроцессов, протекающих в ПМ в условиях двумерного взрывного пагружения.

Цель работы - изучение общих закономерностей макроскопического поведения ПМ в условиях двумерного взрывного нагруження и зависимости от исходных характеристик (плотности, дисперсности, температуры), параметров нагруженпя, наличия примесных включении и контактных границ с деформируемыми твердыми телами.

Научная новизна. Обобщенный в диссертации цикл исследовании открывает новое научное направление в физике и механике деформируемого твердого тела - изучение особенностей макроскопического поведения неконсолидированных пористых сред в условиях неодномерного импульсного воздействия.

Научное и практическое значение. Результаты проведенных исследований расширяют область знаний о состоянии твердых пористых сред в условиях больших необратимых деформации, значительных градиентов давлений и скоростей и являются необходимым шагом в создании нового раздела механики гетерогенных систем - волновой динамики порошковых композиционных материалов. Они проясняют сложную картину физических процессов, сопутствующих взрывному компактнрованню ПМ, и открывают возможности для направленного влияния на макроструктуру получаемых компактов. Развитые в работе представления о механизмах наблюдаемых процессов положены в основу создания взрывных технологий получения композиционных материалов и изделий для нефтепромыслового, металлургического п металлообрабатывающего оборудования.

Достоверность результатов обеспечивается применением различных экспериментальных методик исследования, сравнением результатов теоретического анализа п численных расчетов с экспериментальными данными, хорошей корреляцией с результатами других авторов, успешным использованием полученных в работе выводов при решении конкретных прикладных задач.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах Института гидроди-

нампкц им. М.А.Лаврентьева СО РАН (руководитель - академик Титов В.М.), Института теоретической и прикладной механики СО РАН (руководитель -профессор Фомин В.М.), Конструкторско-тех-нологического института гпдропмпульсной техники СО РАН (руководитель - профессор Дерибас А.А.), а также на следующих Всесоюзных и Международных симпозиумах, конференциях и семинарах: ІІ-rVII Международных конференциях по обработке металлов взрывом (ЧССР, Марпанске-Лазнп, 1973 п 197G г.г.; Готтвальдов, 1979, 1982 и 1985 г.; Пардубице, 1988 г.), Международной конференции "Высохоэнсргетпческая обработка металлов с применением взрывчатых веществ" (ПНР, Варшава, 1975 г.), Международном симпозиуме "Применение энергии взрыва в металлообработке" (НРБ, Русе. 1979 г.), 1-т-Ш Всесоюзных школах-семинарах по физике взрыва и применению взрыва в эксперименте (Новосибирск, 1977 и 1980 г.г.; Красноярск, 1984 г.), на III Всесоюзном симпозиуме по импульсным давлениям (Менделеево, 1979 г.), Международной конференции по ме-таллофпзичеекпм явлениям при высокоскоростной деформации и пх применению (США, Альбуксрк, 1980 г.), II Всесоюзном совещании по обработке металлов взрывом (Новосибирск, 1981 г.), Всесоюзном семинаре по пластической деформации п актуальным проблемам прочности сплавов п порошковых материалов (Томск, 1982), X Всесоюзной конференции по численным методам решения задач упругости и пластичности (Красноярск, 1987), III Всесоюзной школе-семинаре "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах" (Николаев, 1987 г.) IX и X Международных конференциях по высокоэнер-гетпческому воздействию на материалы (СССР, Новосибирск, 19SG г.; СФРЮ, Любляна, 1989 г.), Международном семинаре по высо-коэнергетпческой обработке быстрозакаленных материалов (СССР, Новосибирск, 1988 г.), Международной конференции по высокоскоростным деформационным явлениям в материалах (США, Сан Диего, 1990 г.), на V Всесоюзном совещании по детонации (Красноярск, 1991 г.) и на II Международном симпозиуме по интенсивным динамическим воздействиям и пх применению (КНР, Ченгду, 1992 г.).

На защиту выносятся следующие основные положення:

1. Экспериментальная методика определения дшіамитескоіі сжимаемости пористых сред на основе ронтгсігаїшпульсной регистрации угловых параметров двумерных ударно-волновых течений. Методы экспериментального определения критических углов наклонного отражения ударных волн, основанные на рентгенопмпульсной регистрации области сжатия за маховской волной п металлографических исследованиях отпечатков на поверхностях мишеней.

2. Экспериментальное обнаружение проникающих перемещений твердых примесных включений в твердофазной ударно-сжатой области ПМ при плотности сжатия близкой к плотности монолитного состояния. Доказательство возможности описания наблюдаемых перемещений в рамках модели вязкой жидкости. Определение эффективной вязкости ПМ в ударно-сжатом состоянии по величине скоростного запаздывания примесных включении, критическим условиям перехода безотрывного режима обтекания к отрывному и характерным размерам вязкого следа.

3. Результаты экспериментальных п численных исследований влиянии пористости и температуры материала на режимы и параметры наклонных ударно-волновых отражений, метод расчета критических параметров отражения в норсагпруюгцпх порошковых смесях. Экспериментальное доказательство изменения состава продуктов взрыва за фронтом отраженной волны в смессвых аммначно-селнтряных взрывчатых веществах.

4. Результаты исследования поведения ПМ на контактной границе с деформируемым твердым телом. Экспериментальное обнаружение эффекта импульсного воздействия на ПМ со стороны твердого тела при ''дозвуковых" скоростях распространения нагрузки вдоль контактной границы. Неизвестные ранее стационарные и нестационарные режимы наклонных отражений ударных волн, обусловленные пластической деформацией приповерхностной зоны твердого тела. Теоретическое н экспериментальное обнаружение усиления амплитуды косой ударной волны в твердом теле с помощью слоя ПМ, экспериментальное доказательство возможности применения порошковых прослоек для увеличения степени взрывного упрочнения твер-

дых тел.

5. Классификация крупномасштабных структурных неоднородно-стсй взрывных компактов на основе особенностей картины двумерного ударно-волнового сжатия ПМ. Экспериментально обнаруженные новые типы неоднородпостей, обусловленные эффектом боковой разгрузки, возникновением поверхностей скольжения, образованием вязкого следа и твердофазным расслоением бинарных порошковых смесей. Инерционная модель расслоения.