Экспериментальные наблюдения волн разрушения при ударном сжатии стекла тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ РАН

На правах рукописи

АБАЗЕХОВ Мурид Мухамедович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ВОЛН РАЗРУШЕНИЯ ПРИ УДАРНОМ СЖАТИИ СТЕКЛА.

Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

РАЗОРЕНОВ С.В.

Нальчик 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................3

Глава 1. Краткие сведения из механики сплошных сред.........................11

Глава 2. Экспериментальная техника возбуждения и регистрации

ударных волн в конденсированных средах...............................41

§2.1. Взрывные генераторы ударной нагрузки.........................................41

§2.2. Методы непрерывной регистрации параметров

ударных волн.....................................................................................52

Глава 3. Особенности деформирования и разрушения стекла

при ударно-волновом нагружении............................................63

§3.1. Обзор литературы.............................................................................63

§3.2. Регистрация и исследование плоских волн разрушения

в ударно-сжатом стекле....................................................................72

§3.3. Откольная прочность стекла и плавленного ...............84

§3.4. Обсуждение результатов...................................................................95

§3.5. Подтверждение полученных результатов

в последующих работах..................................................................103

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................107

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................108

ВВЕДЕНИЕ

Широкое использование в науке и технике высокоскоростного удара, взрывных нагрузок, интенсивного лазерного излучения и мощных корпускулярных потоков делает необходимым прогнозирование результатов таких воздействий на материалы и конструкции. Для этого необходимы сведения о свойствах материалов.

Механические и теплофизические свойства вещества при высоких давлениях и скоростях деформирования исследуются ударно-волновыми методами. Физика ударных волн в конденсированных средах интенсивно развивается в мире начиная с конца второй мировой войны. Основные идеи и принципы в этой области науки, а также первые впечатляющие результаты принадлежат Я.Б. Зельдовичу [1], Л.В. Альтшулеру [2], С.Б. Кормеру [3]. Данный метод исследования свойств вещества основан на возбуждении в нем мощных ударных волн и регистрации их кинематических параметров.

Плоские ударные волпы с интенсивностью в единицы-сотни гига-паскалей генерируются в исследуемых образцах детонацией зарядов конденсированного взрывчатого вещества или высокоскоростным ударом пластины. В первых работах фиксировались базисным методом с помощью электроконтактных датчиков или фоторазвертки скорости ударных волн в веществе и скорости движения свободных тыльных поверхностей образцов или ударников. С привлечением законов сохранения массы, количества движения, энергии и газодинамического

анализа распада разрывов на контактных поверхностях по этим данным определялись величины скачков давления, плотности и энергии в ударных волнах различных интенсивностей, совокупность которых представляет собой ударную адиабату вещества [1]. Исследования ударной сжимаемости широкого круга веществ легли в основу широкодиапазонных уравнений состояния, используемых при решении многочисленных задач физики высоких плотностей энергии, геофизики, астрофизики, физики взрыва и высокоскоростного удара. В настоящее время ударно-волновые нагрузки широко используются в исследовательских целях и для решения ряда технологических задач.

Развитие методологической базы физики ударных волн обеспечило повышение информативности, точности и наглядности измерений. Наиболее содержательные данные могут быть получены путем анализа полных волновых профилей импульсов нагрузки и их изменения по мере распространения. Появление методов манганинового датчика давления [4, 5] дало возможность фиксации волновых профилей во внутренних сечениях металлических образцов. Создание лазерных доплеровских интерферометров [6, 7] обеспечило дальнейшее повышение разрешающей способности и точности регистрации волновых профилей.

Проблемы динамической прочности и разрушения материалов являются одними из наиболее важных с точки зрения прогнозирования результатов интенсивных импульсных воздействий. Эксперименты с ударными волнами позволяют измерить динамический предел текучести и

динамический предел прочности материала на разрыв. Измерения динамического предела текучести основаны на том факте, что, из-за изменения продольной сжимаемости упруго-пластической среды при переходе через предел упругости, в волнах сжатия и разрежения выделяются так называемые упругие предвестники. Амплитуда упругого предвестника определяется величиной предела текучести и значениями модулей сдвига и объемного сжатия, следовательно измерение этой величины есть фактически измерение динамического предела текучести. Измерения динамической прочности материалов на разрыв основано на анализе от-кольных явлений. Известно, что после отражения плоской волны сжатия от свободной поверхности конденсированного тела внутри него генерируются растягивающие напряжения, которые могут привести к его разрушению с образованием откольной пластины. Исследования откольных явлений дают информацию о сопротивлении материалов разрушению в условиях высокоскоростной деформации, что и определяет, в основном, их практическую значимость.

В материалах различных классов возможны различные типы разрушений. Хрупкие материалы, такие, как стекла, керамики, минералы, могут растрескиваться как при растяжениии, так и под действием негидростатических сжимающих напряжений, а также в результате сдвига. Для пластичных материалов преобладающим является разрушение отрывом под действием растягивающих напряжений. В том и другом случае импульсный характер нагрузки придает некоторые специфические

особенности динамическим разрушениям. Кратковременность воздействия при ограниченной скорости передачи информации приводит к тому, что инициирование разрушения на отдельных, наиболее крупных дефектах не является определяющим для процесса в целом. По этой причине обычно весьма ограничена роль поверхности тела: динамические разрушения, как правило, происходят путем зарождения, роста и слияния многочисленных трещин или пор, рассеянных в объеме материала. При этом реакция материалов на нагрузку имеет локальный характер в том смысле, что деформация и разрушение в каждом элементарном объеме среды происходят под действием приложенных сил независимо от состояния окружающего вещества. С учетом многочисленности очагов пластической деформации и разрушения это означает, что данные процессы могут быть описаны континуальными определяющими соотношениями. Существует, однако, класс задач, связанных с распространением трещин в хрупких материалах, где это приближение неприменимо.

Знание особенностей деформирования хрупких материалов при ударном нагружении необходимо для анализа действия взрыва в горных породах, разработки и оценки эффективности новых средств защиты от высокоскоростного удара и других интенсивных импульсных воздействий, разработки новых технологий взрывной или лазерной обработки твердых материалов. Между тем экспериментальной информации о сопротивлении высокоскоростному деформированию за пределом упругости и разрушению и механизмах этих процессов для подобных материалов

совершенно недостаточно. Известные работы по исследованию ударной сжимаемости кварца [8], сапфира [9,10] и твердых керамических материалов [11,12] покаавают, что за пределом области упругого деформирования ударные адиабаты этих материалов приближаются к расчетной или экстраполированной по гидростатическим измерениям кривой всестороннего сжатия или даже совпадают с ней. Отсюда делается вывод о том, что за пределом упругости хрупкие материалы раздавливаются на отдельные слабосвязанные между собой частицы и при дальнейшем деформировании такая среда ведет себя жидкоподобно. Данных поведении таких материалов в волнах разрежения и их прочности на разрыв нет.

Целью диссертационной работы является изучение особенностей динамического разрушения стекол, как модельных хрупких материалов, в плоских волнах сжатия и разрежения. С этой целью проведены эксперименты по зондированию ударно-сжатых образцов волнами разрежения и измерениям их откольной прочности. В результате проведенных измерений профилей скорости свободной тыльной поверхности образцов стекла и плавленного кварца было обнаружено отражение волн разрежения от границы новообразованного слоя в ударно-сжатом стекле. Внутри этого слоя материал обладает повышенной сжимаемостью и практически не имеет прочности на разрыв, откуда следует, что материал внутри новообразованного слоя находится в разрушенном, раздробленном состоянии. Толщина разрушенного слоя в напряженном

материале возрастает со временем, причем разгрузка напряженного состояния останавливает процесс роста. Это явление охарактеризовано как образование волн разрушения в гомогенных хрупких материалах.

Актуальность работы определяется потребностью в информации о прочностных свойствах и особенностях поведения пластичных и хрупких материалов для прогнозирования действия взрыва, высокоскоростного удара, мощных импульсов излучения и корпускулярных потоков.

На защиту выносятся:

Результаты зондирования ударно-сжатых стекол волнами разрежения и обнаруженные данным методом плоские волны разрушения. Результаты измерений откольной прочности стекла, плавленного кварца и закаленной стали. Показано, что в силу высокой внутренней однородности объемная динамичская прочность стекол на растяжение в области, не затронутой волной разрушения, превышает прочность стали.

Новизна и научная значимость результатов.

Впервые экспериментально зафиксированы плоские волны разрушения в хрупких материалах. Это явление обнаружено в стекле, сжатом плоской упругой волной при напряжениях, близких к динамическому пределу упругости. Волна разрушения представляет собой сетку трещин сдвига, инициированных на поверхности напряженного тела и распростаняющихся внутрь него. За фронтом волны разрушения материал теряет сдвиговую и объемную прочность. Этот процесс не связан с фронтом исходной волны сжатия и является примером нелокальной

реакции материалов на нагрузку. Показано, что образование волны разрушения следует учитывать при планировании и интерпретации измерений динамической прочности стекла на разрыв. Образование волн разрушения в ударно-сжатых стеклах получило впоследствие экспериментальное подтверждение в работах американских, английских и немецких исследователей.

Практическая ценность работы.

Результаты исследований динамических разрушений стекла могут составить основу нелокальных континуальных моделей рассеянного хрупкого разрушения, а также быть использованы для оценки прочности оптических систем, в частности - лазерной оптики, работающих в условиях интенсивных импульсных воздействий.

Экспериментальная часть работы выполнена в Институте Проблем Химической Физики РАН в Черноголовке.

Апробация работы и публикации.

Результаты диссертационной работы опубликованы в отечественной и зарубежной печати [13-17] и докладывались на IV Всесоюзном совещании по детонации, Черноголовка, 1988, Всесоюзном семинаре "Динамическая прочность и трещиностойкость конструкционных материалов", Киев, 1989, Всесоюзной конференции по уравнениям состояния вещества, Нальчик, 1989, а также на семинарах Кабардино-Балкарского Государственного университета и Института Проблем Химической Физики РАН в Черноголовке.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В первых двух главах приведены краткие сведения из механики сплошных сжимаемых сред в объеме, необходимом для понимания основного содержания диссертационной работы, и описаны методы возбуждения и регистрации ударных волн в конденсированных средах, использовавшиеся в проведенных экспериментах. Основное содержание диссертационной работы изложено в третьей главе, где описаны проведенные экспериментальные исследования и представлен анализ полученных результатов и литературных данных. В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.

ГЛАВА 1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ

В данной главе приведены сведения об основных параметрах состояния и законах движения сплошных сжимаемых сред в той мере, в какой это необходимо для обсуждения динамических экспериментов. Исчерпывающее изложение основ механики сплошной среды можно найти в ряде монографий и учебников, например, в [1, 18-21].

Для обсуждения экспериментов с ударными волнами достаточно рассмотреть одномерное движение вещества, так как именно в этой наиболее простой для анализа постановке проводится большинство измерений. Так как регистрация кинематических параметров ударно-волнового процесса в конденсированной среде осуществляется, как правило, для выделенных материальных сечений образца, анализ волновых процессов удобно вести в субстанциональных координатах Лагранжа, связанных с веществом. Будем использовать в качестве лагранжевой координаты Ь пространственную координату х частицы в начальный момент времени:

где р, ро - текущая и начальная плотность вещества. Частные производные по времени I и координате Ъ будем обозначать как — и —, а

ей дЬ.

производные функций Г вдоль выделенных направлений Ъ(1) как:

СРЕД.

о Ро

си ~ си аь <и ' <ш ~ аь а

В пренебрежении вкладами девиаторных напряжений и процессов релаксации движение сжимаемой среды описывается системой уравнений в частных производных, выражающих фундаментальные законы сохранения массы, импульса и энергии, которая дополнена уравнением состояния вещества [1]:

ЗУ Зи Зи Зр де дУ п 1Л

31 дп дп дп д1

где и - массовая скорость вещества, г - его удельная внутренняя энергия. Для одномерного движения введем понятие лагранжевой скорости звука а, которая связана с истинной скоростью звука с (скоростью звука в лабораторной системе координат) простым соотношением:

Р Р

а = — с =

/ ^ \

др

Ро

При плоском изэнтропическом движении сжимаемой среды существуют два семейства характеристик, которые описываются уравнениями:

сШ <111

— = а, — = -а (1.2)

(11 &

и называются соответственно С+ и С. -характеристиками. Характеристики С+ и С. описывают траектории распространения (в координатах расстояние - время) слабых возмущений в веществе. Третье семейство - Со -характеристики, которые представляют собой линии тока с!х/ск=и.

Изменения состояния вещества вдоль характеристик описываются интегралами Римана:

где ио , ро - константы интегрирования, фиксирующие положение траектории изменения состояния вдоль данной характеристики на плоскости р, и. Произведение роа = рс = dp/du есть динамический импеданс вещества. Используется также понятие "динамическая жесткость", под которой понимается произведение рс2 .

Движение сжимаемой среды, при котором все возмущения состояний распространяются в одном направлении, есть простая или бегущая волна. В простой волне состояния вдоль характеристик, направленных в сторону распространения волны, неизменны, а все состояния вдоль любой другой траектории на плоскости x,t описываются единой зависимостью р(и), соответствующей инварианту Римана противоположного знака. Примером простой волны является волна разрежения в однородно сжатой среде.

На рис. 1 показана диаграмма расстояние х - время t для случая движения сжатой среды под действием выдвигающегося поршня. До момента t=0 покоящаяся среда с постоянной плотностью, давлением и скоростью звука занимает полупространство, ограниченное слева неподвижным поршнем. В момент t=0 поршень начинает двигаться влево,

вдоль С+ ;

вдоль С-

(1.3)

постепенно ускоряясь от нулевой скорости до некоторой постоянной величины. Движение поршня вызывает образование простой волны, бегущей по веществу направо. Голова волны, то есть начальное возмущение от поршня, распространяется со скоростью звука с относительно вещества вдоль С+ характеристики ОА и имеет на диаграмме хЛ наклон сШёх=1/с. На границе с поршнем скорость среды совпадает со скоростью поршня, которая, начиная с момента 1=0, отрицательна. Кроме того, расширение вещества при выдвижении поршня сопровождается уменьшением давления и скорости звука в нем. По этой причине наклон последующих С+ -характеристик оказывается большим, чем наклон линии ОА. На участке ускорения поршня образуется веер расходящихся С+ -характеристик. Область течения, заключенная между характеристика