Поведение порошковых материалов в условиях двумерного взрывного нагружения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК - ...о ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ

На правах рукописи УДК 539.3:612.7:532.593

Костюков Николай Александрович

ПОВЕДЕНИЕ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ДВУМЕРНОГО ВЗРЫВНОГО НАГРУЖЕНИЯ

01.02.04 - механнка деформируемого твердого тела

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание упчгоп степени доктора физико-математических наук

Н< >1!ОГ11'\П[Н'К

1953

Работа выполнена б Ордена Трудового Красного Знамени Институте гидродинамики им. 'М.А.Лаврентьева СО РАН

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

профессор С.С.Григорян; доктор физико-математических наук, профессор А.Н.Папырин; доктор физико-математических

наук, профессор Е.Н.Шер. Ведущая организация: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН.

Защита состоится " МО^хоз. 1994 года в часов на заседании специализированного совета Д 003.22.01 при Институте теоретической и прикладной механики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск-90, ул. Институтская, 4/1, Институт теоретической и прикладной механики СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института теоретической и прикладной механики СО РАН. Автореферат разослан 1994 г!

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

В.И.Самсонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

Для создания научных основ взрывных технологий и направлен-

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

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

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

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

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

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

намшш им. М.А.Лаврентьева СО РАН (руководитель - академик TiiToo В.М.), Института теоретической и прикладной механики СО РАН (руководитель - профессор Фомин В.М.), Конструкторско-тех-нологического института гпдропмпульсной техники СО РАН (руководитель - профессор Дерибас A.A.), а также на следующих Всесоюзных и Международных симпозиумах, конференциях и семинарах: II-rVII Международных конференциях по обработке металлов взрывом (ЧССР, Марпанске-Лазнп, 1973 и 197G г.г.; Готтвальдов, 1979, 1982 и 1985 г.; Пардубице, 1988 г.), Международной конференции "Высокоэнергетпческая обработка металлов с применением взрывчатых веществ" (ПНР, Варшава, 1975 г.), Международном симпозиуме "Применение энергии взрыва в металлообработке" (НРБ, Русе. 1979 г.), I-i-III Всесоюзных школах-семинарах по физике взрыва и прпмененню взрыва в эксперименте (Новосибирск, 1977 и 1980 г.г.; Красноярск, 1984 г.), на III Всесоюзном симпозиуме по импульсным давлениям (Менделеево, 1979 г.), Международной конференции по ме-таллофпзпчеекпм явлениям при высокоскоростной деформации и их применению (США, Альбукерк, 1980 г.), II Всесоюзном совещании по обработке металлов взрывом (Новосибирск, 1981 г.), Всесоюзном семинаре по пластической деформации п актуальным проблемам прочности сплавов п порошковых материалов (Томск, 1982), X Всесоюзной конференции по численным методам решения задач упругости и пластичности (Красноярск, 1987), III Всесоюзной школе-семинаре "Физика нмпульсных разрядов в конденсированных средах" (Николаев, 1987 г.) IX и X Международных конференциях по высокоэнер-гетпческому воздействию на материалы (СССР, Новосибирск, 198G г.; СФРЮ, Любляна, 1989 г.), Международном семинаре по высо-коэнергетическон обработке быстрозакаленных материалов (СССР, Новосибирск, 1988 г.), Международной конференции по высокоскоростным деформационным явлениям в материалах (США, Сан Диего, 1990 г.), на V Всесоюзном совещании по детонации (Красноярск, 1991 г.) п на II Международном симпозиуме по интенсивным динамическим воздействиям п их прпмененню (КНР, Ченгду, 1992 г.).

На ¡защиту выносятся следующие основные положения:

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

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

3. Результаты экспериментальных и численных исследовании влияния пористости и температуры материала на режимы и параметры наклонных ударно-волновых отражении, метод расчета критических параметров отражения в нереагирующпх порошковых смесях. Экспериментальное доказательство изменения состава продуктов взрыва за фронтом отраженной волны в смссевых аммначно-селитряных взрывчатых веществах.

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

дых тел.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность изучения двумерных импульсных процессов в неконсолидированных пористых средах, сформулирована цель исследовании, приведен краткий обзор работ, близких к теме диссертации п указаны основные научные результаты, выносимые на защиту.

Глава I. Поведение порошковых материалов вблизи границы раздела с контактным зарядом взрывчатого вещества. Изучение двумерных процессов, протекающих в ПМ вблизи границы раздела с контактным зарядом взрывчатого вещества, представляет самостоятельный научный интерес и имеет прямое отношение к прикладным задачам взрывного компактпрования. Кроме того, аналогичные условия возникают в ближней зоне взрыва удлиненных зарядов в грунте (Элнзбарашвплп Т.Ш., 1973), при защите конструкций от действия взрыва с помощью пористых экранов (Нпг-матулпн Р.И., 1987; Кудпнов В.М., Паламарчук Б.И. и др., 1976) и взрывной хнмпко-термпческон обработке металлов (Козорезов К.И., Мпркин Л.И. п др., 1974).

Принимая во внимание недостаточное количество экспериментальной информации по рассматриваемой проблеме, главной задачей исследований было получение экспериментальных данных по следующим вопросам: 1) соотношение между размером, на котором сжатие ПМ достигает максимального значения (шириной фронта ударной волны) и характерным масштабом, на котором происходит заметное изменение ударно-сжатого состояния ПМ, 2) характер напряженного состояния в косой ударной волне, 3) особенности поведения

в области сжатия порошковых материалов с твердыми примесными включениями другого материала в виде частиц или армирующих волокон.

Исследования проводились в плоской двумерной постановке на различных ПМ с широким спектром фнзнко-механпческих свойств (металлах, оксидах, нитридах, карбидах и других). Плотность материала в исходном состоянии составляла 0.3-Ь0.7 плотности монолита, амплитуды нагружения изменялись в диапазоне 1ч-10 ГПа, представляющем наибольший интерес в плане практических ирплолсений.

В первом разделе рассмотрены методические проблемы экспериментального исследования двумерных ударно-волновых процессов, обусловленные сложной геометрией фронта косой ударной волны, неравномерным распределением энергии нагружения и недостаточной ''живучестью" датчиков внутреннего типа в условиях градиентного течения. Приведено описание трех взаимодополняющих методик, использованных в настоящей работе: рентгеноимпульсной (Шгап! \¥.С. и др., 1970), оптической (Коткн в.II, 1йЬс11 \\'.М., 1905) и электромагнитной (Зайцев В.М., Похил П.Ф., Шведов К.К., 1960). Проанализированы особенности пх применения и необходимые корректировки, обусловленные высокой сжимаемостью ПМ ii большой величиной скорости распространения возмущений в уплотненном материале по сравнению со скоростью распространения ударной волны.

В этом же разделе приводятся результаты изучения структуры фронта ударной волны в ПМ. Такая информация необходима для разработки модельного описания поведения ПМ в момент нагружения. Исследования проводились с помощью электромагнитного метода регистрации изменения массовой скорости вещества во времени. Для регистрации взаимной ориентации рабочей части электромагнитного датчика п фронта косой ударной волны применялся метод импульсного рентгенографирования. На экспериментальных профилях массовой скорости не обнаружено наличие волн-предвестников, характер нарастания скорости во фронте близок к ступенчатому. Такие волновые структуры тишины именно для неконсолидированных пористых сред, так как в консолидированных средах (пенах, спеченных порошках н других) при близких значениях пористости,

дисперсности п параметров нагружения четко регистрируются многоволновые профили, обусловленные налипнем "жесткого" каркаса (Davison L.W., 1971; Linde R.1С., Seaman L., Schmidt D.N., 1972 и др.). Величина размытия фронта 105, где 5 - средний размер частиц ПМ. Учитывая наличие систематической ошибки измерений, обусловленной экспериментальными трудностями ориентации рабочей пасти датчика параллельно поверхности фронта ударной волны, полупенные данные следует рассматривать как верхнюю границу ширины фронта.

Исследование геометрии ударно-волновых фронтов с помощью методов импульсного рентгенографпрования и фоторегпстрацнп, а также изучение характера изменения массовой скорости ПМ вдоль фронта и за фронтом на основе электромагнитного метода показали, что в ближней зоне взрыва существует область однородного течения ПМ, в которой изменение параметров сжатия пренебрежимо мало по сравненшо с пх амплитудными значениями. Размеры области во много раз превышают ширину фронта и сравнимы с толщиной заряда взрывчатого вещества. Ниже области однородного течения наблюдается значительное искривление фронта ударной волны и существенное уменьшенне массовой скорости, свидетельствующие об интенсивном процессе затухания. На основе сопоставления соответствующих временных интервалов установлено, что напало интенсивного затухания коррелирует с прекращением воздействия на ПМ со стороны продуктов взрыва. Это означает, что уменьшение ударно-волновых параметров происходит не только за счет диссппативных процессов, но и в связи с перераспределением полученного от заряда импульса на увеличивающуюся массу ударно-сжатого ПМ. При изменении среднего размера частиц ПМ от десятков до сотен микрон не обнаружено заметного влияния дисперсности материала на характер затухания косых ударных волн.

Во втором разделе приведены результаты исследования особенностей поведения ПМ с дисперсными включениями другого материала. Интерес к этой проблеме обусловлен возможностью получения путем взрывного компактирования новых порошковых композиционных материалов, отличающихся по свопм свойствам от традицп-

онных металлов и сплавов. С помощью метода импульсного рентге-нографированпя проведены прямые экспериментальные наблюдении взаимного положения частиц ПМ п включении в исходном состоянии п в заданный момент взрывного нагружения. Объекты исследования представляли собой двухкомпонентные композиты из частиц лег/ого ("'прозрачного" для рентгеновского излучения) материала, между которыми в определенном порядке размещались примесные включения в виде частиц или волокон тяжелого ("непрозрачного'") материл ia.

Основной результат этого раздела заключается в обнар\ - сшш эффекта проникающих перемещений примесных включений в . !.шт-нешшм материале. Экспериментально установлено, что величина относительного перемещения компонентов может быть сравнима с шириной фронта ударной волны, но может п превышать это значение во много раз. В количественном отношении эффект зависит от энергии ударного нагружения, физико-механических свойств материала примесных включении н нх морфологии. При энергиях ударного нагружения, превышающих некоторое пороговое значение, наблюдалось качественное изменение характера обтекания примесных включений ударно-сжатым ПМ, сопровождающееся отрывом пограничного слоя от тыльных поверхностей включений п образованием застойных зон. Особого внимания заслуживает установленный в работе факт, что указанные эффекты имеют место в твердофазном ударно-сжатом ПМ при плотности, близкой к плотности монолита.

Третий раздел посвящен описанию поведения ПМ за фронтом ударной волны в предположении, что определяющие уравнения материала не заданы, но имеется экспериментальная информация о параметрах течения в отдельных точках. На основе экспериментальных данных, полученных в первом разделе, ширина фронта ударной волны считалась пренебрежимо малой по сравнению с характерными размерами области нагружения. Изменение нормальной к фронту компоненты массовой скорости аппроксимировалось линейной функцией vx — U + at. Коэффициенты Una подбирались из условия совпадения расчетных п экспериментальных данных в отдельных точках исследуемой области. Получена система уравнений, описывающая поле скоростей за фронтом ударной волны. Найдено выражение для

нормальной к фронту компоненты тензора напряжении ахх череп нормальную их и касательную г;у компоненты скорости.

выполняющееся вдоль линии тока

йх Ух' 1>у(ух - и)

У - Уо =

а

где ро - начальная плотность ПМ, И - скорость распространения ударнохг волны, уо - координата фронта волны.

Экспериментально установлено, что в исследованных диапазонах параметров нагруженпя и порпстостей касательные к фронту напряжения аху удовлетворяют неравенству

и I

<1,

Ро£>2с^(р

где <р - угол между вектором нормали к фронту и направлением распространения нагрузки. С учетом этого разработан универсальный (в плане возможности применения к ПМ с различными фнзпко-механичеекпмн свойствами п смесям) экспериментальный метод определения динамической сжимаемости пористых сред е = р//>о, основанный на рентгенонмпульсной регистрации углов наклона фронта ударной волны <р и отклонения вектора массовой скорости в:

г = Чч> ч^-еу

Модельное оппсанпе поведения ПМ с твердыми прпмеснымп включениями встречает серьезные трудности, обусловленные отсутствием каких-либо методов определения сил мсжчастпчного взаимодействия. В работе показана возможность описания наблюдаемых течений в некоторых частных случаях (когда примесные включения имеют правильную сферическую пли цилиндрическую форму, а объемная доля их невелика) на основе представления ударно-сжатого ПМ

вязкой жидкостью с подходящим коэффициентом вязкости. Допустимость такого представления следует из результатов экспериментов по наблюдению безотрывных и отрывных режимов обтекания и регистрации вязкого следа на границах застойных зон. Уравнение движения цилиндрического волокна в ударно-сжатой области взято в виде (Ким Г.Х., 1984)

0 <1и , с1(ь — и) , __Г V } йЫ — и) <1т ■1

*г = р Ъ + - / -аг-^г7Г

дР

+гр(ь — и)|и — и| ■ — яг2——,

ох

где р1, г, и, I - плотность, радиус, скорость и время движения цилиндра, Р, р,у л р - давление, плотность, скорость течения и вязкость ударно-сжатого ПМ, Яе = 2гр(и — и)/р., ф(Яе) - известная экспериментальная зависимость. Движение сферических частиц рассчитывалось на основе уравнения, приведенного в работе Соу С. (1971).

Возможность использования одномерного уравнения движения для описания наблюдаемых двумерных течений обусловлена тождественностью примесных включений и автомодельностью процесса. Для вычисления разности скоростей (г; — и) использовались данные о смещении примесных включений относительно основного ПМ, а для определенпя скорости и - данные о смещении включений относительно исходного состояния. Необходимые значения временных интервалов рассчитывались по расстоянию, пройденному фронтом ударной волны.

Один из основных выводов Гиавы I состоит в том, что в исследованных условиях нагружения, характеризующихся большими деформациями и значительными градиентами давлений и скоростей, поведение ПМ в твердофазном ударно-сжатом состоянии во многом аналогично поведению вязких жидкостей. Установлены эффективные значения вязкости некоторых ПМ оа фронтом ударной волны: графита и алюминия ~ 102Па-с, хлорида натрия ~ 103Пас (на основе эффекта скоростного запаздывания примесных включений); магния

102Пас (на основе эффекта возникновения застойных зон за примесными включениями); меди ~ 102Ч-103Па-с (на основе регистрации

размеров вязкого следа за примесными включениями).

Глава II. Симметричное столкновение плоских ударных волн.

Двумерное взрывное нагружение ПМ, как правило, сопровождается возникновением сложной картины ударно-волновых взаимодействий. Наиболее распространенные из них - симметричное столкновение ударных волн и наклонное отражение от поверхностей твердых тел, контактирующих с ПМ. При симметричном столкновении область нагружения представпма в виде суммы двух зеркально отображенных областей, соответствующих отражению одной волны от "абсолютно жесткой" стенки, расположенной в плоскости столкновения. В этом смысле симметричное столкновение является частным случаем общей проблемы наклонного отражения ударных волн от границы раздела ПМ с деформируемыми преградами. Одна из целей выделения симметричного столкновения в отдельную главу - изучение особенностей отражения, обусловленных только исходными характеристиками исследуемого материала, вне связи со свойствами преграды.

Первый и второй разделы главы посвящены постановке задачи и описанию методов исследования, основанных на использовании импульсного рентгенографпрования образцов в момент нагружения, металлографии сохраненных после нагружения компактов и изучении отпечатков, возникающих на поверхностях специально ориентированных мишеней при наличии в ПМ области высокоскоростного течения. В третьем разделе приводятся результаты изучения регулярных режимов отражения ударных волн (рис. 1а). Такие режимы имеют место при малых углах столкновения. Они наиболее перспективны в плане получения однородных компактов. Деформирование ПМ осуществляется двумя сталкивающимися ударными волнами (АО и ОВ) и двумя отраженными (ОС п ОБ), исходящими из вершины угла, образованного фронтами сталкивающихся волн. Сопоставление экспериментальных данных по регистрации ударно-волновой картины ,с результатами численных расчетов показало, что удовлетворительное описание наблюдаемых режимов может быть получено на основе уравнения состояния Ми-Грюнайзена. Обнаружены нсио-

всстные ранее принципиально важные для взрывного компактпро-ванпя особенности регулярных отражений в пористых средах: а) давление отражения является неубывающей функцией угла столкновения (т.е. носит аномальный характер) практически во всей области допустимых значений и может превышать амплитуду сталкивающихся волн на порядок, б) коэффициент усиления давления убывает с увеличением амплитуды сталкивающихся волн, в) изменение угла столкновение и амплитуды сталкивающихся волн позволяет независимо в широких пределах изменять среднюю температуру и давление в области сжатия, что особенно важно для компактированпя структурно неустойчивых ПМ.

Регулярные режимы отражения наблюдаются при углах столкновения, не превышающих некоторой критической величины, зависящей от амплитуды сталкивающихся волн и исследуемого ПМ. При критическом угле достигаются экстремальные значения параметров состояния в области сжатия, а его превышение приводит к возникновению качественно нового режима отражения - нерегулярного. В связи с этим важное значение имеет проведенное в работа исследование зависимости величины критического угла и соответствующих ему критических параметров отражения от амплитуды сталкивающих волн и основных характеристик материала: начальной плотности, дисперсности, температуры. На основе результатов экспериментальных и численных исследований установлено, что уменьшение исходной плотности материала на десятки процентов приводит к значительному (в несколько раз) уменьшению области углов, соответствующих регулярным отражениям. При этом происходит качественное изменение зависимости величины критического угла от амплитуды ударных волн (рис. 2) в наиболее интересном с практической точки зрения диапазоне параметров нагружения. Эффект не зависит от размера частиц в исследованном диапазоне дисперсностеи ПМ. В этом же разделе дано качественное объяснение обнаруженных закономерностей. Они связываются со слабой зависимостью плотности сжатого ПМ от амплитуды ударной волны.

Доказательство кардинального влияния начальной плотности материала на параметры регулярного отражения н величину крити-

чсского угла столкновения является принципиально важным результатом. Данные предшествующих исследований ударно-волновых отражений в монолитных металлах (Альтшулер Л.В., Кормер С.Б. и др., 1901) представляют собой его частный случай при нулевой пористости. В этом смысле полученный в настоящей работе результат носит обобщающий характер.

Изучение влияния температуры материала на параметры отражения представляют интерес в связи с задачами взрывной обработки тугоплавких п хрупких сплавов, а также материалов, способных испытывать полиморфные превращения. Исследования проводились численно в предположении, что материал подчиняется уравнению состояния Мп-Грюнайзена, а изменение его внутренней энергии с нагревом описывается в приближении Дебая. Основной результат состоит в том, что в изученных диапазонах изменения температур и интенсивности"! сталкивающихся волн изменение параметров отражения в исследованных материалах (алюминии, меди, вольфраме) в основном находится в пределах экспериментальной ошибки существующих методов регистрации.

Результаты исследования регулярных режимов использованы при разработке метода приближенного расчета критических параметров отражения. Достоинство метода в том, что он позволяет прогнозировать параметры отражения на основе минимума информации -динамической сжимаемости исследуемого материала. В основу метода положено упрощенное описание адиабаты двукратного сжатия ИМ и гипотеза, согласно которой смена режима отралсения происходит при достижении максимально возможного угла поворота течения за фронтом отраженной волны. Сопоставление результатов приближенных расчетов с экспериментальными данными п точными решениями свидетельствует об удовлетворительном согласии. Это позволяет существенно расшпрпть круг материалов, для которых критические параметры могут быть определены. В частности, приближенный метод представляется особенно удобным для материалов, у которых отсутствует уравнение состояния, а ударные адиабаты известны или могут быть рассчитаны: сплавы, химические соединения, порошковые смеси и другие.

Четвертый раздел посвящен поучению нерегулярных режимов отражения (рис. 16). Они характеризуются возникновением между сталкивающимися волнами новой ударной волны - маховской (OOi), что существенно осложняет процесс деформирования ПМ и затрудняет получение однородных компактов. В этом плане важное значение приобретает изучение состояния материала в области ударного сжатия. В работе проведены численные исследования возможности существования в ПМ простых маховекпх конфигураций, при которых области сжатия маховской п отраженными волнами разделены поверхностями скольжения ОТ п О1Т1 (Henderson L.P., Lossi A.J., 1975). Установлено, что такие конфигурации могут иметь место одновременно с регулярными в узкой области углов столкновения, расположенной вблизи верхней границы регулярных отражений. Экспериментально показано, что за фронтом маховской волны материал, имеет меньшую плотность и более высокие значения скорости и тепловой энергии по сравнению с соседними периферийными областя-мп, испытавшими двукратное сжатие в падающих и отраженных волнах. На основе разработанных методов регистрации области сжатия за маховской ударной волной получены данные о минимальных ' значениях углов столкновения, соответствующих возникновению нерегулярных режимов отражения в исследованных модельных материалах. В целом можно сделать вывод, что в пределах погрешности эксперимента они совпадают с критическими значениями углов, отвечающих верхней границе области существования регулярных ре-жпмов.

В этом же разделе приведены результаты экспериментальных исследований процесса расширения ПМ после выхода на его поверхность нерегулярной ударно-волновой конфигурации. На примере пористых титана и алюминия показано, что при углах столкновения близких к критическим, увеличение тепловой энергии за фронтом маховской волны может быть настолько большим, что становится возможным плавление или испарение материала в волне разгрузки. Эффект обусловлен высокой скоростью распространения маховской волны, что в свою очередь вызвано малостью критических углов. Полученные в четвертом разделе результаты являются принципиально

1G

важными для развития в Пгавс IV представлений о механизмах возникновения неоднородностей в объеме получаемых компактов.

В пятом разделе проанализирована возможность прогнозирования критических параметров отражения ударных волн в нереагиру-ющих и реагирующих порошковых смесях. На основе сопоставления экспериментальных данных с результатами численных расчетов установлено, что предложенный в третьем разделе приближенный метод удовлетворительно описывает значения критических углов в порошковых композитах TiC/TiNi (50/50) и X20HS0/BN (85/15), представляющих интерес для решения конкретных прикладных задач. При этом важным условием является отсутствие химических реакций между компонентами смесей. На примере смесевого взрывчатого вещества показано, что в реагирующих порошковых смесях воз-молшо изменение состава смеси в отраженной волне. С учетом этого предложен полуэмппрический метод расчета критических углов отражения детонацнонных волн в смесевом аммпачно-селптряном взрывчатом веществе - аммоните ОЖВ, имеющем широкое применение при компактпровашш ПМ и других видах обработки материалов взрывом.

Глава III. Наклонное отражение ударных волн от границы

раздела порошкового материала с деформируемой преградой.

Наклонные отражения ударных волн от границ раздела ПМ с деформируемыми твердыми телами (преградами) представляют особый интерес в связи со значительным влиянием материала преграды на поведение ПМ в приповерхностной зоне. При взрывном компактпровашш композиционных материалов деформируемыми преградами являются основание, на котором размещен Г1М, стенки контейнера сохранения, различные твердые примесные включения в виде стержней, упрочняющих волокон и т.д.

Структурное построение главы основано на отдельном рассмотрении "сверхзвуковых" и "дозвуковых" (относительно скорости распространения объемных возмущений в материале преграды) режимов перемещения падающей ударной волны вдоль поверхности преграды. В первом разделе описана постановка экспериментов. Нзу-

чепнс поведения ПМ в процессе нагружения проводилось преимущественно в плоской двумерной постановке с помощью рентгснопм-пульсной и оптической методик. Металлографические исследования сохраненных после нагружения компактов проводились на плоских п осесимметрпчных образцах. В осесимметрпчных образцах преградами служили металлические стержни, коаксиально расположенные внутри исследуемого ПМ.

Результаты исследования "сверхзвуковых" отражений приведены во втором разделе. При таких нагруженпях скорость перемещения падающей волны вдоль контактной границы превышает скорость распространения возмущений в материале преграды, поэтому в ней возникает преломленная ударная волна. Однородное деформирование ПМ наблюдается при регулярных режимах отражения (рис. За), которые реализуются при малых углах падения ¡р и характеризуются наличием двух ударных фронтов в ПМ (падающего АО и отраженного ОС) и одного в материале преграды (преломленного ОС). Линия ударно-волнового ветвления (точка О на рис. За) скользит вдоль отражающей поверхности ОЕ.

При углах падения, превышающих критическое значение 1р*, характер деформирования ПМ осложняется. Линия ветвления падающего п отраженного фронтов отходит от поверхности преграды и в ПМ возникает третья ударная волна - маховская 00] (рис. 36). т.е. отражение носит нерегулярный характер. Экспериментально и численно установлено, что при фиксированных ПМ и амплитуде падающей волны,величина критического угла зависит от акустического импеданса отражающего твердого тела п скорости распространения преломленной ударной волны. Металлографические исследования показывают, что граница (ОТ) между областями, сжатыми маховской и отраженной волнами, представляет собой поверхность скольжения пли переходную зону вязкого течения (при малых амплитудах ударных волн). В бинарных порошковых смесях зарегистрировано искривление фронта маховской ударной волны, свидетельствующее о фильтрации частиц тяжелого компонента через границу ОТ нз области 2, сжатой отраженной ударной волной, в область 4, сжатую маховской волной. Наличие фильтрации подтверждается результатами

изучения сохраненных после нагружения компактов.

Третий раздел посвящен изучению "дозвуковых" режимов отражения (рис. 3 в, г). Они реализуются при достаточно больших углах падения, когда скорость распространения нагрузки вдоль контактной граннцы меньше скорости распространения возмущений в преграде. С помощью методов импульсного рентгенографирования и металлографии показано, что на начальном участке "дозвукового" режима отражения в приповерхностной зоне преграды формируется бугор пластической деформации КД. Далее отражение может происходить в установившемся режиме, со стационарным бугром деформации, или в неустановившемся, при котором процесс деформации контактной границы близок к волновому, характерному для сварки взрывом (Дернбас A.A., 1972). Результаты экспериментов показывают, что высота стационарного бугра коррелирует с пределом текучести материала преграды.

Возникновение бугра деформации, бегущего вдоль отражающей поверхности, является причиной встречного (по отношению к падающей ударной волне) импульсного воздействия на ПМ со стороны твердого тела. Изучение особенностей деформирования сферических порошков в условиях "дозвукового" отражения с учетом результатов работ Taniguchi Т. и др. (1986), Нестеренко В.Ф. (1988), Mamalis A.G. и др. (1989) позволило установить, что интенсивности падающей волны и встречного пмпульса могут быть сопоставимы. В этом плане рассматриваемое воздействие на ПМ со стороны твердого тела уместно моделировать отошедшей от бугра волной сжатия или ударной волной ДО. Результаты экспериментов показывают, что взаимодействие падающей и отошедшей волн осуществляется в регулярном (рис. Зв) и нерегулярном режимах с образованием ма-ховской волны OOi и поверхностей скольжения или переходных зон ОТ п OiTi (рис. Зг). Особого внимания заслуживает тот факт, что обнаруженный эффект встречного импульсного воздействия со стороны отражающей преграды специфичен именно для порошковых материалов. Многочисленные исследования ударно-волновых отражений на контактных границах газовых сред с твердым телом (Баженова Т.В. и др., 1986) не могли привести к обнаружению указан-

ных "дозвуковых" режимов, поскольку кинетическая энергия газа за фронтом падающей ударной волны недостаточна для создания пластической деформации в поверхностном слое отражающего твердого тела.

Плавный результат второго н третьего разделов состоит в выяснении волновой картины на контактной границе ПМ с деформируемым твердым телом и установлении основных характеристик твердого тела, влияющих на процесс отражения (акустический импеданс, обусловливающий давление отражения; модуль объемного сжатия, характеризующий скорость распространения возмущений; предел текучести, определяющий высоту бугра пластической деформации). Результат представляет особый интерес в связи с задачами взрывного нанесенпя ПМ на изделия сложной формы.

В четвертом разделе рассмотрена проблема передачи ударного давления пз произвольной среды (1) через пористую прослойку (2) твердому телу (3) в условиях плоского двумерного нагруженпя. Результаты исследований Гельфанда Б.Е., Губпна С.А., Когарко С.А. (1975), Воскобойникова И.М., Гогули М.Ф. п др. (1977), Кедрпн-ского В.К. (1980) показывают, что при прохождении через рассматриваемые системы одномерных ударных импульсов пористый материал может передавать большее давление твердому телу, чем этот же материал в беспорпстом состоянии. Однако для ряда практических приложений (задачи взрывного компактированпя, применение пористых экранов для защиты конструкций от действия взрыва и др.) более актуально сопоставление ударных давлений, передаваемых твердому телу через пористую прослойку п без нее (т.е. в условиях непосредственного контакта среды (1) с твердым телом) при наклонных падениях ударных волн. В настоящей работе с использованием метода ударных поляр установлен критерий усиления, который показывает, при каком условии ударное давление, передаваемое из среды (1) твердому телу через пористую прослойку, будет выше, чем давление, передаваемое при непосредственном контакте среды (1) с твердым телом. Для малых углов падения фронта ударной волны на поверхность пористого слоя (ß) п регулярных режимов отражения

на границе пористого слоя с твердым телом критерии имеет вид

(Сф\1с2р2

V W '

где f>,D,c - плотность материала, скорость распространения удар-нон волны и объемная скорость ¡звука в ударно-еж атом состоянии. Индексы означают номер слоя в направлении распространения удар-нон волны.

На основе полученного критерия в пятом разделе экспериментально показана возможность применения порошковых прослоек для увеличения эффекта взрывного упрочнения металлов. Установлено, что при наличии правильно выбранных прослоек между зарядом взрывчатого вещества и упрочняемой поверхностью величина упрочнения стали может превышать упрочнение при непосредственном контакте с зарядом в 1.2-гЗ.О раза. Эффект обусловлен увеличением амплитуды ударного воздействия иа стальной образец, которое достигало 5-кратного значения в исследованных условиях нагруження.

Глава IV. Структурные неоднородности порошковых компактов, обусловленные особенностями двумерных ударно-волновых нагружений.

Особенности поведения ПМ в условиях двумерного взрывного нагруження обусловливают широкий спектр макронеодпородностей в объеме получаемых компактов. В первом разделе рассмотрена одна из наиболее актуальных проблем - возникновение неоднородности! в центральной части образцов, скомпактпрованных в условиях симметричного ударно-волнового столкновения. Анализ результатов предшествующих исследований показывает, что в большинстве работ отсутствуют физические модели образования неоднородности! (Priimmer R.A., 1973; Bhalla А.К., Williams J.D., 1975; Meyers M.A., Gupta B.B., Murr L.L., 1981 и др.). Из-за недостаточного количества экспериментальной информации о поведении ПМ в процессе нагруження возможность получения однородных компактов в этих работах связывалась с требованием, чтобы некоторые параметры нагруження не выходили за пределы найденных опытным путем "разрешенных" диапазонов.

На основе анализа экспериментальной информации, полученной в Главе II, установлено, что причина возникновения центральных зон заключается в неравномерном распределении энергии по объему образца при нерегулярных режимах ударно-волнового отражения. Проведена классификация основных типов структурных неоднород-ностей, наблюдаемых в экспериментах. Показано, что существует несколько механизмов их возникновения и для реализации каждого из них необходимы своп условия. Наряду с частичным выносом материала высокоскоростным маховскпм потоком (Дерибас A.A., Кру-пин A.B. и др., 1973) и турбулентным перемешиванием (Куцовский Е.Я., Ставер А.М, 1975) в условиях мощного ударного нагружения, за маховской волной возможно возникновение специфических макронс-однородностей. Они могут быть вызваны а) плавлением материала в волне разрежения с последующей кристаллизацией на относительно холодных прилегающих областях и образованием усадочных раковин или полостей, б) возникновением дополнительных волн сжатия, обусловленных приходом боковой разгрузки на границы маховской области, г) образованием вязкого следа в области ветвления слабых ударных волн, г) разной степенью уплотнения материала за маховской и отраженной ударными волнами. В этом же разделе приводятся рекомендации по выбору условий нагружения ПМ, оптимальных с точки зрения получения однородных компактов. Они основаны на расширении области регулярных режимов ударно-волнового отражения путем предварительной подпрессовкп компактпруемого ПМ, в частности, серией слабых импульсных воздействий.

Во втором разделе изучены и систематизированы структурные неоднородности порошковых компактов вблизи границы раздела ПМ с деформируемым твердым телом. Значительное место в нем уделено детальному исследованию высокотемпературных и низкотемпературных пограничных зон, которые были обнаружены на основе металлографического изучения компактов в работах Бабуля В., Ба-гровского Я., Бережаньского К. (1975) и Kusubov A.S., Nesterenlco V.F. et al. (1989). Однако в связи с отсутствием экспериментальных данных об особенностях деформирования ПМ в приграничной области нет достоверных объяснений механизмов образования ука-

занных неоднородностей.

На основе сопоставления приведенных в Главе III результатов исследования динамики деформирования ПМ с данными металлографического изучения макроструктуры сохраненных после нагруженпя образцов установлено, что однородные компакты могут быть получены только при регулярных "сверхзвуковых" режимах отражения ударных волн от контактной границы ПМ с твердым телом.

Переход от регулярных отражений к нерегулярным "сверхзвуковым" приводит к изменению характера деформирования ПМ в приповерхностной зоне 4 (рис. 36) п сопровождается увеличением удельной тепловой и кинетической энергий в ней. Средняя температура материала в пограничной зоне, как правпло, значительно выше, чем в прилегающей области 2, сжатой падающей и отраженной ударными волнами. Толщина зоны сравнима с размером маховской волны, а спектр наблюдаемых в ней неоднородностей аналогичен рассмотренному в первом разделе. Это позволило сделать вывод о схожести механизмов образования центральной зоны и высокотемпературной пограничной, однако условия реализации различных механизмов формирования пограничной зоны зависят от свойств контактирующего с ней твердого тела.

При "дозвуковых" режимах ударно-волнового нагруження в приповерхностной области компактов наблюдаются неоднородности другого типа. Они обусловлены сложным характером деформирования ПМ в условиях наклонного взаимодействия падающей волны со встречным импульсом сжатия, генерируемым бугром пластической деформации в процессе его распространения вдоль поверхности твердого тела. В настоящей работе впервые экспериментально зарегистрировано наличие поверхностей скольжения ОТ (рис. Зв), разделяющих пограничную зону 5 и область 2, сжатую падающей и отраженной волнами. Установлено, что поверхность скольжения "не замечает" межчастичных границ п распространяется параллельно границе раздела с твердым телом. При этом толщина пограничной зоны не зависит от размера частиц в исследованных диапазонах дисперсности и параметров нагруженпя. Обнаруженный результат свидетельствует о том, что возникновение пограничных зон связано

с особенностями течения в уплотненном ПМ и межчастичные границы не играют определяющей роли. Результаты металлографических исследований позволяют утверждать, что импульсное воздействие со стороны твердого тела не приводит к значительному увеличению тепловой энергии ПМ. В этом смысле пограничные зоны 5 являются "холодными" по сравнению с высокотемпературными зонами 4.

При "дозвуковых" нерегулярных режимах ударно-волнового отражения пограничные зоны имеют слоистую структуру. В простейшем случае она состоит из низкотемпературного 5 и высокотемпературного 4 слоев и поверхностей скольжения ОТ, 0]Ti (рис. Зг). Впервые экспериментально обнаружено, что на границах высокотемпера-^ турной зоны возможно возникновение дополнительных неоднородно-стей в виде узких полос материала с метастабильной структурой. Их возникновение обусловлено тепловыделением на поверхностях скольжения и большими (105 -4-108 К/с) скоростями теплоотвода (Schwarz R.B., Kasiraj Р. et al., 1984) к относительно холодным прилегающим областям 2 и 5. В этом же разделе приведены результаты численных расчетов областей параметров нагруженпя пористого титана, отвечающих различным типам неоднородностей вблизи контактной границы с медью и алюминием. Кратко рассмотрена проблема нанесения ПМ на поверхности твердых тел, имеющих сложную форму, указана определяющая роль угла наклона контактной границы отно-. сительно фронта ударной волны на процесс формирования макроструктуры приповерхностной зоны.

Взрывное нагружение порошковых смесей может привести к чрезвычайно неравномерному распределению (расслоению) компонентов в объеме получаемых образцов. Результаты изучения этого типа неоднородностей анализируются в третьем разделе. Впервые расслоение было зарегистрировано на основе металлографических исследований компактов, полученных в условиях мощного взрывного нагруженпя, сопровождавшегося плавлением одного из компонентов смеси за фронтом маховской волны. Для его объяснения привлекались градиентная модель, основанная на известном эффекте миграции взвешенных частиц в градиентном жидком потоке (Дерибас A.A., Нестеренко В.Ф., Ставер A.M., 1976) и вихревая модель, основанная

на предположении о существовании осесимметричного спирального течения за маховскон волной (Соболев В.В., 1984). На базе широкого набора полученных автором новых экспериментальных данных проведен анализ указанных моделей, показана их неприменимость к обнаруженным в настоящей работе эффектам расслоения порошковых смесей в твердофазном состоянии и увеличения концентрации тяжелого компонента смеси в центральной части компактов. Основываясь на результатах изучения особенностей поведения ПМ с твердыми примесными включениями и бинарных порошковых смесей, рассмотренных в Главах I и III, предложена новая физическая модель расслоения - инерционная, позволяющая объяснить все многообразие имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных по рассматриваемой проблеме. На основе инерционной модели показано, что процессом расслоения можно управлять путем изменения параметров нагруженпя и исходной плотности порошковой смеси.

Основной результат Пианы IV состоит в установлении взаимосвязей макронеоднородностеи взрывных компактов с особенностями поведения ПМ в момент нагруженпя.

Глава V. Поведение порового газа при ударном сжатии

порошковых материалов.

Проблема поведения газа, находящегося в норовом пространстве ПМ в момент ударного сжатия, представляет интерес в связи с задачами получения прочных межчастичных связей при взрывном ком-пактированин, реализации физико-химических превращений на границах газа с твердыми частицами, создания газонасыщенных материалов и т.д. Результат зависит от того, какой из двух противоположно влияющих процессов является доминирующим в конкретных условиях нагружения: захлопывание газа в поровом пространстве или его выдавливание через фронт ударной волны. В первом разделе приводится обзор предшествующих работ, затрагивающих в какой-либо степени рассматриваемую проблему. На его основе сделан вывод, что большинство известных экспериментальных данных допускает неоднозначную трактовку и в лучшем случае может рассматриваться как косвенное свидетельство правомерности тех или

иных гипотез.

Второй раздел посвящен анализу экспериментальных данных, приведенных в Главах II и III, с точки зрения возможности существования фильтрационных перетоков газовой фазы через фронт ударной волны. Принимая во внимание, что в условиях регулярного ударно-волнового отражения не происходит накопления газовой пробки вблизи отражающей поверхности, а также учитывая, что в экспериментах использовались преграды из газонепроницаемых материалов, сделан вывод о неправомерности фильтрационной модели, используемой в некоторых работах (Косович В.А., Каунов A.M., 1982 и др.) для объяснения механизмов образования структурных неоднородно-стей и нерегулярных режимов отражения. На это же указывают результаты изучения стационарных маховских отражений: 1) размеры маховскпх волн и сопутствующих им высокотемпературных пограничных зон не зависят от расстояния, пройденного волной вдоль отражающей поверхности, 2) прп фиксированных параметрах нагру-жения ПМ наличие пли отсутствие маховскпх волн определяется критическим углом падения, 3) величина критического угла зависит от материала отражающей преграды (при фиксированных прочих параметрах). Таким образом, в исследованных условиях нагружения ПМ (пористость < 60%, амплитуды ударных волн несколько гигапаска-лей) происходит захлопывание основной массы газа в поровом пространстве. Фильтрация через фронт ударной волны незначительна плп вовсе отсутствует.

В третьем разделе приведены примеры конкретных прикладных задач, оптимальное решение которых кардинальным образом зависит от эффекта захлопывания газа в процессе взрывного компакти-рования ПМ.

1) На примере задачи взрывного компактпрования электродов для точечной сварки из порошков дисперсноупрочненных медных сплавов показано, что в исследованном диапазоне параметров нагружения может быть достигнута высокая (близкая к теоретической) плотность компактов, однако качество межчастичных связей весьма низкое. Прочность образцов на разрыв составляла 3 кг/мм2, при этом металлографические исследования обнаружили "загрязнение" меж-

частичных границ химическими соединениями. Принимая во внимание, что непосредственно перед взрывным нагруженном поверхность частиц подвергалась высокотемпературному восстановлению в атмосфере водорода, можно утверждать, что причина "загрязнения"' обусловлена высокоскоростной хемосорбцией на границе воздух-твердая частица в условиях ударного сжатия. В процессе спекания полученных образцов-при температуре 800°С имели место распад термически нестабильных окислов меди на межчастпчных границах и возникновение химических соединений с окнелообразующимн элементами (алюминием, бериллием), присутствующими в объеме частиц. Прочность спеченного материала возрастала до 10-11 кг/мм'. Высокотемпературная экструзия взрывных компактов приводила к пластической деформации межчастпчных границ, разрушению поверхностных пленок п, как следствие, повышению прочности на разрыв до 31-33 кг/мм2.

2) При разработке технологического процесса взрывного компак-тировання мсталлокерампческих электроизоляционных материалов обнаружено, что захлопывание порового газа способствует образованию новых химических соединений в порошковой керамике. Об этом свидетельствуют результаты рентгеноструктурного анализа взрывных компактов, полученных из химически чистого нитрида алюминия. Исследования проводились до п после вакуумного спекания образцов при температуре 1390°С. На спеченных образцах обнарулсено появление дополнительных лшшй, идентифицируемых в индексах а-АЬОз (корунд), которые не присутствуют на рентгенограммах неспеченных образцов. Аналогичное спекание исходного нитрида алюминия не вызывало появления новых лпннн. Возникновение корунда обусловлено адсорбцией кислорода на структурных дефектах (границах зерен, блоков) пли его внедрением в межатомное пространство кристалла в процессе высокоскоростного схлопывания порового пространства. Образованию АЬОз при нагреве взрывных компактов благоприятствует большее сродство алюминия к кислороду, чем к азоту. Показано, что полученный результат может быть использован при создании радиацнонностойкой керамики, в которой эффект радиационного распухания компенсируется усадкой матери-

ала в процессе образования корунда.

3) Эффект захлопывания газа в поровом пространстве сказывается на выборе оптимальных режимов взрывного компактированпя ПМ, в частности, безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида титана. Исследование влияния ударно-волнового нагружения на кинетику последующего спекания порошковой смеси ТлС/"П№ (50/50) позволило установить, что зависимость минимальной пористости материала после спекания от пористости образцов перед спеканием (т.е. после взрывного компактированпя) не является монотонной (рис. 4). Получение материала с наименьшей пористостью (0.4 %) возможно в том случае, если пористость взрывного компакта составляла 15 %. Обнаруженная особенность взрывного компактированпя обусловлена увеличением доли пор закрытого типа в поровом пространстве высокоплотных взрывных компактов, что затрудняет отток норового газа в процессе последующего вакуумного спекания. Твердость материала, полученного в оптимальных условиях компактированпя и последующего спекания, составляла 85.54-86.0 НЕ.А, предел прочности при статическом изгибе 1600-г1700 МПа, что превосходит характеристики материала, полученного традиционным статическим прессованием. Разработаны способы взрывного нанесения твердосплавного рабочего слоя на внешние и внутренние поверхности стальных изделий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. В результате комплексных исследований макроскопического поведения порошковых материалов на контактной границе с зарядом взрывчатого вещества установлено, что в ближней зоне взрыва существует область однородного течения, размеры которой во много раз превышают толщину фронта ударной волны. С учетом этого разработан универсальный метод определения динамической сжимаемости пористых сред, основанный на регистрации угловых параметров двумерных ударно-волновых течений, и предложен полуэмпирический метод описания состояния вещества в области нагружения.

Экспериментально обнаружено наличие проникающих перемещений твердых прпмесных включений в твердофазной ударно-сжатой

области порошковых материалов при плотностях сжатия, близких к плотности монолита. Показана возможность описания наблюдаемых перемещений в рамках модели вязкой жидкости. Установлено, что эффективные значения вязкости исследованных порошковых материалов, определенные тремя независимыми методами (по величине скоростного запаздывания примесных включений, критическим условиям возникновения застойных зон и характерным размерам вязкого следа), близки по порядку величины и составляют 102 4-103 Пас.

2. На основе проведенных в работе экспериментальных и численных исследований влияния плотности материала на режимы отражения ударных волн прп косых симметричных столкновениях обнаружено, что уменьшение исходной плотности приводит к сужению области существования регулярных режимов отражения, расширению области аномальных отражений и возрастанию коэффициента усиления давления. Для порошковых материалов насыпной плотности изменения достигают многократных значений, прп этом качественно меняется характер зависимости критического угла столкновения и давления отражения от амплитуды сталкивающихся волн. Показано, что в силу выявленных особенностей косые столкновения ударных волн в порошковых материалах эффективны для независимых изменений давления и средней температуры в области сжатия. Предложен приближенный метод расчета критических параметров отражения ударных волн в нереагирующих порошковых смесях. На примере смесевого аммиачно-селптряного взрывчатого вещества показано, что в реагирующих порошковых смесях возможно изменение состава смеси в отраженной ударной волне.

3. Экспериментально зарегистрированы регулярные и нерегулярные режимы отражения ударных волн от границы раздела порошкового материала с деформируемым твердым телом прп "сверхзвуковых" и "дозвуковых" скоростях распространения нагрузки. Установлено, что при "дозвуковых" режимах имеет место встречное по отношению к падающей волне импульсное воздействие на порошковый материал со стороны твердого тела, обусловленное возникновением бугра пластической деформации в приповерхностной зоне. Наряду

со стационарными режимами отражений зарегистрированы новые нестационарные режимы, характеризующиеся возникновением волновых возмущений на поверхности твердого тела. Теоретически получен критерий усиления косой ударной волны в твердом теле с помощью слоя пористого вещества и на его основе экспериментально показана возможность применения пористых прослоек для увеличения эффекта взрывного упрочнения твердых тел.

4. Проведенные исследования взаимосвязи особенностей двумерного сжатия порошковых материалов в момент взрывного нагруже-нпя с макроструктурой получаемых компактов позволили выявить механизмы образования крупномасштабных структурных неодно-родностей в центральной части компактов, на контактных границах с деформируемым твердым телом и в окрестности твердых примесных включений. Обнаружены неизвестные ранее типы неодно-родностей, обусловленные боковой разгрузкой, возникновением поверхностей скольжения и образованием вязкого следа в твердофазной ударно-сжатой области. Зарегистрирован эффект твердофазного расслоения двухкомпонентных порошковых смесей в процессе взрывного компактированпя, экспериментально обнаружена возможность фильтрации частиц тяжелого компонента в область, слса-тую маховской волной. С учетом этого предложена инерционная модель расслоения порошковых композиционных материалов в процессе взрывного компактированпя. Разработаны рекомендации по выбору оптимальных условий компактированпя.

5. На основе анализа экспериментальных данных по изучению поведения порошковых материалов в условиях двумерного взрывного нагруженпя установлено, что во многих практически важных случаях происходит захлопывание основной массы газа, находящегося в поровом пространстве. При последующем вакуумном спекании компактов возможны реакции между твердой и газовой фазами, распад термически нестабильных соединений, увеличение пористости спеченного материала за счет "распухания" пор закрытого типа. Показано, что газонасьпценне взрывных компактов может служить основой создания новых технологических процессов, в частности, для получения высокоплотной радпацпонностойкой керамики.

По теме диссертации опубликовано 48 печатных работ. Основные положения изложены в следующих публикациях:

1. Ставср A.M., Костюков H.A., Кузьмин Г.Е. Исследование течения за косой ударной волной при взрывном прессовании порошков // Матер. II Междунар. спмп. по обраб. металлов взрывом. Марианске Лазнц, ЧНТО, 1973. т.2. с.341-352.

2. Дерибас A.A., Костюков H.A., Ставер A.M. Столкновение плоских детонационных волн в аммоните 6ЖВ // ФГВ. 1975. N 3. с.450-462.

3. Костюков H.A. Влияние начальной плотности вещества на режим косого столкновения ударных волн // ПМТФ. 1977. N 3. - с.124-130.

4. Костюков H.A. Особенности наклонного отражения от преграды ударных волн в порошках // Динамика сплошной среды: Механика взрывных процессов. 1977. вып.29. с.54-62.

5. Дерипаско В.Т., Елнссенко Л.Г., Костюков H.A. и др. Исследование структуры нитрида алюминия после импульсной обработки: Тр. 4 Междунар. спмпоо. по взрывной обработке материалов. Готтвальдов, 1979. с.367-376.

6. Костюков H.A. Экспериментальное исследование расширения пористого тела после выхода маховской ударной конфигурации на его поверхность // Динамика сплошной среды: Нестационарные проблемы гидродинамики. Новосибирск, 1980. вып. 48. с.75-83.

7. Костюков H.A. Критерий усиления косой ударной волны с помощью слоя пористого вещества // ФГВ. 1980. - N 5. с.78-80.

8. Kostjnkov N.A. Formation mexanism of metalurgical inhomogenei-ties accompanying shock compaction of porous metals // Shock waves and high-strain-rate phenomena in metals. Concepts and applications. Ed. M.A.Meyers, L.E.Muit. New York-London, Plenum Press, 1981.

p.843-849.

9. Костюков H.A. Роль пористой прокладки при обработке материалов взрывом. - В кн.: Тр. II Совещ. по обраб. материалов взрывом. Новосибирск, Ин-т гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО АН СССР, 1982. с.275-277.

10. Бондарь М.П., Костюков H.A. Поведение газовой фазы при

ударном сжатии пористых сред // Использование энергии взрыва для производства металлических материалов с новыми свойствами: Тр. 6 Междунар. симпоз. по взрывной обработке материалов. Готтвальдов, ЧНТО, 1985. - с.474-482.

11. КостЬэков Н.А., Кузьмин Г.Е. О влиянии исходных характеристик среды на параметры отражения ударных волн // ПМТФ. 1985. - N 1. - с.121-125.

12. Костюков Н.А. Связь структуры течения с закономерностями уплотнения при импульсном прессовании пористых сред // Матер. VI мЬждунар. симпоз. Использование энергии взрыва для производства материалов с новыми свойствами. - Готтвальдов, ЧНТО, 1985.

- с.466-473.

13. Bondar М.Р., Kostjukov N.A., Ovechkin В.В. et al. Effect of explosive compaction upon the properties of TiC-TiNi composition // High Energy Rate Fabrication: Proc. of 9-th Int. Conf., Novosibirsk, 18-22 August, 1986. - Novosibirsk, 1986. - p.141-144.

14. Костюков H.A., Кузьмин Г.Е. Критерий возникновения ма-кронеоднородностей типа "центральной зоны" при ударно-волновом воздействии на порпстые среды // ФГВ. - 1986. - N 5. - с.87-96.

15. Костюков Н.А. Структура течения бинарных смесей твердых частиц в условиях двумерного ударно-волнового нагружения // ПМТФ. - 1988. - N 3. - с.54-59.

16. Костюков Н.А. Приближенный расчет критических параметров отражения ударных волн в конденсированных средах // ФГВ.

- 1988. - N 1. - с.72-75.

17. Костюков Н.А. Отражение ударных волн в нереагирующпх порошковых смесях: Матер. VII Междунар. симпоз. по обраб. металлов взрывом. - Пардубицы, ЧНТО, 1988. - т.2. - с.372-377.

18. Костюков Н.А., Сагдиев Ф.А. Определение критических параметров отражения УВ в порошковых композиционных материалах // ФГВ. - 1989. - N 1. - с.82-88.

19. Kostjukov N.A. Behaviour of powdered mixture under two-dimensional shock compression // Mater, of Int. Conf. on High Energy Rate Fabrication. - Ljubljana, Yugoslavia, 1989. - p.206-213.

20. Kostjukov N.A., Kupershtokj A.L., Mochalov I.V., Modelling of

shock-wave flows iu binary mixtures of solid particles // Mater, of Int. Conf. on High Energy Rate Fabrication. - Ljubljana, Yugoslavia, 19S9,

- p. 85G-S60.

21. Костюков H.А. Двумерные ударно-волновые течения и структура порошковых компактов вблизи границы раздела с деформируемой преградой // Моделирование в механике. - Новосибирск, 1990.

- т.4 (21). - N 6. - c.7G-102.

22. Костюков Н.А. Механизм расслоения порошковых композиционных материалов при ударно-волнопом нагружении // ПМТФ. 1990. - N 1. - с.84-91.

23. Костюков Н.А. Физические причины и механизмы образования пограничных зон при двумерном взрывном компактировании порошковых материалов // ПМТФ. 1991. - N 6. - с.154-161.

24. Костюков Н.А., Соболенко Т.М. Влияние пористой прослойки на упрочнение малоуглеродистой стали контактным взрывом // ФГВ. 1991. N 2. с.130-137.

25. Костюков Н.А., Шишкин Ю.Д. Структура ударного фронта и свойства компактов газонасыщенных порошковых материалов: Матер. V Всесоюзного совещания по детонации. - Красноярск, 1991.

с.187-191.

26. Kostjukov N.A. Two-dimensional hydrodynamic effects upon explosive compaction of powdered materials // Proc. of Intern. Symp. on Intense Dynamic Loading and Its Effects. - Chengdu, China, 1992.

p.757-761.

27. Костюков H.A., Яковлев И.В. Течение порошковых материалов вблизи примесных включений в условиях ударного нагруження // ФГВ. - 1992. - N 2. - с. 109-111.

Рис. 1

Деформирование порошковых материалов сталкивающимися ударными волнами в условиях регулярного (а) и нерегулярного (б) режимов отражения.

Рис. 2

Экспериментальные п расчетные значения критических углов наклона фронта ударной волны к плоскости столкновения в алюминии и титане. Числа означают начальную плотность материала. Экспериментальное значение для алюминия плотностью 2.71 г/см3 заимствовано из работы Альтшулера Л.В. п др. (1961).

Рис. 3

Стационарные режимы отражения ударных волн от границы раздела ПМ с деформируемым твердым телом при "сверхзвуковых" (а, б) и "дозвуковых" (в, г) скоростях распространения нагрузки вдоль контактной границы. I - порошковый материал, II - деформируемое твердое тело (преграда).

4

3

2

П,%

I

0 1100 1200 С с

Рис. 4

Зависимости пористости спеченного материала (П) системы Т1С/Т1№ от температуры спекания < при значениях пористости образца после взрывного компактирования 5% (1), 15% (2), и 25% (3).

/А

/г /г/з

\ 4 / ^