Моделирование распространения и взаимодействия ударных волн при неодномерном взрывном нагружении металлических шаров по остаточным изменениям микроструктуры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Российская Академия Наук

Уральское Отделение Институт физики металлов

На правах рукописи

Хейфец Алексей Эдуардович

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УДАРНЫХ ВОЛН ПРИ НЕОДНОМЕРНОМ ВЗРЫВНОМ НАГРУЖЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШАРОВ ПО ОСТАТОЧНЫМ ИЗМЕНЕНИЯМ

МИКРОСТРУКТУРЫ

01.04.07. - Физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор .физ.-мат. наук. В.И. Зельдович

Екатеринбург, 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................................................................4

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР..................................................................................................................................................9

1.1. Исследование свойства конденсированных веществ при высоких

динамических давлениях. Исторический обзор публикаций..............................9

1.2 Общие сведения об ударных волнах............................................................................................................19

1.2.1 Распространение ударной волны и ударная адиабата Гюгонио..........................19

1.2.2. Косые ударные волны...........................................................................................................21

1.2.3. Взаимодействие ударных волн....................................................................................................................................23

1.2.4. Ударные волны в твердых телах................................................................................................................................26

1.3 Влияние высоких статических и динамических давлений на полиморфные превращения в сплавах на основе железа................................................32

1.3.1. Фазовые переходы в железе, вызванные действием статического и динамического давления........................................................................................................................................................33

1.3.2. Структурные изменения, вызванные действием высоких давлений..........40

1.4. Явление кумуляции энергии............................................................................................................................................41

1.4.1 Кумулятивные струи......................................................................................................................................................................43

1.4.2. Сходящиеся ударные волны..........................................................................................................................46

1.5. Нагружение металлических шаров сходящимися сферическими и квазисферическими ударными волнами......................................................................................................51

1.6. Постановка задачи исследования............................................................................................................................53

2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УДАРНЫХ ВОЛН В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШАРАХ......................................................................................................................................56

2.1. Методика проведения экспериментов........................................................................................................56

2.2. Некоторые особенности рассматриваемых задач. Вводные

замечания..........................................................................................................................................................................................................57

2.3. Ударное нагружение стального шара диаметром 40 мм......................................60

2.3.1 Микроструктурные исследования, микротвердость и изэнтропы

разгрузки......................................................................................................................................................................................60

2.3.2. Расчеттрехволновых конфигураций..........................v..........................................................75

2.4. Ударноволновые процессы в стальных образцах диаметром 60 мм............86

2.4.1. Экспериментальное исследование и компьютерное моделирование регулярного взаимодействия сходящихся ударных волн..............................................86

2.4.2. Периодический характер фазового превращения в стали при отражении сходящихся ударных волн от центра фокусировки..........................101

2.5. Квазикубическое ударноволновое нагружение стального шара диаметром 90 мм.................................................................................'................111

Заключение..........................................................................................................................................................................................................................122

Литература...........................................................................................................................................................................................126

Приложение....................................................................................................................................................139

ВВЕДЕНИЕ

Распространение ударных волн в конденсированных средах интенсивно исследуется в/ с конца сороковых годов. Основной интерес исследований первоначально был связан с научной и практической потребностью в установлении уравнений состояния веществ при высоких (мегабарных) давлениях. Широкодиапазонные уравнения состояния и сейчас остаются одной из центральных проблем физики высоких плотностей энергии, однако за прошедшее время накоплены также обширные сведения о физических процессах и явлениях, сопровождающих ударноволновое сжатие конденсированных сред. Как известно, в мощных ударных волнах, помимо быстрого сжатия вещества до высоких давлений и его адиабатического разогрева, с чрезвычайно высокой скоростью протекают процессы упруго-пластической деформации, разрушения, полиморфных и фазовых превращений, химические реакции, явления электрической поляризации, ионизации и другие физические и химические явления. Таким образом, ударноволновое нагружение конденсированных сред позволяет исследовать фундаментальные свойства вещества в экстремальных условиях.

Анализ публикаций по данной теме свидетельствует, что исследования поведения вещества в ударных волнах ориентированы главным образом на прогнозирование отклика материалов на интенсивные динамические воздействия, такие, как высокоскоростной удар, взрыв или импульсы мощного лазерного излучения. В то же время, накопленные в физике ударных волн опыт, методические разработки, результаты проведенных исследований и новые представления о поведении вещества при интенсивных кратковременных воздействиях, явились существенным вкладом в физику твердого тела, физику плазмы, физику прочности и пластичности, теорию полиморфных превращений, химическую физику.

В настоящее время появляются и развиваются новые технологии с применением взрыва, импульсных лазеров и других импульсных источников

*

энергии. Увеличение сложности проводимых экспериментов с целью получения необычных динамически изменяющихся условий нагружения предъявляет новые требования к пониманию процессов, происходящих при распространении в материале ударных волн со сложной геометрией фронта. Именно поэтому изучение воздействия ударных волн со сложной геометрией фронта на металлические материалы представляет интерес, не только чисто научный, но и практический, с точки зрения нескольких областей знания одновременно.

В результате мощного импульсного воздействия в металле , могут возникать такие структурные изменения, которые в обычных (статических) условиях оказываются недостижимыми. Следовательно, помимо экспериментального исследования и теоретического описания свойств металла при сверхвысоких давлениях, открывается дополнительная возможность

создания новых материалов. С другой стороны, анализ результатов

хг

ударноволнового воздействия на образец позволяет сделать выводы относительно характера ударноволнового движения, процессов взаимодействия ударных волн и кумуляции энергии.

При проведении опытов такого типа очень важно предохранить образец от разрушения, поэтому при постановке экспериментов важную роль играют прочностные характеристики исследуемых материалов. С этой точки зрения, металлы и их сплавы, такие как сталь, сочетающие в себе высокую прочность с достаточно высокой пластичностью, предоставляют исключительную возможность для исследования.

Свойства металлов и сплавов тесно связаны с их структурой, поэтому большое значение имеет установление связи между структурными изменениями и параметрами ударно-волнового воздействия (давление, степень сжатия, остаточная температура). В некоторых случаях по остаточным изменениям микроструктуры можно ответить на ряд вопросов, возникающих при изучении ударно-волнового движения с позиций гидро- и газодинамики при сложной геометрии нагружения.

Таким образом, проблема распространения ударных волн в металлических материалах является актуальной и интересной темой как фундаментально-научных, так и прикладных исследований.

Данная работа посвящена анализу распространения и взаимодействия ударных волн в металлических образцах, подвергнутых трехмерному (в частности, додекаэдрическому) ударноволновому нагружению. Конкретными целями работы являлись:

1. Изучение результатов воздействия сходящихся ударных волн со сложной конфигурацией волнового фронта на материал образца методами физического материаловедения.

2. Воссоздание картины ударноволнового движения с помощью математического (компьютерного) моделирования на основании полученных экспериментальных данных.

Попутно был поставлен вопрос об общей методике проведения исследований подобного рода.

Для достижения поставленных целей было необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать особенности макро- и микроструктуры сохраненных образцов.

2. На основании результатов металлографического исследования и измерений микротвердости нагруженных образцов установить тип взаимодействия ударных волн (возможные ответы: регулярный либо маховский) в каждом конкретном случае.

3. Определить "область влияния" начальных условий нагружения (Этот пункт будет подробно обсуждаться в других разделах настоящей работы).

4. Установить наличие либо отсутствие кумуляции энергии (в каждом конкретном случае).

5. Разработать модели, описывающие исследуемые ударноволновые процессы, на основе полученных экспериментальных данных.

6. Рассчитать (в тех случаях, где это возможно) термодинамические параметры ударноволнового воздействия, воссоздать картину ударноволнового движения и объяснить наблюдаемые макро- и микроструктурные изменения в материале образцов.

Научная новизна данной работы связана прежде всего с особенностью экспериментов по ударноволновому нагружению металлических шаров. Эксперименты проводились сотрудниками Российского Федерального Ядерного Центра РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск) под руководством академика Б.В.Литвинова. Специальное оборудование, разработанное во ВНИИТФ для проведения опытов по сферическому и квазисферическому нагружению образцов сходящимися ударными волнами высокой (до нескольких мегабар) интенсивности, не имеет аналогов в мире. В связи с этим, новыми являются и некоторые методы исследования нагруженных образцов, и способы описания наблюдаемых явлений. Оригинальность проведенных в Снежинске экспериментов позволила получить несколько необычные (и новые) результаты, такие как след маховской трехволновой конфигурации в металле, пространственно-периодическое (полосчатое) фазовое превращение в стали. Эти и другие эффекты будут подробно обсуждены в соответствующих главах.

По результатам работы было опубликовано 16 печатных трудов. Основные материалы, изложенные в работе, были доложены и обсуждены на:

1. IV Международной конференции "Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике" (Казань-Новосибирск, 1995);

2. Международной конференции "IV Забабахинские научные чтения" (Снежинск, 1995);

3. International conference "Shock compression of condensed Matter"(Seattle, USA, 1995);

4. XI симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1996);

5. IX Международной конференции "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах" (Тула, 1997);

6. Международной конференции "V Забабахинские научные чтения" (Снежинск, 1998);

7. XXVII Международной зимней школе-симпозиуме физиков-теоретиков "Коуровка-98" (Кыштым, 1998);

и опубликованы в журналах:

1. Доклады Академии Наук, 1995, т.343, N5, с. 621-624.

2. Известия Академии Наук, Серия физическая, 1998г. т.62, №7, с.1303-1309.

3. Письма в ЖЭТФ, 1998,т.67, Вып. 9-10, с.803-807.

Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и приложения.

Работа содержит 242 страниц, включая-74' страниц приложения, 37 рисунков и две таблицы. Список использованной литературы содержит 116 наименований.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Исследование свойства конденсированных веществ при высоких динамических давлениях. Исторический обзор публикаций. С середины 50-х годов в научной печати начали публиковаться работы, связанные с исследованием свойств различных веществ при высоких плотностях энергии. Практическая реализация необходимых условий исследования стала возможной благодаря использованию сильных ударных волн как способа воздействия на вещество.

Первые сообщения на эту тему сделаны в журналах США сотрудниками Лос—Аламосской национальной лаборатории; в 1958 г. появились публикации советских исследователей в отечественных научных изданиях. Этими исследованиями было открыто новое направление в физике ударных волн и экстремальных состояний вещества.

За прошедшие годы получена обширная информация, охватывающая различные аспекты этого направления. Она содержится в многочисленных периодических изданиях, сборниках материалов конференций и симпозиумов различных лет. За прошедший период многие материалы стали почти библиографической редкостью и труднодоступны для специалистов, занимающихся вопросами воздействия ударных волн на вещество. Вместе с тем, интерес к результатам исследований, в том числе к первичным экспериментальным данным и их интерпретации, методическим приемам, постановке опытов, моделям описания поведения веществ и т. д. не снижается, поскольку в современных отраслях науки и техники возрастающее применение для решения научных и практических задач находят процессы, протекающие при высоких концентрациях энергии. Поэтому представляется целесообразным проделать более подробный анализ литературы, охватывающей круг вопросов, несколько выходящих за рамки темы настоящей работы.

Очевидно, что невозможно в одном обзоре представить все результаты многочисленных и разнообразных исследований. Выбор библиографии по этой

причине ограничен тематикой уравнений состояний и, в основном, только экспериментальными работами.

В становление и развитие исследований по рассматриваемой тематике внесли крупный вклад многие группы исследователей и отдельные .ученые. Особую роль, несомненно, сыграли работы академика Я. Б. Зельдовича и профессора JI. В. Альтшулера.

Начало измерений сжимаемости веществ с помощью ударных волн относится к 1946 г., когда в рамках государственной атомной программы были развернуты работы по уравнениям состояния веществ. Эти уравнения, объединяющие функциональной связью термодинамические величины — энергию (или температуру ударного сжатия), давление и плотность — необходимы для замыкания системы уравнений движения сплошной среды, используемых при математических расчетах отрабатываемых конструкций. В основе построений уравнений состояния лежат экспериментальные данные по ударной сжимаемости веществ, которые определяют связь давления с плотностью и энергией — ударную адиабату. Методы, позволяющие найти эту связь через кинематические параметры ударной волны, — скорость фронта и скорость течения вещества за фронтом — были предложены к обоснованы в работах Л. В. Альтшулера, К. К. Крупникова и их сотрудников [1,2].

Исходя из поставленных целей, в первые годы исследовались практически только элементы и, главным образом, металлы.

Уже в 1947 г. ударная сжимаемость железа и урана была изучена до давлений 40 и 50 ГПа, а в следующем году — до 350 ГПа. К 1952 г. потолок давлений для тяжелых металлов был поднят до 900-1000 ГПа. Однако из-за необходимости учета при обработке экспериментальных данных недостаточно надежных расчетных поправок (в частности, разогрева ударника) полной уверенности в достигнутой точности регистрируемых величин не было. Устранение недостатков потребовало конструирования специальных «безнагревных» систем, обесйечивающих плавный квазиизэнтропический

разгон ударника. Уточненные результаты по четырем металлам приведены в работе [3]. Данные при максимальных давлениях около 900 ГПа. на «безнагревных» измерительных системах для многих металлических элементов периодической системы получены в 1960 г.; ряд из них был опубликован в статье [4].

Максимальные давления при ударном сжатии тяжелых металлов в лабораторных условиях ~1.3 ТПа были получены так называемым абсолютным методом в середине 50-х годов на предельных режимах работы специальных измерительных устройств. Дальнейшее продвижение по шкале давлений в область еще больших их значений, труднореализуемое в лабораторных условиях, легко осуществляется при использовании сильных ударных волн, возникающих при подземных ядерных взрывах. Такова логика развития: исследования, первоначальной задачей которых являлось получение зависимостей, используемых при конструировании зарядов, теперь использовали энергию этих зарядов для своего дальнейшего прогресса.

В 1966 г. проведены первые результативные измерения сравнительной сжимаемости системы РЬ—Ре—и при давлениях 4 ТПа. В дальнейшем мак�