Определяющие факторы откольного разрушения твердых тел в плоских ударных волнах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Г Г : >'

.10 о

2 7 0 Кт 1998

На правах рукописи РАЗОРЕНОВ Сергей Владимирович

ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ ОТКОЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В ПЛОСКИХ УДАРНЫХ ВОЛНАХ

Специальность 01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск 1998

Работа выполнена в Институте проблем химической физики РАН, г. Черноголовка.

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Канель Г. И. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Мещеряков Ю. И., доктор физико-математических наук, профессор Платова Т. М., - - доктор физико-математических наук, Белов Н. Н.

Ведущая организация: Институт химической физики им. Н. Н. Семенова, г. Москва

Защита состоится « ^^ » г. в 14 час. 30 мин.

на заседании диссертационного Совета Д 003.61.01 при Институте физики прочности и материаловедения СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, .пр. Академический, 2/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики прочности и материаловедения СО РАН.

р *7

Автореферат разослан , 'Э « (РкУГЛ^Я_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Д 003.61.01 профессор, доктор физико-математических

. Н. Кульков

© Институт проблем химической физики РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 оборонной 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 данные-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.

1. Метод генерации коротких импульсов сжатия с помощью метания тонких фольг ударной волной. Физический предел применимости лазерных измерителей скорости.

2. 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.

3. Метод и результаты исследования краевых эффектов при от-кольном разрушении. Энергетический критерий отрыва откольного элемента.

4. 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 фольг 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 от термофлуктуационного к атермическо-му надбарьерному скольжению дислокаций.

Предложены способы регистрации профилей скорости поверхности при повышенных температурах как в результате нагрева материа-

ла ударной волной, гак п н предвари гельпо нагретых образцах. Показано. что величина разрушающих напряжений при отколе в свинце, олове, поликристаллических образцах алюминия, магния и монокристаллах цинка остается практически неизменной с ростом температуры до 0,9-0,9.5 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 дли гельностей наг рузки. 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-метеоритной 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,X,XI 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-Петёрбург, 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

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, в котором приведены основные результаты и .выводы, а также списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 243 страницы и включает 232 страницы текста с вставленными в него 89-ю рисунками, 12 таблиц и 202 библиографические ссылки.

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, выбор метода исследования, излагаются цель и задачи диссертации, перечислены положения, выносимые на защиту, и полученные в диссертации новые результаты, обоснованы их достоверность и практическая и теоретическая значимость, а также дана краткая аннотация содержания диссертации.

В первой главе диссертации приведены краткие сведения из механики сплошных сред, необходимые для понимания особенностей распространения ударных волн и волн разрежения в твердых телах. Описаны особенности формирования волн сжатия в упругопластических. телах и материалах, претерпевающих в ударных волнах полиморфные превращения. Там же представлено описание откольного разрушения твердых тел под действием растягивающих напряжении. Подробно проанализированы волновые взаимодействия при отколе. Кратко описаны существующие методы определения динамической проч--ности твердых тел. Обоснован применяемый в данной работе метод измерений динамической прочности, основанный на регистрации профилей скорости поверхности исследуемых образцов, и описан способ определения критических напряжений при отколе из профилей скорости свободной или контактной поверхности с учетом упругоплас-тического поведения материалов.

Во второй главе диссертации подробно описаны методы генерации ударных волн различной амплитуды и длительности с помощью взрывных устройств и импульсных ионных пучков, а также методы непрерывной регистрации профилей скорости свободных или контактных поверхностей ударно-сжатых образцов с помощью емкостного датчика и лазерных допплеровских измерителей скорости.

Основная часть измерений была выполнена с использованием специальных взрывных устройств. В качестве плосковолнового генератора использовались конические взрывные линзы диаметром 100 мм. Импульсы ударной нагрузки различной длительности создавались ударом пластин-ударников толщиной от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров. Разработаны различные устройства взрывного метания плоских пластин-ударников в диапазоне скоростей удара от 0,5 до 5,3 км/с. Схема метания плоских ударников с помощью заряда ВВ показана на рис.1. Использование различных Модификаций такого взрывного устройства позволяет метать плоские металлические ударники толщиной от 2 до 10 мм со скоростями 1 - 5,3 км/с.

Для снижения скорости метаемых пластин отработан метод их ускорения метания ударной волной. Схема такого устройства приведена на рис.2. Из-за различия динамических жесткостей материалов ослабителя и ударника последний при выходе ударной волны на его тыльную поверхность приобретает большую скорость, чем ослабитель, и отделяется от него. Скорость ударников может варьироваться как изменением состава ВВ во взрывной линзе, так и применением пластин-ослабителей из материалов с различной динамической жесткостью. Такие устройства могут быть использованы для ускорения весьма тонки? ударников - фольг или пленок, чем обеспечивается получение коротких импульсов ударной нагрузки. В данной работе с помощью таких устройств осуществлялся разгон алюминиевых пластин или фольг толщиной 0.2-4 мм со скоростями в диапазоне 450-700 м/с. В качестве пластин-ослабителей использовались стальные или медные диски толщиной 20 мм.

При отработке устройств ударно-волнового метания было обнаружено, что при уменьшении толщины метаемой пластины до величины, соизмеримой с шириной фронта ударной волны сжатия, ее скорость также уменьшается вследствие неполной передачи импульса. Амортизирующая прокладка из материала с малым динамическим импедансом между ослабителем и ударником изменяет режим отражения волны разгрузки и тем самым предотвращает откольное разрушение ударника.

Рис.1. Схема метания взрывом плоских ударников: 1- взрывная линза; 2 - промежуточный заряд ВВ; 3 - фокусирующее кольцо; 4 - метаемый ударник; 5 - образец.

Рнс.2. Низкоскоростное метание плоских пластин ударной волной: 1 - взрывная линза; 2 - толстая пластина- ослабитель; 3 - "амортизирующая" прокладка из материала с малым динамическим импедансом; 4 - метаемая пластина-ударник.

Для генерации коротких мощных импульсов сжатия в конденсированных мишенях использовался импульсный ускоритель легких ионов "KALIF" (KArlsruhe Light Ion Facility), имеющий энергию протонов -1.7 Мэв, мощность пучка -0.2 ТВт/см2 при размере фокально-го'пятна ~8 мм, длительность импульса - 40 не. Формирование ударных волн в образцах осуществлялось двумя путями - прямым воздействием пучка на мишень, что вызывает образование волны сжатия длительностью 50-100 не или разгоном алюминиевых фольг толщиной несколько десятков микрон, что позволяло формировать в образцах импульсы сжатия длительностью ~1-10 не.

Для регистрации профилей скорости свободных и контактных поверхностей исследуемых образцов в работе использовались метод емкостного датчика и несколько вариантов лазерных интерферомет-рических измерителей скорости.

Большая часть измерений в данной работе была выполнена с помощью лазерных допплеровских измерителей скорости. Высокое пространственное разрешение этих методов обеспечивается тем, что зондирующее излучение лазера фокусируется на исследуемом образце в пятно диаметром ~0,1 мм. Минимальное регистрируемое время нарастания во фронте ударной волны при фиксации интерференционных биений электронными фотоумножителями составляет в настоящее время 1-2 наносекунды. При использовании оптической регистрации интерференционной картины с помощью высокоскоростного электронно-оптического преобразователя вре-

менное разрешение данной методики достигает субнаносе^ундно-го уровня (~0.3 не).

В данной работе для регистрации профилей скорости свободных или контактных поверхностей ударно-нагруженных образцов использовались оптически симметричные двухлучевые лазерные интерферометры как с электронной ("VISAR" - Velocity Interferometric System for Any Reflection), так и с оптической ("ORVIS" - Optic Recording Velocity Interferometric System) фиксацией интерференционных биений. Часть экспериментов была выполнена с модернизированным интерферометром ORVIS, позволяющим регистрировать профили скорости поверхности вдоль определенной линии на поверхности образца.

На рис.3 приведена схема лазерного допплеровского измерителя скорости VISAR. Измерение скорости отражающей поверхности проводится путем регистрации периодических изменений интенсивности (биений) при интерференции двух лучей когерентного света, отраженного от поверхности в разные моменты времени. Регистрируемые, фотоприемниками биения интенсивности имеют частоту, пропорциональную ускорению отражающей поверхности. Для надежной фиксации изменений знака ускорения при немонотонном движении образца в приборе предусмотрена система поляризационного кодирования, благодаря которой значения скорости отражающей поверхности однозначно определяются в каждый момент времени.

В качестве источника зондирующего излучения в интерферометре использовался одночастотный ионный аргоновый лазер с внутрире-зонаторным эталоном, имеющий мощность непрерывного излучения на длине волны 514.5 нм до 1 Вт. Линия задержки представляет собой блок стекла ТФ1, ТФ5 или К8 длиной 100-300 мм, чему соответствуют постоянные интерферометра от 80 до 560 м/с на биение. Для фиксации интерференционной картины использовались быстродействующие фотоумножители с временным разрешением 1-2 не, показания которых регистрировались либо аналоговыми осциллографами с полосой пропускания не менее 200 МГц, либо цифровым запоминающим осциллографом "Tektronix TDS-744A", имеющим разрешение 2 не на точку. В результате компьютерной обработки однозначно определяются значения скорости движущейся поверхности в каждый момент времени с погрешностью не хуже ±5 м/с независимо от абсолютного значения скорости поверхности.

Волновые профили в экспериментах с импульсным ускорителем легких ионов "KALIF" регистрировались интерферометрическим измерителем скорости типа ORVIS. В этом случае двухлучевой интер-

ферометр настраивается таким образом, что рекомби-нирующие пучки наклонены друг относительно друга на некоторый малый угол а. В результате в поперечном сечении области интерференции образуется система полос, смещение которых пропорционально скорости движущейся поверхности. Эволюция системы интерференционных полос в процессе измерений ¡регистрируется электронно-оптическим фотохронографом, работающим в режиме щелевой фоторазвертки. Для регистрации профилей скорости поверхности одновременно в нескольких точках поверхности использовалась еще одна модификация интерферометра с оптической регистрацией интерференционной картины, где для фокусировки зондирующего излучения в линию на измеряемую поверхность использовалась цилиндрическая линза. Максимальное пространственное разрешение прибора составляло <10 мкм при общей длине поля зрения ~200 мкм.

Эксперименты с сильными ударными волнами показали, что потеря устойчивости поверхности образца при плавлении вследствие мощного ударно-волнового воздействия, приводящая к резкому уменьшению ее отражающей способности, является тем физическим пределом, который ограничивает диапазон применения интерферометри-ческих методов при исследовании ударно-волновых процессов.

В третьей главе представлены результаты измерений разрушающих напряжений при отколе для малоуглеродистой и нержавеющей стали X18Н1 ОТ, алюминиевых сплавов АМгбМ и АД 1, листовым Ма 1 и литым "первичным" Мг95 магнием, электролитической медью М2, титановыми сплавами ВТ5-1 и ВТ8 при характерных длительностях импульсов нагрузки в диапазоне 10'8 - 104 с и ее интенсивности от ~2 до ~90 ГПа, результаты измерений откольной прочности и динамического предела упругости конструкционных сталей 35ХЭНМ, стали

Рис.3. Схема регистрации волновых профилей лазерным интерферометром. 31,32 - 100%-е концевые зеркала; 50/50 - 50%-й светоделитель; JI3 - стеклянная линия задержки; П, - поляризатор, ориентированный под углом 45 к горизонтали; П2- поляризационный светоделитель; 1/4-четвертьволновая пластина; Ф,гз - фотоприемники выходного излучения и контроля интенсивности.

45 и ЭП836 и образцов из тяжелого сплава 6 партий разного состава с известным техническим пределом прочности ав и условным пределом текучести'с02 при квазистатическом нагружении.

Проведены исследования монокристаллических металлов, исследовалось влияние на сопротивление динамическому разрушению изменения структуры металлов вследствие предварительной термообработки и фазового превращения вещества в ударной волне.

На рис.4 представлены результаты опытов с алюминиевым сплавом АМгбМ. Результаты обработки экспериментальных данных для металлических материалов, испытанных в широком диапазоне скоростей деформирования, показаны на рис.5 в виде зависимостей а (У/Уд), характеризующих Связь между приложенным напряжением и начальной скоростью разрушения. Выбор величины скорости деформирования в разгрузочной части падающего импульса V / У0 в качестве параметра, характеризующего временную зависимость от-кольной прочности, определяется соображениями последующего использования результатов испытаний для построения кинетических зависимостей скорости разрушения.

Выполненные измерения откольной прочности показали, что сопротивление откольному разрушению технических металлов и сплавов возрастает с уменьшением длительности импульса нагрузки. В пределах погрешности измерений зависимости реализуемой при отколе прочности от скорости деформирования описываются выражени

Рис.4. Профили скорости свободной поверхности при отколъном разрушении образцов алюминиевого сплава АМгбМ в импульсах сжатия различной длительности.

Рис.5. Зависимости откольной прочности от скорости деформирования в разгрузочной части исходного импульса для алюминия АМгбМ (А), меди М2 (П), нержавеющей стали X18Н1 ОТ (О) и высокочистого титана (V).

Таблица 1 ем: а=к(у / у Константы

/сип для некоторых металлов и сплавов приведены в таблице 1. Значения разрушающих напряжений, полученные динамическими измерениями, определяют условия инициирования откола. В связи с этим уместно отметить, что наблюдаемые неоднородности поверхности откола тем мельче, чем короче импульс нагрузки и, соответственно, больше достигаемые перенапряжения в образце. Отсюда следует, что увеличение растягивающего напряжения приводит к инициированию все более мелких и более многочисленных очагов разрушения по мере распространения волны растяжения вглубь образца.

В связи с необходимостью прогнозирования поведения материалов и конструкций в условиях высокоэнергетических воздействий различной интенсивности возникает вопрос о возможном влиянии амплитуды ударных волн на величину разрушающих напряжений. Такое влияние возможно вследствие необратимого разогрева вещества в ударной волне, образования многочисленных дефектов в материале при высокоскоростном деформировании.

Были проведены специальные эксперименты с образцами титановых ВТ5-1, ВТ8 и алюминиевых АМгбМ и АД1 сплавов, а также малоуглеродистой стали при интенсивностях ударных волн 2-90 ГПа. На рис.6 приведены профили скорости свободной поверхности образцов титанового сплава ВТ8, полученные при нагружении образцов толщиной 10 мм алюминиевыми ударниками толщиной 2 мм при скорости удара 660, 1900 и 5300 м/с.

Измерения показали, что откольная прочность исследованных материалов практически не зависит от амплитуды ударной нагрузки. Суммарная деформация в цикле ударного сжатия и разгрузки перед разрушением в этих опытах доходила до 50%, а остаточный разогрев - до 1100К для титановых сплавов и, соответственно, 60% и 90% температуры плавления для алюминиевых. Снижение роли температуры в сопротивлении металлов высокоскоростному разрушению можно объяснить сменой механизма пластической деформации в окрестности несплошностей, связанной с переходом от термофлуктуа-ционного к атермическому надбарьерному скольжению дислокаций при больших напряжениях в материале.

Материал к, ГПа я

Алюминий АД1 0.635 0.06

Алюминий АМгбМ 0.088 0.21

Магний Мг95 0.39 0.072

Медь 0.15 0.2

Высокочистый титан 0.39 0.19

Титан ВТ6 1.43 0.09

Нерж. сталь Х18Н10Т 0.65 0.11

I. 0.5 мкс/дел.

Рис.6. Профили скорости образцов imana ВТ8 при онкольном разрушении ударными волнами различной интенсивности.

Опыты с ударными волнами различной интенсивности, а также эксперименты с образцами различной ориентации текстуры говорят о том, что центрами разрушения при отколе становятся такие относительно крупные дефекты, присутствующие в исходном материале, как включения, микропоры к границы зерен. Чем больше достигаемые перенапряжения в образце, тем более мелкие и более многочисленные центры разрушения активируются и дают вклад в увеличение скорости процесса. Влияние деформации материала на сопротивление динамическому разрушению существует лишь в том случае, когда она сопровождается изменением текстуры материала. Проведенные измерения показывают, что дислокации и другие деформационные дефекты, генерируемые в металлах ударными волнами различной интенсивности, не оказывают заметного влияния на сопротивление материала откольному разрушению.

Для выяснения вопроса о влиянии температуры на величину от-кольной прочности материалов были выполнены специальные эксперименты, результаты которых также представлены в третьей главе. Исследование влияния нагрева вещества в ударной волне вплоть до температуры плавления и выше на процесс откольного разрушения было проведено на образцах свинца и олова. Измерения были выполнены в широком диапазоне амплитуд ударной нагрузки. Плавление в волне разгрузки достигается уже после ударного сжатия до -30 ГПа в свинце и -23 ГПа в олове, что достаточно легко реализуется с помощью взрывных устройств.

С целью проведения подобных измерений была разработана специальная экспериментальная сборка (рис.7), позволяющая регистрировать профили скорости поверхности нагружаемого образца вплоть до его плавления в волне разгрузки. Для поддержания стабильного отражения зондирующего луча от фиксируемой поверхности в процессе измерений на ней располагалась тонкая (20-50 мкм) фольга из меди или никеля. Для предотвращения потери ее контакта-с образцом перед фольгой создавалось избыточное давление газа, прижимающее фольгу к образцу. Ударная нагрузка генерировалась в образ-

цах при соударении алюминиевых пластин толщиной 2-4 мм с экраном, па котором располагался образец. Интенсивность импульсов сжатия варьировалась изменением скорости соударения в диапазоне от 0.7 до 4 км/с. Образцы изготавливались путем плавления химически чистых (99.9°о) свинца и олова в специальных формах в вакууме.

На рис.8 представлены результаты измерений огкольной прочности свинца и зависимости ог давления ударного сжатия. Как видно из рисунка, огкольная прочность свинца резко падает при амплитуде волны сжатия 25-30 ГПа, что связано, вероятно, с плавлением свинца вследствие ударного сжатия и ра згрузки. Тем не менее, прочность свинца после плавления, в отлично от олова, остается значительной. Аналогичный результат был получен в экспериментах с оловом. Обратимый фазовый переход не оказывал сколько-нибу дь значительного влияния на величину огкольной прочности олова.

Таким образом, проведенные с оловом и свинцом эксперименты показали, что динамическая прочность материалов практически не зависит от нагрева образцов в процессе ширужения. Только вблизи температуры плавления вещее! па происходит быстрое падение его прочности до величин, которые, по-видимому, соответствуют прочности жидких металлов.

Исследования влияния начальной температуры образцов на вели' чину разрушающих напряжений в условиях откола выполнены для алюминиевого сплава АД1 и магния Мг95 при интенсивности ударного сжатия -5.7, 3,5 ГПа и скорости деформирования ~4Т04с'1.

Для генерации ударных волн в предварительно нагретых образцах было разработано специальное устройство, схема которого представлена на рис.9. Ударная нагрузка генерировалась в образце ударом алюминиевой пласгниы, разогнанной до скорости -700 м/с. Образцы нагревались расположенным на их тыльной поверхности специальным нагревателем с электрической мощностью около I кВт, что было достаточным для нагрева исследуемого образца до -600 С за 10

Рис.7. Схема экспериментальной сборки по регистрации профилей скорости поверхности образца в условиях плавления материала.

минут. Точность измерения темпера- , туры, а также температурные гради- " ' енты внутри образца исследовались специально.

На рис.10 представлены экспериментальные профили скорости поверхности в условиях откола при нормальной и повышенных начальных температурах для алюминиевых образцов. Зависимость откольной 'т.,*'""

прочности алюминия АД1 отначаль- Рис.8. Откольная прочность ной температуры показана на рис. свинца. 11. Сильный спад прочности алюминия наблюдается лишь при увеличении начальной температуры выше -550 С. Ее значение приближается практически к нулю вблизи точки плавления. Аналогичные результаты получены для магния Мг95. Как и в случае алюминия, прочность магния остается примерно на одном уровне, когда начальная температура не превышает -500 С. Дальнейшее увеличение температуры образцов приводит к резкому снижению прочности материала.

Таким образом, проведенные исследования влияния температуры на откольную прочность алюминия и магния показали, что критические разрушающие напряжения слабо зависят от температуры вплоть до -0,9 абсолютной температуры плавления, после чего происходит быстрое снижение прочности. Вблизи точки плавления прочность металлов приближается к нулю. Такое пороговое влияние температуры связывается с локальным плавлением материала вследствие локального деформирования материалов в потенциальных концентраторах напряжений, существующих в исходной структуре материала.

Для обоих материалов на профилях скорости наблюдалось неожиданное увеличение амплитуды упругого предвестника с ростом температуры образцов вблизи точки плавления. Можно предположить, что такое поведение упругого предвестника объясняется спонтанным зарождением точечных дефектов при повышенных температурах, которые создают дополнительные силы сопротивления движению дислокаций.

Ударное сжатие железа и сталей сопровождается обратимым полиморфным превращением а-е при давлении -13 ГПа. Представляет интерес вопрос о том, сохраняется ли упрочняющий эффект термо-

/Прокладка 800 W. м/с и г'с

L-" Ударник L-" Нагреватель 600 -..... гГ"

J00

VISAR 20Ü

Образец'

Термопара В 0 1.МКС:-

Рис.9. Схема 'экспериментальной сборки для измерений отколыюй прочности при повышенной температуре.

Рис. 10. Профили скорости свободной поверхности алюминиевых образцов при нормальной и повышенной температурах.

обработки после обратимого полиморфного превращения и связанного с ним изменения микроструктуры стали. В третьей главе представлены результаты измерения отколыюй прочности стали 40Х при давлениях ударного сжатия ниже н нише давления полиморфного превращения а-е. Опыты проведены с образцами стали в состоянии поставки, имеющими твердость 7-9 единиц rio Роквеллу, и закаленными образцами с твердостью 45-55 единиц. Ударные волны создавались в образцах алюминиевыми ударниками толщиной 2 мм, разогнанными взрывными устройствами до скоростей -700 м/с, -1900 м/с и -5300 м/с.

Результаты измерении представлены на рис. 12. Из сопоставления полученных профилей скорости свободной поверхности видно, что, хотя статическая твердость стали в состоянии постники и после закалки различается очень значительно, разница в динамической прочности не столь велика. При давлении в ударной волне много выше

давления полиморфного превращения откольная прочность стали к состоянии поставки приближается к прочности закаленных образцов. Непосредственно же в области превращения результаты 0..4 не столь однозначны. Дело в том, что

разрушение необработанной стали в этих опытах, по-видимому, происходило вблизи границы между исходной фазой и превращенным веществом, что следует из совпадения периода циркуляции онкольного импульса и интервала между первой и вт орой пластически-

7 . ГП;1 А.пюмшшц АД1

4¿0

Рис.11. Зависимость отколыюй прочности алюминия от начальной температуры.

Рис.12. Профили скорости свободном поверхности образцов стали 40Х.

ми волнами. Полученные результаты измерений подтверждают рост динамической прочности стали в результате закалки. Для обоих состояний стали динамическая прочность увеличивается в результате обратимого полиморфного превращения. Быстрое твердофазное превращение железа и сталей в ударных волнах приводит к уменьшению размеров зерен с образованием мартенситной структуры и, как следствие, приводит к резкому увеличению его твердости. По-видимому, эти изменения затрудняют рост микротрещин, что и может быть причиной увеличения откольной прочности сталей при высоких давлениях ударного сжатия. Закаленные образцы изначально имеют мелкозернистую мартенситную структуру, поэтому упрочняющий эффект обратимого полиморфного превращения в них ниже.

Эксперименты пр разрушению технических металлов в ударных волнах различной интенсивности, а также опыты со сталью 40Х показали, что величина разрушающих напряжений зависит от внутренней структуры материала. Прямым подтверждением этого были бы эксперименты с высокочистыми или монокристаллическими материалами. Приведенные в третьей главе результаты систематического исследования поведения образцов высокочистого титана в ударной волне подтверждают этот вывод.

Образцы вырезались из титанового прутка диаметром 23 мм, изготовленного методом электроннолучевой бестигельной зонной плавки. Они имели поликристаллическую структуру со средним размером зерна ~1 мм, практически не имея примесей. Толщина образцов варьировалась в пределах 0.4 - 4.5 мм. Импульсы ударной нагрузки в образцах высокочистого титана генерировались ударом алюминиевых пластин толщиной 0.4 или 2 мм, разогнанных до-скоростей 660-1900 м/с с помощью взрывных устройств, или импульсным ионным пучком на установке "KALIF". Интенсивность исходного импульса сжатия варьировалась в диапазоне 4-40 ГПа, его длительность менялась на' два порядка - от Ю'^с до 10 *с.

На рис.13 представлена зависимость критических разрушающих напряжений при отколе от скорости деформирования в разгрузочной части исходного импульса сжатия.

Можно отметить, что толщина откольной пластины во взрывных экспериментах сравнима со средним размером зерна в данном материале, так что в этом случае влияние границ зерен на процесс зарождения откольных повреждений внутри образца является существенным. Из рисунка видно, что даже при приблизительно одних и тех же условиях нагружения прочность образцов может отличаться значительно, что несомненно связано с развитой зеренной структурой материала.

Все профили скорости демонстрируют либо некоторое уменьшение градиента скорости в волне сжатия на одном и том же уровне скорости (440-450 м/с), либо формирование двухволновой структуры. Такая потеря устойчивости волнового фронта связана с а - ы фазовым переходом в материале, а точка перегиба на фронте волны сжатия является началом фазового перехода. То есть, волновые профили отражают процесс полиморфного превращения высокочистого титана, связанного с обратимой а - со перестройкой кристаллической структуры. Их анализ показал, что минимальное давление начала превращения составляет ~2,25 ГПа, область существования двухволновой конфигурации в титане должна быть ограничена давлением -10 ГПа, а в процессе ударно-волнового нагружения титановых образцов наблюдается формирование неустойчивой структуры волн сжатия вследствие взаимного влияния скорости деформирования и скорости фазового превращения.

Эксперименты с техническими металлами и сплавами показали, что вклад отдельных крупных дефектов материала не оказывает заметного влияния на процесс откольного разрушения, что тем более справедливо для высокочистых монокристаллов. Решающую роль при разрушении таких материалов должны играть дислокационные дефекты как исходного образца, так и наведенные в процессе динамического деформирования. Традиционный интерес представляет также вопрос о предельной прочности твердого тела. Использование в

|(Г I»6 У/У с1 |<)7

Рис. 13. Откольиая прочность титана.

качестве объектов исследования высокооднородных материалов дает надежду получить наибольшие значения разрушающих напряжении, соответствующих инициированию процесса на уровне, близком к кристаллической решетке.

В данной работе впервые проведены систематические измерения разрушающих напряжений при отколе в монокристаллических образцах меди, молибдена, ниобия и цинка, в которых исследовалось влияние условий нагружения, предварительной деформации образцов и ориентации кристалла относительно нагрузки, а также'начальной температуры образцов на процесс откольного разрушения.

Результаты регистрации профилей скорости поверхности для медных монокристаллических образцов представлены на рисунке 14. Непосредственно из сопоставления волновых профилей видны явные различия между результатами измерений для поликристаллической меди и монокристаллов различной ориентации. Динамическая прочность монокристаллов существенно выше прочности поликристаллической меди. Откольные импульсы при разрушении монокристаллов более четко выражены, имеют более крутой фронт и большую амплитуду, чем в случае поликристаллической меди. То есть разрушение монокристаллов носит относительно хрупкий характер в том смысле, что имеет более выраженный порог и быстрее развивается. Существенное различие на профилях \Л/(() отмечается также в темпе затухания колебаний скорости поверхности. Различие состояний поверхностей разрушения подтверждается визуальным сравнением сохраненных после опыта образцов. Для отожженных образцов на профилях скорости \Л/(1) фиксируется четко выраженный упругий предвестник с амплитудой 0.16 ГПа.

В таблице 2 представлены результаты измеренийоткольнойпрочности поликристаллической и монокристаллической меди.Величина откольной прочности монокристаллов не вполне воспроизводима (в таблице указан разброс результатов 24 измерений) и примерно втрое превыш а-ет прочность поликристаллических образцов. Влияние ориентации нагрузки на сопротивление разруш ению невелико.

О ЛИ» 4Ш Ш> Х1Ш 1ши] 13Ю [ ис

Рис.14. Профили скорости свободной поверхности образцов монокристалли-ческои меди, нагружаемых в направлении <111> (а,б) и поликристаллической меди М2 (в).

Таблица 2. Огкольная прочное», меди. Рис-15 Демонстрирует

з а в и си м о ст ь р а з р у ш а ю -щих напряжений при отколе от скорости деформирования. Огкольная прочность поликристаллической меди, равная измеренной прочности монокристаллов, достигается при скорости деформирования (~5)10тс |. Это соответствует характерной длительности импульса нагрузки -0.5 не или его длине порядка нескольких микрон.

Аналогичные измерения с монокристаллами другой структуры позволяют получить дополнительную информацию о процессах динамического деформирования и разрушения подобных материалов в условиях ударно-волновой нарузки. В данной работе проведены измерения динамической прочности монокристаллических образцов молибдена и ниобия, имеющих кубическую, объемноцеитрироваиную кристаллическую решетку. Молибден и ниобии являются наиболее важными с практической точки зрения тугоплавкими металлами, причем ниобий - наиболее пластичный материал с более низкой теоретической прочностью по сравнению с другими металлами этой группы.

Образцы толщиной 0.3 - 4.5 мм вырезались вырезались из моно-!српста' 1лическоI о прутка диаметром -25 мм таким образом, что направление на грузки совпадало с осями монокристалла <110>, <111> и <100> для молибденовых образцов и <110> для ниобия. Деформированные монокристаллнческие образцы изготавливались путем прокатки вырезанных заготовок в направлении роста кристаллов <110> вдоль плоскости (001) до толщины 0.03-0.3 мм с сохранением монокристаллической структуры. Пластическая деформация в исследу емых образцах достигала 90%, а начальная плотность дислокаций в деформированных образцах составляла ~10,осм2. Импульсы ударной нагрузки возбуждались в образцах с помощью взрывных устройств, либо воздействием мощного ионного пучка. Амплитуда ударного импульса нагрузки варьировалась в пределах 4-100 ГПа, длительность импульса менялась от 10'5до 10 В с.

На рисунке 16 представлены профили скорости №(1), полученные в экспериментах с недеформнрованными монокристаллическими об-

Образец Ьобр., мм Ь,л , мм ст',П1а

Поликристалл 2.7 0.4 1.35

Поликристалл 3.9 0.2 1.5

Монокристалл <111> 1.9 0.4 3.3-3.9

Монокристалл <111> 0.7 "0.2 4.5-4.6

Монокристалл <111 > 4.35 0.2 -2.5

Монокристалл <Ю0> 4.3 0.4 4.1-4.2

Монокристалл < 100>, 4.5 0.4 3.9-4.0

отжиг, 900°С, 2 ч.

разцами молибдена различной ориентации при одних и тех же условиях на груженым. В отличие от поликристаллов, на профилях более четко выделяется упругий предвестник с характерным пиком скорости в упругой волне, а после разрушения формируется резкий отколь-ный импульс. Каких-либо значительных различий между профилями скорости для деформированных и недеформнро-ванных образцов не наблюдается.

Измерения показали, что сопротивление откольному разрушению молибдена также возрастает с увеличением скорости деформирования. Эта степенная зависимость о (у ¡у ) с показателем степени -0.3 (рис.17) приблизительно одинакова для любого состояния молибдена. Откольная прочность монокристаллов молибдена примерно в два раза превышает прочность полпкристаллпческнх образцов, что несомненно связано с низкой кон-ценграцнен дефектов в монокристаллах. Разница прочности между деформированными и недеформированнымн монокристаллами не так велика, так как количество дислокации, генерируемых в кристалле ударной волной сравнимо с первоначальной плотностью дислокации в деформированном монокристалле. Разброс экспериментальных данных не позволяет выявить заметное влияние ориентации монокристаллов молибдена относительно направления нагрузки на их сопротивление разрушению. Аналогичные результаты были получены и в экспериментах с монокристаллами ниобия.

Сравнивая прочность поли- и монокрнсталлнческих образцов, можно сказать, что в случае высокочистых монокристаллов зарождение дефектов и образование концентраторов напряжении происходит при взаимодействии дислокаций в процессе пластического деформирования материала. В этом случае концентрация дефектов должна увеличиваться с ростом пластической деформации, то есть с ростом интенсивности ударной нагрузки. Отсутствие значительного влияния амплитуды импульсов сжатия на откольную прочность монокристаллов было в связи с этим несколько неожиданным. Тем не менее, можно заключить, что зарождение и рост дефектов материала на днсло

Рис.15. Зависимость отколь-нон прочности меди от скорости деформирования. - полн-кристаллнческая медь; А - нео-тожженные, V- отожженные moi юкр! 1сталлы, н агружаемые в.направлении <100>; О - монокристаллы. нагружаемые в направлении <111>.

Рис.16. Профили скорости свободной поверхности монокристалли-чсских образцов молибдена, полученные во взрывных экспериментах.

Рнс.П.'Откольиая прочность молибдена. Ориентация образцов относительно нагрузки: Д - <110>; V- <111>; - <100>.

кационном уровне требует еще больших растягивающих напряжений и, по-видимому, может иметь место только в монокристаллах.

Сравнение измеренной динамической прочности монокристаллов с величиной теоретической прочности, оцененной для молибдена и ниобия как К/10 - К/6, где К - модуль объемного сжатия материала, или с оценкой предельного растягивающего напряжения по минимуму на кривой объемной сжимаемости меди, дает величину ~20% для меди (при -о =2Ъ ГПа), прочности молибдена и ниобия, измеренные при максимальной скорости деформирования, достигают 30% и 35% их теоретической прочности, составляющей ~55 ГПа и ~36 ГПа соответственно. Экстраполяция полученной для молибдена зависимости ° (Й / У0) показывает, что его предельная прочность может быть достигнута при скоростях деформирования ~5х 10кс-1, что соответствует длительности нагрузки -0.5 - 1 не. Эта величина лишь на порядок меньше, чем длительность импульсов сжатия, реализованных в проведенных экспериментах.

Измерения динамических пределов упругости и динамической прочности монокристаллов цинка различной ориентации в условиях ударно-волного нагружения в температурном диапазоне от комнатной температуры до точки плавления показали следующее. Цинк имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру со значительной анизотропией. Нагружение образцов осуществлялось в направлении {0001} и {1010} алюминиевым ударником толщиной 0,4 или 0,85 мм со скоростью -700 м/с.

На рис.18 представлены типичные профили скорости свободной поверхности монокристаллических образцов различной ориентации при нормальной температуре. С учетом большой крутизны фронта волны сжатия естественно предположить, что ударная волна с интенсивностью 7 ГПа, распространяющаяся перпендикулярно базисной плоскости, имеет чисто упругий характер (рис. 18а). В экспериментах при различной интенсивности Ударной нагрузки, когда базисная плоскость кристалла совпадала с плоскостью соударения, признаки начала пластической деформации появляются лишь при осевом напряжении выше 21 ГПа, что подтверждает сделанное выше заключение.

Нагрев монокристаллов до температур, весьма близких к точке плавления, не приводит к существенным изменениям структуры волн сжатия и разрежения как при базисной ориентации образцов, так и при ударном сжатии в перпендикулярном направлении.

Результаты обработки профилей скорости \Л/(Ц для образцов различной ориентации при нормальной и повышенной температурах суммированы на рис.19. Измерения определенно показывают, что при нагружении в осевом направлении откольное разрушение происходит при более высоких напряжениях, чем в опытах с нагружением в перпендикулярном направлении. При комнатной температуре средние значения разрушающих напряжений в осевом и поперечном направлениях составили 2,1 ±0,2 ГПа и 1,33±0,3 ГПа соответственно. Неожиданный результат, когда сопротивление откольному разрушению выше при наиболее благоприятной ориентации слабейших плоскостей кристалла, очевидно объясняется тем, что в этих опытах не происходила пластическая деформация материала, и, следовательно, разрушение могло инициироваться только на дефектах, имеющихся в исходном материале.

При увеличении температуры от комнатной до 350-370°С откольная прочность монокристаллов цинка остается практически неизменной, но при

Рис.18. Профили скорости поверхности образцов монокристаллического цинка. Указаны ориентации плоскости соударения и толщина образцов. На-гружение ударниками толщиной 0,4 мм (а,в).

Дальнейшем увеличении температуры различие в величинах откольной прочности и сами эти величины уменьшаются до 1,1-1,2 ГПа при температуре 405-410°С, которая всего на 2% ниже абсолютной температуры плавления. Увеличение пороговой температуры для монокристаллов также подтверждает предположение о падении прочности материала вблизи точки плавления вследствие локального плавления вещества на потенциальных очагах напряжений, плотность которых зависит от структуры материала. Очевидно, что в монокристаллах, как менее дефектных материалах, концентрация таких очагов мала.

Проведенные измерения не выявили влияния температуры на динамический предел упругости цинка. Нет также заметного влияния температуры на крутизну пластической ударной волны, которая определяется вязкостью материала. Эти данные также указывают на атермическую природу пластической деформации в ударных волнах.

Потенциальные очаги разрушения, такие как включения и поры, границы зерен и тройные точки и т.п., могут быть распределены по объему материала совершенно произвольно. Следовательно, прочность материала, являясь структурно чувствительной характеристикой материала, также может менять свое значение в объеме образца при одних и тех же условиях эксперимента. Для выявления деталей механизма разрушения эксперименты должны быть выполнены таким образом, чтобы масштаб разрушения был одного порядка с размерами неоднородностей в материале. Это означает, что откольное разрушение материала должно инициироваться короткими импульсами сжатия, когда толщина откольной пластины составляет десятки микрон, а регистрация этого процесса должна проводиться одновременно хотя бы в нескольких точках образца.

Для решения такой задачи был предложен метод, позволяющий проводить измерения как внутризеренной так и межзеренной прочности материала. Эксперименты по откольному разрушению проведены с образцами поликристаллического крупнозеренного магния Мг95 и монокристаллическими образцами молибдена. Импульсы нагрузки генерировались в материале с помощью установки "KALIF". Применение для фиксации профилей скорости свободной поверхнос-

Рис.19. Откольиая прочность монокристаллов цинка в зависимости .от температуры испытания.

о'ГПа

й...... о....."""

..-■о-....."

Рис.20. Распределение огколыгоп прочности н магшш.

Рнс.21. Заппснмоеп. отколыюй прочности магния Мг95 от скорости

деформирования в разгрузочной чаегп исходного импульса сжатия.

ти модифицированного лазерного интерферометра (Ж¥18 позволяет получить значения скорости в нескольких точках материала одновременно вдоль выбранной линии п несколько миллиметров на поверхности образца. Последующая обработка полученного массива профилей даст значения критических разрушающих напряжении для этой области материала, что позволяет судить о характере инициирования н развития разрушения материала.

Толщина образцов в проведенных экспериментах не превышала 1 мм. Перед опытами поверхность образцов обрабатывалась специальным составом .XIя выявления ее микроструктуры. Как правило, измерения скорости прово;шлпсь таким обра зом, что линия фокусировки зондиру ющего лазерного луча пересекала одну или две 1рашщы зерен. Это позволяло получать значения прочности как внутри отдельных зерен материала, так и межзерепного вещества в одном опыте.

Выполненные в такой постановке эксперименты позволили получить профили скорости поверхности образца для -20 точек поверхности вдоль линии фокуса зондирующего луча. Распределение отколь-ной прочности магния, полученное из этого эксперимента, показано на рис.20. И з графика видно, что откольная прочность изменяется отточки к точке образца, но несмотря на пересечение полем зрения зондирующего луча интерферометра границы зерна, на 1рафпке не отмечается каких-либо скачков значений разрушающих напряжении. Это означает, что в этих условиях нет анизотропии шнрузки по направлениям, и, как резу.ш>тат, не наблюдается большой разницы в прочности материала при переходе границы зерен различной ориентации. Несомненно, межзеренная граница является наиболее слабым местом материала, то есть наиболее вероятным местом зарождения отколыюй трещины. Но, по-видимому, влияние таких тонких деталей микроструктуры материала на прочностные .характеристики ма-

я! П1а

□

о

□

■

А* ■

Рис.22. Распределение откольной прочности монокристалла молибдена. Рис.23. Откольная прочность монокристаллов молибдена в зависимости от скорости деформирования. Закрытые символы - распределение прочности по объему.

териала можно заметить только при большем увеличении поля зрения интерферометра.

На рис.21 представлены результаты измерений откольной прочности магния Мг95, полученные в экспериментах на установке "KALIF", в сравнении с данными из взрывных экспериментов при меньшей скорости деформирования. Рисунок показывает, что прочность при высокой скорости деформирования отклоняется от степенной зависимости к большим значениям. Толщина откольной пластины в этих опытах составляла 60-80 микрон, что много меньше размера зерна. Это значит, что откольная трещина пересекает зерна, и измеренная откольная прочность соответствует прочности кристалла. Таким образом, в проведенном эксперименте была измерена как внут-ризеренная прочность, так и межзеренная прочность материала. Измерения показали, что последняя примерно вдвое меньше.

На рис. 22 и 23 представлены результаты измерений распределения откольной прочности монокристаллов молибдена по объему образца и скорости деформирования в разгрузочной части исходного импульса сжатия. Видно, что хотя значения откольной прочности могут заметно варьироваться даже в пределах одного образца (рис.22), разброс полученных в этих опытах данных с другими незначительный, и все они могут описываться степенной зависимостью во всем диапазоне параметров нагрузки (рис.23).

Выполненные с магнием эксперименты показывают, что в материале может быть реализован широкий спектр разрушающих напряжений, когда длина импульса нагрузки меньше, чем размеры зерна в исследуемом материале. В этих опытах откольные повреждения не зарождаются до тех пор, пока отраженная волна разгрузки не прохо-

дит черт зерна, гак как растягивающие напряжения недостаточны, чтобы активировать мелкие внутренние дефекты.

Эксперименты с монокристаллами молибдена, как с недеформи-роваппыми, так и деформированными образцами, пока чали, что даже такие материашл не являются полностью гомогенными. В недефор-мированных кристаллах колебания откольной прочности наблюдаются вдоль поверхности образца на дтнне порядкц сотен микрон, в деформированных образцах па величина еще больше. Несомненно, относительно крупные неоднородности, как мест а зарождения повреждений, могут распределяться в образцах таким образом, что могут попасть п могут не попаст ь I! плоскость онкольного разрушения. Измерения показали, что общее количество неодпородностен, на которых возможно зарождение разрушения, в монокристаллах не столь велико.

Таким образом, экспериментально показано, что откольная прочность материала является структурно-чувствительным параметром, н ее величина зависит прежде всего от его структуры в момент достижения растягивающих напряжении, близких к критическому значению. Влияние внешних условий экспериментов по откольному разрушению материалов сказывается на их прочностных свойствах лишь в тех случаях, когда это влияние приводит к изменению внутренней структуры материала, как 15 случае фазовых превращений, либо изменению концентрации потенциальных очагов разрушения при нагреве вещества.

В четвертой главе представлены результ аты по исследованию краевых эффектов откола, которые шрают решающую роль на после-волновой стадии процесса. После образования магистральной трещины внутри образца и завершения волновых взаимодействии и отражений процесс разрушения определяется инерционным движением откольной пластины. В зависимости от условий нагруження, прочностных и деформационных свойств материала огкольное разрушение может завершиться па различных стадиях процесса - образовании магистральной трещины, неполным разделением образца на части, либо полным отрывом откольного элемента от образца. Предсказание конечного результата откольного разрушения является важной задачей при проектировании реальных конструкций, подвергаемых динамическим шпрузкам.

Эксперименты по динамическому разрушению образцов показывают, что в реальных условиях возможно удержание откольного элемента, когда разрушение ограничивается внутренней областью об-

разца и не выходит на его поверхность. Для анализа вклада краевых эффектов необходим дополнительный критерий, который бы позволил прогнозировать возможность полного отделения откольного элемента от образца и определять его остаточную скорость или кинетическую энергию.

Эволюция импульса локальной ударно-волновой нагрузки в плоской преграде показана на рис.24. Ослабление радиальными волнами разрежения падающей волны сжатия (рис.24а) приводит к тому, что магистральная трещина образуется только в центральной части преграды (рис.24Ь). Дальнейшее развитие процесса определяется запасом кинетической энергии в отколовшемся слое. Его инерциальное движение тормозится силами связи его периферийной части с преградой (рис.24с). В результате движение от коловшегося слоя может полностью прекратиться - преграда останется частично разрушенной. Для завершения отделения откольного элемента необходимы дополнительные затраты энергии, которая расходуется на пластическую деформацию откольного элемента и образование боковой поверхности разрушения (рис. 24с1).

Задача по определению работы отрыва откольного элемента может быть решена путем ограничения зоны откола со стороны тыльной поверхности образца, нагружаемого импульсом одномерного сжатия. В данной работе предлагается следующий способ определения критического диаметра откольной пластины при ее полном отделении от образца. Со стороны свободной тыльной поверхности исследуемого образца прикладывается пластина с отверстием известного диаметра из материала, динамическая жесткость которого выше или равна динамической жесткости образца. Затем известными способами фиксируется профиль скорости поверхности, защемленный краями шайбы, или проводится анализ сохраненных после опыта образцов для определения характера разрушения образца (полный отрыв откольного элемента, или только образование магистральной трещины в зоне откола). Изменяя в каждом опыте диаметр внутреннего отверстия ограничительной шайбы, можно определить его значение, при котором происходит полный отрыв откольного элемента от образца. Имея из экспериментов профиль скорости свободной поверхности образца, ограниченной прикладываемой шайбой, зная критический диаметр отверстия, при котором происходит полный отрыв откольного элемента, или его начальную и конечную скорость, можно не только определить величину критических разрушающих напря-

жений, удельную работу разрушения, но и критический запас энергии в от-кольной пластине, необходимый для ее полного отделения.

Измерения критической энергии отрыва откольного элемента были выполнены для титанового сплава ВТ5-1. На рис. 25 приведена схема опытов по изучению краевых эффектов откола. Титановые пластины толщиной 4 мм и поперечными размерами 100x100 мм2 нагружались ударом алюминиевой пластины толщиной 2 мм со скоростью 660±10 м/с. На тыльной поверхности образца ус- Рис.24.Эволюция импульса танавливалась стальная ограничи- нагрузки в плоской преграде, тельная шайба толщиной 15 мм. Диаметр внутреннего отверстия в шайбе, определяющий размеры зоны откола, варьировался в пределах 10-20 мм. Применение в этих опытах лазерного измерителя скорости VISAR с высоким пространственным разрешением позволяло осуществлять регистрацию скорости малого участка образца с изменяющейся в процессе движения формой поверхности.

Из обработки профилей скорости определялось значение отколь-ной прочности, толщина откольной пластины и ее конечная скорость, фиксировался характер разрушения (факт полного отделения откольного элемента, или сохранения его контакта с образцом). Из экспериментов находили запас кинетической энергии в откольном слое после образования магистральной трещины как 1/2phW^ ,где р- плотность исследуемого мaíepиaлa,' h - толщина отколовшегося слоя, Wc!p -. среднеинтегральная скорость центральной части откольного элемента. Последовательно изменяя диаметр внутреннего отверстия в шай-. бе, определяли критический диаметр отверстия в ограничительной шайбе, когда происходил полный отрыв откольного элемента.

По профилям скорости определены значения критических разрушающих напряжений - а' = 4.1 ГПа, толщина откольного слоя - h = 1.91 мм. Величина удельной работы разрушения титанового сплава ВТ5-1 в этих опытах найдена Ерш = 2.5Т05Дж/м2, остаточная кинетическая энергия откольного слоя без влияния краевых эффектов -Е=1/2ф Wf =5.7-105 Дж/м2.

"тт?

Критический диаметр откольного элемента в данных условиях Э = 17.5 мм. Следовательно, работа отрыва откольного элемента в данных условиях составляет: Е=1/4жЕ=\ЪЬ Дж. Нужно отметить, что полная работа внутреннего откольного разрушения в этом случае равна Е}-1/4 кВ2кр :Е,аг ^ Дж% то есть значительно меньше работы отрыва краев откольного элемента. Для оценки отрыва осколка произвольных размеров следует использовать удельную энергию отрыва, которая для данных условий составляет: Е =£,/я£> А= 13-10Дж/м.

отр 2 кр ^

Параметр Е характеризует затраты энергии на разрыв вдоль единичной поверхности по краю откольного элемента и может использоваться для оценки возможности отрыва осколков, в заданных условиях нагружения, а также их скорости после отрыва. В величину работы отрыва входят не только затраты энергии на образование поверхности разрушения, но и работа деформирования откольного элемента. Измерения показывают, что Е » Е , то есть возможность отрыва откольного элемента малых размеров определяется в основном энергозатратами на его деформирование до разрушения. В условиях одномерной деформации на волновой стадии энергозатраты на деформирование материала при отколе невелики. Дальнейшее же развитие процесса сопровождается искривлением и утоньшением откольного элемента, в результате суммарный расход энергии оказывается значительным.

Таким 'образом, предлагаемый способ определения критической энергии, необходимой для полного отрыва откольного элемента, позволяет получить дополнительную прочностную характеристику материала при динамическом разрушении материала, что дает более полное описание таких процессов. Эта величина может выступать в качестве инженерного критерия, дающего возможность прогнозировать полный отрыв откольных элементов в конкретных условиях ударного нагружения и проводить расчет их конечной скорости, что в свою очередь необходимо для оценки последствий действия таких осколков.

Рис.25. Схема опытов по Изучению краевых эффектов при откольном разрушении: 1 - взрывная линза; 2 - ослабитель; 3 - ударник; 4 - образец; 5 - ограничительная шайба; 6 - противокумуля-тивная вставка

Пятая глава диссертаций посвящена исследованию особенностей высокоскоростного деформирования и динамического разрушения хрупких гомогенных материалов, таких как оптическое стекло, плавленный и монокристаллический кварц, монокристаллы рубина и сапфира. Ранее выполненные измерения близкими методами и в близких условиях нагружения дали многократно различающиеся значения динамической прочности стекла, как в области упругого деформирования, так и за пределами упругости. Противоречивость полученных результатов позволяет сделать предположение о необычном, в отличие от металлов, протекании процесса деформирования стекла в волнах сжатия и разрежения.

В данной работе проведено зондирование ударно-сжатого стекла' волнами разрежения, которое дало новую информацию для анализа особенностей его поведения при динамических нагрузках. Выполненные эксперименты со стеклами показали, что ударно-волновое нагру-жение гомогенных хрупких материалов может сопровождаться образованием волны разрушения, которая, по-видимому, представляет собой сетку трещин, зародившихся на поверхности образца и распространяющихся внутрь его с дозвуковой скоростью.

Эксперименты проведены с оптическим стеклом К19 и плавленным кварцем. Схема опытов представлена на рис. 26. В экспериментах проведено зондирование ударно-сжатого стекла волнами разрежения с тыльной поверхности образца. Импульсы ударно-волновой нагрузки большой длительности генерировались в образцах (3) взрывной линзой (1) через толстые (20 мм) медные экраны (2).

На рис. 27 представлены результаты опытов с образцами стекла толщиной 2-8 мм. Вместо короткого отрицательного выброса скорости, как в экс. периментах с кварцем, нй профилях отмечается небольшой подъем скорости, момент выхода которого на поверхность образца заметно опережает расчетный момент выхода переотраженного от экрана импульса. Можно предположить, что появление дополнительной слабой волны сжатия связано с отражением от слоя материала с меньшей, чем у исходного стекла, динамической жесткостью, который не пропускает растягивающих напряжений. Это можно объяснить, если предположить возможность дробления ударно-сжатого стекла вблизи экрана. Так как между границей вновь образованного слоя и тыльной поверхностью образца стекло находится в состоянии упругого деформирования, по интервалам времени А{ между выходом на поверхность фронта исходной волны сжатия и переотраженной волны можно определить толщину этого слоя.

0.8

№. км/с

Рис.26. Схема экспериментов по зондированию ударно-сжатых образцов волнами разрежения.

Рис.27. Профили скорости свободной поверхности образцов стекла К19 толщиной 2.37 мм (а), 5.15 мм (б), 8.2 мм (в).

На рис. 28а представлена Х4 диаграмма волновых взаимодействий на контактной границе с учетом распространения волны разрушения внутрь образца. Как видно из рис. 286, на котором представлена траектория распространения волны разрушения, построенная по результатам опытов с образцами различной толщины, разрушенный слой расширяется со временем. Этот процесс можно представить как распространение волны разрушения, скорость которой уменьшается по мере распространения. Если на расстоянии до 1 мм от экрана средняя скорость распространения волны разрушения составляет ~ 1.5 км/с, то на расстоянии 3 мм от экрана она уже не превышает 1 км/с.

Таким образоу, проведенные эксперименты позволяют сделать вывод об образовании в ударно-сжатом (вблизи динамического предела упругости) стекле слоя раздробленного материала, который имеет меньшую динамическую жесткость, чем стекло в области упругого деформирования, и не пропускает растягивающих напряжений. Под действием девиаторных напряжений сетка трещин прорастает вглубь образца. Процесс непрерывного роста зоны дробления можно характеризовать как распространение волны разрушения в напряженном материале. Формированием волны разрушения в ударно-сжатом стекле можно объяснить полученные ранее противоречия в результатах исследования его прочностных свойств и различие структуры профилей продольных и поперечных напряжений в стекле К8 при ударном сжатии.

Формирование волны разрушения в стекле было подтверждено многочисленными последующими работами для разного вида стекол и различных условий опытов. Волна разрушения наблюдалась также и-визуально с номощью высокоскоростных фото хронографов. В на-

Рис.28. Х-1 диаграмма волновых взаимодействий с учетом волны разрушения (а) и траектория распространения волны разрушения в образце (б).

V

стоящее время широко обсуждаются возможности проявления аналогичного типа разрушения для других хрупких материалов, таких как керамики и т.п.

Для определения критических разрушающих напряжений в условиях откола проведена регистрация скорости движения тыльной поверхности образцов стекла К19 и плавленного кварца, нагружаемых ударом алюминиевой пластины толщиной 2 мм со скоростью 0.7±0.02 км/с и 1.9±0.1 км/с. В проведенных экспериментах разгрузка прослежена не полностью, и откол не зафиксирован. Поэтому динамическую прочность стекла и плавленного кварца на разрыв из этих экспериментов можно лишь оценить снизу. Для стекла эта величина составляет не менее 4.2 ГПа, что сравнимо с динамической прочностью высокопрочных сталей. Такая оценка для кварца дает значение от-кольной прочности этого материала не менее 5.8 ГПа. Столь высокая объемная прочность материалов объясняется их высокой внутренней однородностью. Переход через динамический предел упругости, как показали эксперименты, не вызывает потери объемной прочности стекла.

В отличие от аморфных стекол, монокристаллические хрупкие материалы имеют выделенные плоскости легкого скола. На процесс неупругого деформирования не влияет эффект необратимого уплотнения, как это имеет место в случае стекла. По этим причинам можно ожидать некоторых различий в поведении монокристаллов и стекол.

Эксперименты с образцами синтетического монокристаллического кварца при большой длительности импульсов ударной нагрузки малой амплитуды в постановке, аналогичной условиям наблюдения волны разрушения в стекле показали, что волна разрушения в этом случае не образуется. С увеличением интенсивности ударной волны

до ~5.5 ГПа, что близко к динамическому пределу упругости Х-среза кварца, на профилях W(t) появляются мелкие беспорядочные осцилляции. При этом спад скорости в падающей волне разрежения и отрицательный выброс не фиксируются. По-видимому, разрушение в этом случае инициируется непосредственно за фронтом волны сжатия.

Измерения показывают, что динамическая прочность образцов. X-среза кварца достигает 4 ГПа при амплитуде ударной нагрузки ниже динамического предела упругости. В окрестной предела упругости прочность кварца падает практически до нуля, вероятно, в результате дробления материала. Подобная потеря прочности вблизи предела упругости в опытах со стеклом не наблюдалась, что, по-видимому, объясняется различием механизмов неупругой деформации сжатия этих материалов.

В случае материалов с высоким пределом упругости возможна генерация в ударно-сжатом материале больших растягивающих напряжений без пластической деформации и, следовательно, без образования в процессе ударного сжатия и разгрузки новых дефектов, которые могут стать потенциальными центрами разрушения. Сочетание этих двух уникальных свойств возможно в высокомодульных монокристаллах, таких как рубин и сапфир, результаты измерения динамической прочности которых также представлены в пятой главе.

Измерения динамической прочности этих монокристаллов проведены при интенсивностях ударной волны ниже предела упругости. Профили скорости демонстрируют появление откольного импульса с чрезвычайно крутым (время нарастания не менее 10 не) фронтом (рис.29), что говорит об очень быстром разрушении образца. Измеренные значения откольной прочности для образцов монокристаллического рубина, нагружаемых перпендикулярно плоскости {1120}, составили 9-10 ГПа при интенсивности сжатия 13-15 ГПа. Эти значения являются одними из максимальных значений прочности среди всех результатов инструментальных измерений динамической прочности различных материалов.

Нагружение образцов сапфира осуществлялось прямым воздействием импульсного ионного, пучка длительностью -50 не на установке "KALIF" вдоль och'Z ориентированного образца. На рис.30 показаны профили скорости свободной поверхности образцов сапфира, полученные с помощью лазерного интерферометр-а ORVIS. Максимальное давление ударного сжатия в этом опыте составляло ~23 ГПа, а максимальное растягивающее напряжение достигало 20 ГПа. При незначительном увеличении интенсивности исходного им-

Рнс.29.Результаты измерений профилей скорости контактной поверх. ности образцов рубина. Толщина образцов и экранов: 3.65 и 2 мм (1);

2.21 и 4 мм (2).

Рис.30. Профили скорости свободной поверхности образцов сапфира.

пульса сжатия до 24 ГПа (профиль "б" на рис.30) наблюдается от-кольное разрушение материала при достижении критических разрушающих напряжений величины 10.4 ГПа. Величина максимальных растягивающих напряжений, которые выдерживает ударнонагружен-ный образец без разрушения, полученная в этих экспериментах, является наивысшей среди всех результатов инструментальных измерений откольной прочности различных материалов.

Столь высокая динамическая прочность исследуемого материала объясняется не только физическими параметрами оксида алюминия, но и условиями нагружения. Во всех экспериментах амплитуда импульса не превышала динамического предела упругости, и генерация растягивающих напряжений в испытуемом материале происходила без предварительной пластической деформации и связанного с ней образования деформационных дефектов. Незначительное превышение этого предела приводит к резкому падению прочности материала вследствие предварительной пластической деформации материала (рис.306).

Таким образом, выполненные эксперименты показывают, что максимальные значения динамической прочности твердого тела реализуются в случае высокооднородных гомогенных материалов с высоким пределом упругости, когда динамическому разрушению не предшествует пластическая деформация исследуемого материала.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для исследования ударно-волновых процессов в твердых телах создан экспериментальный измерительный комплекс, включающий серию устройств для взрывного метания металлических или полимерных пластин-ударников различной толщины со скоростью 0.45-5.3 км/ с, и методы измерения параметров ударных волн с высоким пространственно-временным разрешением.

2. С использованием разработанных взрывных генераторов ударно-волновой нагрузки различной амплитуды и длительности и лазерных допплеровских измерителей скорости проведены измерения динамической прочности материалов различных классов в широком диапазоне параметров воздействия и температуры испытаний, вплоть до точки плавления.

3. Установлено, что динамическая прочность металлов является структурно-чувствительным параметром. Впервые проведены систематические измерения динамической прочности при отколе в монокристаллах меди, молибдена, ниобия различной ориентации, Установлено, что сопротивление монокристаллических образцов отколу превышает прочность поликристаллов в 2-4 раза, их прочность при этом может достигать 30-35% от максимально возможных растягивающих напряжений для данных материалов. Показано, что термообработка образцов и обратимое полиморфное превращение в ударной волне, приводящие к изменению их исходной структуры, оказывают значительное влияние на сопротивление динамическому разрушению, а с началом пластической деформации в фазе сжатия происходит заметное уменьшение динамической прочности материала на разрыв.

4. При исследовании влияния температуры испытаний на динамическую прочность свинца, олова, алюминия АД1, магния Мг95 и монокристаллов цинка, установлено, что при увеличении температуры образцов вплоть до 90% температуры плавления динамическая прочность и динамический предел упругости металлов изменяются незначительно, а резкое падение откольной прочности образцов наблюдается непосредственно вблизи точки плавления. Динамический предел упругости исследуемых материалов при этом остается постоянным или возрастает. Эти результаты свидетельствуют об атермичности механизмов высокоскоростной деформации и разрушения.

5. Предложен метод экспериментального определения соотношения внухризеренной и межзеренной прочности материалов, с помощью которого в экспериментах как с крупнозернистым лшгнием. так

п с монокристаллнческим молибденом наблюдались вариации их динамической прочности. Показано, что они становятся заметными с приближением масштаба испытаний к размеру зерна или другому характерному размеру неоднородности материала.

6. Проведенные измерения динамической прочности технических сталей и сплавов 35X3HM, Ст.45, ЭП836, ВНЖ, СтЗ и нержавеющей стали XI8HI0T, алюминиевых сплавов АД1 и АМгбМ, магния Mal и Мг95, меди М2, титановых сплавов В Г8. BT5-I и высокочистого титана составляют надежную и достаточно обширную базу данных для расчетного прогнозирования действия ударно-волновых нагрузок на материалы и конструкции, а также могут служить экспериментальной основой для разработки систем компьютерного конструирования новых материалов.

7. На основе проведенного анализа влияния краевых эффектов при отколе, определяющих возможность отрыва откольного элемента и его остаточную кинетическую энергию, предложен метод определения критической энергии отрыва откольных элементов путем ограничения зоны откола и проведены измерения критического диаметра откольной зоны, при котором происходит полный отрыв откольного элемента, для титанового сплава ВТ5-1. Показано, что основные энергозатраты при полном отделении откольного элемента малого размера связаны с деформированием и разрушением на его краях.

8. В экспериментах с оптическим стеклом К19 при одномерном на-гружении впервые обнаружено формирование волны разрушения, которая зарождается на поверхности ударно-сжатого образца и распространяется вглубь него с дозвуковой затухающей скоростью. Обнаружено, что откольная прочность монокристаллов оксидов кремния и алюминия падает до нуля при превышении нагрузки предела упругости. Полученные в экспериментах значения динамической прочности стекла и плавленного кварца превышают прочность сталей, что является следствием их высокой гомогенности. Экспериментально установлено, что максимальная прочность твердых тел реализуется в высокооднородных гомогенных материалах с высоким пределом упругости, когда динамическому разрушению не предшествует пластическая деформация исследуемого материала в волне сжатия.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Капель Г.И., Разоренов C.B., Фортов В.Е. Кинетика разрушения алюминиевого сплава АМгбМ в условиях откола. - Г1МТФ, 1984, №5, стр. 60-64.

!.. Капель ['.If.. Разоренов C.B.. Фортов В.Е. Откольная прочность металлов в широком диапазоне длительностей нагрузки. - ДАН СССР, 1984, т.275, №2, стр.369-371.

3. Агурейкин В.А.,Анисамов С.И.,Бушман А.В..Капель Г.И.,Разоренов C.B. и др. Теплофизические и газодинамические проблемы проти-вометеоритной защиты космического аппарата "Вега". - ТВТ, 1984, т.22, №5. стр.964 - 983.

4. Разоренов C.B.. Капель Г.И. Фортов В.Е. Измерение ширины фронта ударной волны в меди. - ЖТФ, 1985, т.55, №9, стр.1816-1818.

5. Капель ГЛ., Разоренов C.B., Фортов В.Е. Откольное разрушение титана ударными волнами различной интенсивности. - ЖТФ,

1986, т.56,№3, стр.586-588.

6. Разоренов C.B., Канель Г.И., Осипова O.P., Фортов В.Е. Измерение вязкости меди в условиях ударно-волнового нагружения. - ТВТ,

1987, т.25, №1, стр.65-69.

7. Канель ГЛ., Разоренов C.B., Фортов £:Е. Откольная прочность металлов в широком диапазоне амплитуд ударной нагрузки. - ДАН СССР, 1987, т.294, №2, стр.350-352.

8. Беловолов М.И., Вовченко В. И., Канель Г. И., Разоре нов C.B. и др. Применение лазерных интерферо-метрических измерителей скорости во взрывных экспериментах. - ЖТФ, 1987, т.57, №5, стр.918-924.

9. Разоренов C.B., Канель Г.И. Критерий отрыва откольного элемента с учетом краевых эффектов. - В сб. "IV Всесоюзное совещание rio детонации." Т.И,Черноголовка 1988, стр.77-83.

10. Разоренов.С.В., Канель ГЛ. Способ исследования откольного разрушения материалов. - Авторское свидетельство Т1401338 от 08.02.88, № заявки 4020694/25-28 от 13.02.86. П01ТЗ/30. Бюллетень № 21 от 07.06.88.

11. Канель Г.И.. Разоренов C.B., Фортов В.Е. Вязкоупругость алюминия в волнах разрежения. - ПМТФ, 1988, №6, стр.67-70.

12. Абазехов М.М., Канель Г.И., Разоренов C.B., Фортов В.Е. Волна разрушения в стекле при одномерном динамическом сжатии. - В сб.: "Динамическая прочность и трещиностойкость материалов." Киев, 1989, стр.9-14.

13. Канель Г.П., Разоренов C.B. Ударно-волновое нагружение металлов. Движение поверхности образца. Препринт, Черноголовка, 1989, 101 стр.

14. Разоренов C.B., Канель ГЛ., Фортов В.Е. Динамическая прочность монокристаллов меди. - ДАН СССР, 1990, т.315, №3, стр.609611.

15. Rasorenov S. V., Kernel G.I.. Fortov V.E., Ahasehov M.M. The fracture of glass under high-pressure impulsive loading. - High Pressure Research, 1991, V.6, p.225-232.

16. Разоренов С.В., Капель Г.И., Фортов В.Е., Абазехов М.М. Особенности разрушения стекла при интенсивном импульсном воздействии. - Стекло и керамика, 1991, №7, стр.13-15.

17. Разоренов С.В.. Капель ГЛ. Исследование краевых эффектов при отколе. - Проблемы прочности, 1991, №9, стр.52-55.

18. Разоренов С.В., Капель Г.И. Динамическое деформирование и разрушение пластичных и хрупких гомогенных материалов. Препринт. Черноголовка, 1992, 54 стр.

19. Разоренов С.В., Капель Г.И.. Ануфриев В.Г., Лоскутов В.Ф. Деформирование, и разрушение конструкционных сталей при импульсном нагружении. Проблемы прочности. 1992, №3, стр.42-48.

20. Kami G.I., Rasorenov S. V., and Fortov V.E. The failure waves and spallation in homogeneous brittle materials. - In:"Shock compression of condensed matter 1991," Ed. S.C.Schmidt, et al. 1992. Elsevier Science Publishers B.V.,p.451-454.

21. Разоренов С.В., Канель Г.И. Прочность монокристаллов меди и определяющие факторы разрушения металлов при одноосном динамическом растяжении. - ФММ, 1992, №11, стр. 141-147.

22. Канель Г.И., Разоренов С.В., Яловец Т.Н. Динамическая прочность рубина. - Химическая физика, 1993, т.12, №2, стр. 175-177.

23. G.I.Kanel, S.V.Razorenov, A.V.Utkin, et al. Spall strength of molybdenum single crystals. - J.Appl.Phys., 1993, V.74, №12, p.7162-7165.

24. G.I.Kanel, S.V.Razorenov, A.V.Utkin, K.Bawnung, H.U.Karow, V.Licht. "Spallation near the ultimate strength ofsolids", Inf'High-Pressure Science . Technology - 1993"Ed. S.C.Schmidt, et al. AIP, Conference Proceedings 309, New-York, 1994, p.1043-1046.

25. S. V.Razorenov, A. V.Utkin, G.I.Kanel, V.E.Fortov, A.S. Yaruniehev, K.Baumung, H. U.Karow. Response of high-purity titanium to high-pressure impulsive loading. - High Pressure Research, 1995, V 13, p.p.367-376.

26. G.I.Kanel, S. V.Razorenov, and A. V. Utkin. Spallation in solids under shock-wave loading: analysis of dynamic flow, methodology of measurements, and constitutive factors. In: High-Pressure Shock Compression of Solids II. Dynamic Fracture and Fragmentation. Ed.: L.Davison, D.E.Grady, M.Shahinpoor. Springer. 1996, p.p.1-24.

27. G.I.Kanel, S. V.Razorenov, A. V. Utkin, D.E.Grady. The spall strength of metals at elevated temperatures. - In: Shock waves in condenced matter-1995. Ed.: p.p.503-506.

28. G.l.Kanel, S. V.Razorenov, A.V.Utkin, K.Baumung. Shock wave profile data. Preprint 1-394. IVTAN, 1996. 175 p.

29. G.l.Kanel, S. V.Razorenov, A.A.Bogath, A. V.Utkin, V.E.Fortov, and D.E.Grady. Spall fracture properties of aluminum and magnesium at high temperatures. - J.Appl.Phys., 1996, V.79, №11, pp.8310-8317.

30. Г.И.Капель, С.В.Разоренов, А.В. Уткин, В.Е.Фортов. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. 1996. М., "Янус-К". 402 стр.

31. С.В.Разоренов, А.А.Богач, Г.И.Капель. Влияние термообработки и полиморфных превращений на сопротивление динамическому разрушению стали 40Х. - ФММ, 1997, №1, стр.147-152.

32. G.l.Kanel, S. V.Razorenov, A.Bogach, A.V.Utkin, and D.E.Grady. Simulation of Spall Fracture of Aluminum and Magnesium Over a Wide Range of the Load Duration and Temperature. - International Journal of Impact Engineering, 1997, V.19, pp.467-478.

33. K.Baumung, G.l.Kanel, S. V.Razorenov, D.Rusch, J.Singer, and A. V. Utkin. Investigations of the dynamic strength variations in metals. -J.Phys.IV France, 1997, p. 927.

С. В. Разоренов

Определяющие факторы откольного разрушения твердых тел в плоских ударных волнах Автореферат диссертации

Отпечатано редакционно-издательским отделом ИПХФ РАН Лицензия № 021071 от 22.08.1996

Зак. 204. 15.09.1998 г. Объем 2 уч.-изд. л. Тир. 100 экз.



1р

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

_____

/^ О1? На правах рукописи

.' л 1.

/С- - РАЗОРЕНОВ Сергей Владимирович

ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ ОТКОЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В ПЛОСКИХ УДАРНЫХ ВОЛНАХ

Специальность 01.04.07 - Физика твердого тела

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Черноголовка - 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. Особенности деформирования и разрушения

твердых тел в ударных волнах.........................................................16

§1.1. Уравнения одномерного движения сжимаемых сред. Ударные волны..........16

§1.2. Структура волн сжатия и разрежения в упругопластическом теле

и в среде с фазовыми превращениями...............................................................22

§1.3. Откольное разрушение твердых тел. Волновые взаимодействия

при отколе...........................................................................................................36

§1.4. Методы измерения откольной прочности........................................................40

Глава 2. Методы генерации ударных волн и регистрации газодинамических параметров в динамических экспериментах.........52

Введение.......................................................................................................................52

§2.1. Взрывные генераторы динамических давлений...............................................55

§2.2. Генерация ударных волн в твердых телах воздействием

импульсного ионного пучка.............................................................................67

§2.3. Методы непрерывной регистрации профилей скорости

движения вещества..............................................................................................70

Емкостные датчики скорости поверхности образца........................................71

Лазерные измерители скорости движения свободных

и контактных поверхностей образцов................................................................75

Глава 3. Влияние условий нагружения, температуры

и внутренней структуры металлов на сопротивление откольному разрушению......................................................................91

§3.1. Измерения динамического предела упругости и откольной

прочности легированных конструкционных сталей........................................91

§3.2. Разрушение металлов в ударных волнах

различной амплитуды и длительности.............................................................98

§3.3. Сопротивление откольному разрушению свинца и олова

при плавлении в волне разгрузки....................................................................111

§3.4. Влияние начальной температуры на откольную прочность металлов........121

§3.5. Влияние термообработки и полиморфного превращения

на сопротивление динамическому разрушению стали 40Х...........................133

§3.6. Откольная прочность высокочистого титана................................................140

§3.7. Динамическая прочность монокристаллов меди...........................................150

§3.8. Откольное разрушение монокристаллов молибдена и ниобия....................159

§3.9. Высокоскоростное деформирование и разрушение монокристаллов

цинка при повышенных температурах............................................................170

§3.10. Вариации динамической прочности металлов по объему образца............180

§3.11. Обсуждение результатов................................................................................190

Глава 4. Краевые эффекты при отколе........................................................195

§4.1. Анализ влияния краевых эффектов на характер разрушения

образцов при отколе.........................................................................................195

§4.2. Критическая энергия полного отрыва откольного элемента.......................201

Глава 5. Особенности разрушения хрупких гомогенных

материалов при ударно-волновом воздействии......................207

Введение.....................................................................................................................207

§5.1. Волна разрушения в ударно-сжатом стекле...................................................209

§5.2. Математическое моделирование волны разрушения в стекле......................218

§5.3. Динамическая прочность стекла и плавленного кварца...............................221

§5.4. Сопротивление динамическому разрушению монокристаллов

кварца, рубина и сапфира...............................................................................225

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................................233

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................236

ВВЕДЕНИЕ

Исследования поведения веществ при интенсивных импульсных воздействиях ориентированы, как правило, на прогнозирование реакции материалов и конструкций на динамические нагрузки. Изучение прочностных свойств материалов в условиях ударных нагрузок систематически началось с конца сороковых - начала пятидесятых годов. Они были ориентированы главным образом на решение прикладных задач, связанных в основном с оборонной тематикой, проблемами термоядерного синтеза и противометеоритной защиты и т.п. В работах советских и зарубежных ученых за последние десятилетия получен обширный материал по исследованию разнообразных свойств веществ при высоких давлениях, температурах и скоростях деформирования. В настоящее время, особенно с окончанием "холодной войны" и резкого падения спроса на подобную информацию со стороны прикладной науки и техники, встает вопрос о применении полученных знаний для развития физики твердого тела, физики прочности, материаловедения, более глубокого понимания развития процесса разрушения вещества, тех внутренних и внешних факторов, определяющих его развитие и характер.

Бурное развитие в последнее десятилетие компьютерной техники и численных методов механики сплошных сред привело к значительному прогрессу в применении математического моделирования для прогнозирования действия на различные материалы взрывов, высокоскоростного соударения, лазерных и корпускулярных импульсов. Однако, реализация такого подхода зачастую сдерживается недостатком и противоречивостью имеющихся данных о механических свойствах конструкционных материалов в условиях ударно-волнового нагруже-

ния. Процессы деформирования и разрушения вещества в ударных волнах являются существенно неравновесными и сопровождаются различными явлениями, такими как полиморфные превращения, нагрев вещества вплоть до плавления, образованием микродефектов и дислокаций. В силу их сложности и многофакторности единственным реальным способом, адекватно описывающим особенности динамического воздействия на материалы, является построение полуэмпирических определяющих соотношений, основанных на результатах экспериментальных исследований.

Таким образом, актуальность исследований сопротивления материалов высокоскоростному деформированию и разрушению определяется потребностью в экспериментальных сведениях о прочностных и упругопластических свойствах разнообразных материалов в широком диапазоне параметров нагрузки и внешних условий для построения моделей, адекватно описывающих закономерности явлений, сопровождающих ударные воздействия.

Известно, что получаемые в статических условиях прочностные характеристики материала носят интегральный характер, набор которых отражает его свойства. Их знание позволяет сопоставлять свойства материалов, однако они не являются строгими и однозначными. Так величина ав - технический предел

прочности, скорее отражает потерю устойчивости конкретного образца, а величину Б к - истинное напряжение разрушения, можно определить далеко не для всех материалов. Для пластичных материалов, например для меди, эти величины могут отличаться на порядки. Кроме того, в условиях статических стандартных испытаний - одномерной нагрузке и трехмерной деформации, существенную роль при разрушении играет состояние поверхности образцов, откуда, как правило, и

начинается его развитие.

Эксперименты с плоскими ударными волнами дают возможность изучения сопротивления материалов высокоскоростному деформированию и разрушению в условиях весьма малых одноосных деформаций при напряженных состояниях, близких к всестороннему растяжению. При этом исключается влияние поверхности тела и окружающей среды на процесс динамического деформирования, а критические разрушающие напряжения не чувствительны к отдельным относительно крупным дефектам материала.

Динамическая прочность материалов в области экстремально малых (1(У5-10"8с) длительностях нагрузки исследуется путем анализа откольных явлений при отражении импульсов сжатия различной интенсивности от свободной поверхности тела. Активно экспериментальные и теоретические исследования откольных явлений стали развиваться в конце 50-х - начале 60-х годов. Начатое в нашей стране в работах Л.В.Альтшулера, С.А.Новикова, А.Г.Иванова во ВНИИЭФ в Арзамасе-16, это направление развивалось в Санкт-Петербурге под руководством Златина H.A. и Пугачева Г.С., в Киеве - Степановым Г.В., Астаниным В.В., Ро-манченко В.И. с коллегами, Платовой Т.М., Хоревым И.Е., Макаровым П.В. и другими в Томском университете. Исследования различных аспектов динамического разрушения при отколе продолжены в работах Канеля Г.И., Молодца

A.M. (Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка), Мещерякова Ю.И. с коллегами (Институт машиноведения РАН, Санкт-Петербург), Голубева

B.К., Соболева Ю.С., Батькова Ю.В. и других (ВНИИЭФ, г.Саров), Нигматули-на Р.И., Ахмадеева Н.Х. (УО РАН, г.Уфа), Наймарка О.Б. с коллегами (Институт механики сплошной Среды, г.Пермь), а также в работах других исследователей.

За рубежом основные результаты по аналогичным исследованиям получены в США в работах Grady D.E., Kipp М.Е., Shockey D.A., Curran D.R. Seaman L., Graham R.A., Asay J.R., Chhabildas L., Zurek A.K.,Murr L.E., Meyers M.A. и других ученых в США, Англии, Франции и других странах.

Однако, зачастую полученные по динамическому разрушению материалов результаты дают противоречивое представление о протекающих при этом процессах, нет достаточно надежного объяснения и обоснования причин наблюдаемых эффектов. В настоящее время сформировалось два основных направления исследований откольных разрушений - металлографический анализ зоны откола в сохраненных образцах и инструментальные измерения критических разрушающих напряжений в условиях откола. В первом случае исследования дают информацию о механизмах зарождения и развития микротрещин или пор, их статистическое описание, пороговые напряжения образования магистральной трещины. На основе полученных данных возможно построение математических моделей процесса разрушения и оценка ресурса работы материала в экстремальных условиях нагрузки. Наиболее достоверным и информативным методом определения разрушающих напряжений при отколе представляется метод, основанный на непрерывной регистрации скорости движения тыльной поверхности образца в процессе откольного разрушения. Такие измерения дают не только количественные данные 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 при ипульсном нагружении и

систематическое изучение влияния параметров нагрузки и исходного состояния материала (структуры, температуры, фазовых переходов) на процесс высокоскоростного деформирования и разрушения при ударно-волновом нагружении.

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 положения, выносимые на защиту.

1. Метод генерации коротких импульсов сжатия с помощью метания тонких фольг ударной волной. Физический предел применимости лазерных измерителей скорости.

2. 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 предварительно нагретых образцах и в процессе плавления материала при нагреве в ударной волне и результаты исследования влияния температуры на процесс откольно-го разрушения металлов.

3. Метод и результаты исследования краевых эффектов при откольном

разрушении. Энергетический критерий отрыва откольного элемента.

4. Результаты по исследованию формирования и распространения волны разрушения в стекле и данные по сопротивлению стекла, плавленного и монокристаллического кварца и монокристаллов сапфира и рубина динамическому разрушению.

Новизна полученных результатов. Для возбуждения в исследуемых образцах коротких импульсов сжатия отработана методика метания тонких фольг ударной волной через пластину-ослабитель со скоростью 450-700 м/с, позволяющая создавать в образцах импульсы сжатия длительностью до 5-10"8 с. 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 отколь-ную прочность металлов. Впервые проведены экспериментальные измерения вариаций откольной прочности по объему образца для крупнозеренного по-

ликристаллического 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 от термофлуктуационного к атер-мическому надбарьерному скольжению дислокаций.

Предложены способы регистрации профилей скорости поверхности в процессе плавления образцов вследствие нагрева материала ударной волной, а также предварительно нагретых образцов во взрывных экспериментах. С использованием этих методик показано, что зависимость критических растягивающих напряжений при отколе нагретых образцов свинца, олова, поликристаллических образцов алюминия, магния и монокристаллов цинка носит немонотонный характер вследствие локального плавления вещества вблизи точки плавления.

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 длительности нагрузки. Установлено, что сопротивление монокристаллических образцов отколу превышает прочность поликристаллов в 2-4 раза, их прочность при этом может достигать 30-35% от максимально возможных растягивающих напряжений для данных материалов, а максимальные критические разрушающие напряжения реализуются в хрупких монокристаллах с высоким пределом упругости, не подверженных пластической деформации перед разрушением.

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 от-кольного 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 распространияется за ударной волной с дозвуковой скоростью.

Практическая и теоретическая ценность работы. Полученные в работе экспериментальные данные по сопротивлению откольному разрушению широкого круга металлов в широком диапазоне температур, амплитуды и длительности ударных нагрузок используются для построения определяющих соотношений в расчетах динамического воздействия на материалы и реальные конструкции. Материалы исследований использовались в расчетах при проектировании новых технических устройств, в частности, при разработке противометеоритной защиты космического аппарата "Вега". Полученная эксперимен