Влияние температуры на неупругое деформирование стекла ЛК-105 в ударных волнах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

«6 10 3 7:

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ШЖЯ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ Ф2ДЕРЛШ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На градах рукописи

Орлов Алексей Владимирович

УДК 539. 89: 530. 377: 666.112. 7

ВЛИЯНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ НА НЕУПРУГОЕ ДЕ^ОРШРОВШИЕ СТЕКЛА ЛК-105 3 УДАРНЫХ 'ВОЛНАХ

01.04.17 - Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата фиято-математических; наук

Мо;,-ква - 1993

Работа ииполкена в Институте химической физики Черноголовка Российской Академии Наук.

Научные руководители - доктор физике-математических наук

А. Н. Дрои'лн - кандидат .фигико математических наук А. М. Молодец

Официольние оппоненты - доктор физико-математических наук.

про^оосор В. 0. Соловьев • кандидат физико-математических наук С. В. Разорёнов

ВедущЕШ организация - Институт динамики геосфер им. 0. К1 Шмидта РАЯ (г. Москва)

Защита состоятся " | г_ в ю часов 11а

заседании Специализированного совета К Оба 01.05 при Московском физико-техническом институте по адресу; 141700, Московская область, г.Долгопрудный, Институтский пер., д. 9.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан "___"_______1092 г.

Ученый секретарь Специализированно!о совета кандидат физико-математических наук

Е В. Коетун

'реглуп-.'"/..1-; Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В настоящее время для исследования поведения конденсированных сред в экстремальных условиях высоких давлений, температур и скоростей нагружения' применяется взрывное воздействие. При этом в последние годы заметно возрос интерес к исследованию поведения при динамическом нагружении хрупких материалов (керамик, стегал," композитов), часто обла-• дающими уникальными техническими характеристиками, которые делают их перспективными при использовании в широком диапазоне условий эксплуатации, например, в защитных экранах, применяемых в космической технике.

Высокие технические характеристики хрупких материалов во многом обусловлены их, с одной стороны, больтами по сравнению с другими конструкционными материалами динамическими жесткостью , прочностью, пределом упругости, а с другой стороны -малой теплопроводностью. Этот уникальный набор сьойсте хрупких материалов обуславливает специфическое поведение их при взрывном нагружении, которое проявляется, в частности, в том, что их ударноволновое деформирование может протекать неоднородно по объёму и сопровождаться частичным плавлением вещества. В связи с этим ведётся интенсивная теоретическая разработка' моделей процесса их высокоскоростной деформации. В этих моделях -в отличие от аналогичных моделей, описывавших поведение других .материалов, - существенную роль играет температурный фактор: привлекаются представления о частичном плавлении в полосах сдвига, структурной релаксации, других процессах, проте-[сающих в течение ударного сжатия, скорость которых предполагается существенно зависящей от температуры. Очевидно, что для проверки этих термочувствительных моделей необходимы, экспериментальные данные, содержащие информацию о влиянии температуры на деформирование хрупких материалов непосредственно во время ударно-волнового сжатия. Однако такие данные практически отсутствуют; подавляющее большинство работ, касающихся поведения материалов, и хрупких в частности, при динамическом нагру-

женим, выполнено лишь при начальной комнаткой температуре, а существуют; публикации по этому вопросу не позволяют однозначно прогнозировать поведение хрупких материалов при изменении их начальной температуры. Таким образом, экспериментальные исследования влияния температуры на процесс высокоскоростного деформирования хрупких материалов оправданы как с научной, так и с практической точек зрения.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является изучение влияния температуры на процесс деформации хрупких материалов во фронте ударной волны на примере модельного объекта - Ооросилнкатногс стекла легкий крон марки Ж-Юй, которое широко используется в оптической технике и приборостроении.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертации определяется впервые полученными результатами:

В работе экспериментально установлено, что:

- повышение начальной темпеоатуры ударно-нагружаемого образца сте:ш. обуславливает:

- увеличение скорости неупругой деформации материала

- уменьшение динамического предела упругости и изменение закономерности его релаксации.

- неупругое ударно-волновое деформирование материала сопровождается резким увеличением его злектропрогодносччг, электропроводность растет при повышении начальной температуры к изменяется пропорционально скорости деформации.

На основе полученных экспериментальных результатов п диссертации сделан вывод о том, чго неупругое деформирование стекла является термочувствительным процессом.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные данные позволяют прогнозировать поведение силикатных стекол при динамическом нагруке-кии в широком интервале начальных температур-, они также могут быть использованы для проверки теоретических моделей ударно-волнового деформирования хрупких материалов. Развитый е работе комплекс методов исследования может быть использован для изучения кинетических процессов, протекающих ?. хрупких материалах при их высокоскоростном деформировании.

СТРУКТУРА И ОШМ ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из четырех глав и выводов, содержит ... страницу основного текста, рисунков к список литературы кз ... наименований.

- 3 -

содержание дисскгтлцки.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приьедеи обзср экспериментальных ч теоретических работ, посвященных закономерностям деформирования хрупких материалов (ХМ) во фронте ударней волны. чри оток< обосновывается выбор етечсла в качестве модельного об-х-кга для изучения свойств ХМ при динамическом нагруж-нии.

ХМ при статических испытаниях на сжатие ведут (.соя одинаково: сначала они сжимаются упруго, потом - быстро разрушаются без заметной пластической деформации. В тс ме время при динамическом нагружении они проявляют широкий спекгр поведения : от упруго-пластического, характерного г. первую очередь для металлов, до упруго-изотропного, связанного с катастрофической потерей сдвиговой прочности при превышении ударным напряжением динамического предела упругости (ДПУ).

Правомерность выбора стекла г. качество модельного объекта нувдается в обосновании; о згой целью в обзоре подробно рассматривается особенности стеклообразного состоимся, а такте строение и свойства этого материала. При атом, в частности, показывается. что свойства стекла, в том числе и удараоволно-вие, являются хмрачтед лыми для ХМ. Много общего обнаруживается такие и в строении, несмотря на то, что лишь часть ХМ находится в аморфном состоянии. Одним из условий такой общности является то, что стекло имеет микроскопически неоднородное строение, т.е. оно состоит из микреоблаотей, существенно отличающихся друг от друга как по степени упорядоченности структуры, так и по составу. Это еще более сближает стекло с поликристаллическими ХМ, а также с хрупкими композитами, имеющими стеклообразное связующее. и тем самым дает дополнительное обоснование правомерности выбора.

Рассмотрение строения и свойств ограничивается в основном силикатными стеклами с высоким содержанием диоксида кремния -кварцевым стеклом и стеклом типа Пире те. ото обусловлено тем, что они. находятся ближе всего по составу к стеклу Ж-105, (которое исследуется е данной работе; близость составов в свою очередь определяет ехолеоть строения и поведения при виоо-юскгрости&м кигрухеиии. В процессе такого рассмотрения показывается, что структура, а также механические и теялофизи-

ческие свойства стекла типа Пирекс, имеющего практически тот же состав, что и стскло ЛК-105, близки структуре и свойствам к арцевого стекла; основой структуры обоих стёкол является кремнийкисдородный каркас, образованный тетраэдрами (Б^)* ; всё это оправдывает использование известных моделей деформирования кварцевого стекла для описания поведения стекла типа Пирекс в условиях динамического нагружения.

Далее в обзоре особое внимание уделено работам, в которых рассматривается поведение кварцевого стекла и стекла типа Пирекс (далее - стекла) во фронте ударной волны. При этом выделяются следующие закономерности деформирования стекла, найденные как в результате исследования сохранённых после ударного воздействия образцов, так и путём непрерывной регистрации параметров ударного сжатия: параллельное протекание двух процессов - релаксации з'пругих напряжений и неравновесного уменьшения удельного об1вма (уплотнения) - за фронтом упругой волны; наличие значительных едьиговых напряжений в области неупругого деформирования; увеличение крутизны пластической волны по мере роста амплитуды ударного нагружения, характерное для упруго-пластичес1сих материалов; наличие промежуточной области плавного нарастания напряжения между упругой и пластической волнами; полиморфный переход диоксида кремния ь фазу высокого давления - стишовит.

Универсальным средством при изучении закономерностей высокоскоростного деформирования стекла, существенно обогашдю-шим данные эксперимента, является лагранжев анализ профилей динамических переменных, предложенный в конце 60-х годов В. С. Трофимовым. Суть анализа заключается в определении параметров нестационарной волны сжатия посредством интегрирования уравнений движения сплошной среды, составленных в лагранжевих координатах; анализ дает возможность, не находя уравнения состояния, вычислять профили напряжения, массовой скорости, удельного объёма, имея в распоряжении лишь профили одной из этих переменных, экспериментально зарегистрированные на нескольких лагранжевих координатах. При этом его конечной целью является построение кривых в плоскости напряжение - деформация ( сэл-£ историй, или фазовых траекторий), по которым движутся точки, иьоСрпжающе состояния частиц среди.

Б настоящее время неупругое деформирование стекла во фронте ударной волны чаще всего трактуется в рамках двух моделей. Одна из них была развита для высокопрочных материалов с малой теплопроводностью [11; в ней предполагается, что кинетический процесс неупругой деформации определяется динамикой развития полос адиабатического сдвига, возниглющих за фронтом упругой волны. Внутри полос сдвига диссипирует почти вся упругая энергия. В результате такого локального выделения тепла в сдвиговых полосах происходит частичное плавление материала, . т. е. монолитный материал превращается в конгломерат частиц, сохраняющих первоначальную структуру, и объединённых жидкими прослойками. В расплаве вещество переходит в более плотную фазу по термоактивационному механизму. В другой модели предполагается С 2], что неупругое деформирование стекла обусловлено в основном релаксационными процессами структурных перестановок, протекающими на микроуровне. однородно по всему объёму ударно-сжатого материала. Деформирование происходит в два этапа: при давлениях непосредственно выше ДПУ в промежуточной области происходит необратимый перекос тетраэдров ЭЮ^; когда перекос достигает пороговой величины, начинается перегруппировка тетраэдров. Перегруппировка является главным механизмом уплотнения.

В обеих моделях большую роль играет температурный фактор, т.е. предполагается, . что скорости процессов, обуславливающих неупругое деформирование, существенно зависят от температуры. В то же время экспериментальные исследования, призванные подтвердить термочувтвительность процесса неупругой ударно-волновой деформации, в доступных публикациях не отражены.

Изменение структуры материала, происходящее во фронте ударной волны, несомненно должно привести к изменению не только его механических, но и электрических свойств. Поэтому в последнее время в ударноволновых экспериментах наряду с определением механического отклика ХМ интенсивно исследуется такое их свойство, как электропроводность. Однако существующие методы исследования ограничены: они позволяют уверенно регистрировать электропроводность лишь за фронтом ударной волны, в области стационарного пластического течения. В то же время очевидной является необходимость получения данных о распределении

электропроводности во фронте ударной волны , т. к. они могут дать дополнительную информацию о кинетических закономерностях • процесса деформации.

. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Стекло обладает характерными для широкого класса ХМ свойствами и проявляет во многом схожее с ними ударноволновое поведение. Из анализа литературных данных следует , что экспериментальные работы, содержащее информацию о влиянии температуры на поведение ХМ непосредственно во Еремя ударного сжатия, практически отсутствуют. Новые закономерности такого поведения могут быть выявлены при исследовании . злеет-- ропроводнооти во фронте ударной волны; для ХМ такие исследова-■ ния единичны.

Е свете изложенного основная задача работы заключалась в следующем: изучить закономерности влияния температуры на деформирование ХМ во фронте ударной волны, используя . стекло в качестве модельного объекта, посредством анализа профилей динамических переменных и электропроводности, зарегистрированных при разных начальных температурах образца. Развить методы регистрации и анализа, обеспечивающие решение поставленной задачи.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвяшена описанию постановки эксперимента, использованных и развитых в работе методов исследования, а также изложению результатов работы.

Исследовалось боросиликатное стекло ЛК-105 типа Пирекс с содержанием диоксида кремния 30,5% и плотностью 2,237 г/куб. см. Выбор исследуемого материала был в первую очередь обусловлен его высокой термостойкостью, что давало возможность, изменять начальную температуру образца в широких пределах.

Постановка эксперимента показана на рис.1. Образцы стекла представляли собой отшлифованные с ^беих сторон плоскопараллельные пластины размером 110 х 80 мм и толщиной от 1,5 до 10 мм. Ударноволновое нагружекие осуществлялось разогнанным продуктами детонации до 1,95 км/с алюминиевым ударником. Разгон ударника осуществлялся с помощью взрывного устройства, разработанного в отделе высоких динамических давлений Института химической физики Черноголовка РАН . Толщина ударника составляла 7 мм, диаметр его плоского участка был не менее 80 мм. Амплитуда нагружающей волны была постоянна во всех экспериментах и

сборка; 1 - детонатор, 2 - генератор прямоугольной ударной волны, 3 - таблетка тротила, 4 - алюминиевый ударник, 5 -стальное кольцо, б - упоры из плексигласа, 7 - пластшш из стекла, 6 - тефлоновые прокладки, 9 - манганиновый датчик.

при разных начальных температурах. 1 - пластины из. стекла; 2 -тефлоновыо прокладки, 3 - полоски из медной фольги, -1 - манганиновый датчик, 5 -. медь-коистантаноиая термопара.

составляла 13,8 ГПа. . .

Регистрация профилей напряжения проводилась с помощью манганиновых датчиков давления. Методика регистрации, разработанная Г. И. Канелем, состоит в следующем: датчик, представляющий собой тонкую зигзагообразную ленту с припаянными к её краям тековводами из медной фольги, помещается между пластинами стекла и отделяется от них тонкими тефлоновыми прокладками (см. рис. 1). Датчик включается в измерительную цепь в качестве плеча дифференциального моста сопротивлений. Непосредственно перед регистрацией на мост подается прямоугольный импульс от источника тока. При прохождении ударной волны через плоскость заделки датчика продольное напряжение в стекле, действующее по нормали к зтой плоскости, уравновешивается давлением в тефло-новых прокладках; давление в свою очередь вызывает увеличение сопротивления манганина. Изменение сопротивления плеча моста приводит к возникновению напряжения разбалансировки, пропорционального дИ, которое регистрируется осциллографом.

В экспериментах начальная температура образцов изменялась от 77 К до 300 К При этом продольное напряжение <~>х во всех случаях определялось по известной калибровочной зависимости:

где И0 - сопротивление датчика, измеренное при начальной комнатной температуре. При 77 К и 300 К для контроля вытягивания ленты, происходящего вследствие искривления обращенных к датчику поверхностей образцов, в ряде экспериментов рядом с манганиновым датчиком помещался идентично изготовленный датчик из константана. Зависимости сопротивления константана и манганина от давления существенно различаются, что позволяет разделить вклады, вносимые в увеличение сопрофивленич, от давления и от изменения длины [3]. Глнтролыше эксперименты показе, и, что вытягиванием ленты в волне нагрузки можно пренебречь.

Охлаждение образцов до 77 К проводилось путем длительного видержиЕания сборки в кювете с жидким азотом. Более высокие, но меньшие комнатной, начальные температуры достигались следующим образом: после полного охлаждения сборки в кювете делалось небольшое отверстие, азот вытекал, после чего содержимое

кюветы равномерно прогревалось вследствие теплопередачи от окружающего кювету и находящегося при комнатной температуре воз духа. Температура образцов контролировалась медь-ганстагггано-вой термопарой, помещенной между исследуемыми образцам (см. рис. 2). ¡'авномерность как охлаждения, так и прогрева, была удовлетворительной и не превышала 0,5 К на миллиметр толщины, что проверялось ь отдельных экспериментах.

Для регистрации профилей электропроводности была разработана методика, с основу которой легла хорошо отработанная схема регистрации сигнала от манганинового датчика. Методика состоит в следующем ("см. рис. 2): к противоположным сторонам тонкой пластины стекла прилимаетея .две полоска медной фольги так, чтобы спи были скрещены и перпендикулярны. Тонкая пластина стекла и полоски фольги образуют датчик электропроводности, кегсерма помешается между образцами стекла и отделяется от образцов тонкими тефлоновыми прокладками. Толщина датчика должна быть в несколько раз меньше протяженности фронта волны сжатия. Датчик шунтируется еысокоомным сопротивлением и включается в измерительную цепь в качестве плеча дифференциального моста сопротивлений. При ударном сжатии материала в тонкой пластике его удельное сопротивление уменьшается; возникающее прг этом изменение сопротивления плеча моста приводит к появлению напряжения разбалансировки U. Соотношение между U и сопротивлением датчика R определяется в отдельных калибровочных экспериментах, в которых вместо датчика-в регистрирующую схему подключается магазин сопротивлений и снимаются значения U при различных R. Такие эксперименты показали, что R обратно пропорционально ü, при этом в качестве величины, характеризующей электропроьодность стекла во Фронте ударной волны, принималась величинами .определяемая по формуле:

где h - толщина тонкой пластины, о - плонидь облает;! скрещивания полосок фольги.

Толщина датчика элгьтроптоводкооти. исполинского в ¡тточкй работе, составляла ~1 мм. что сугзегеенло мода» и:"', чяжопносч н фронта проходагугй через датчик ооллн сжатия.

inc. 3. Серии профилей напряжения , экспериментально зарегистрированные в образца/, стекла при начальной комнатной температуре 300 К ( а) и 7? К ( в) ; h - глуоина заделки датчиков.

Рис. 4. Истории напряжения* деформации- времени {(¿х- £ ■ t ). рас-читанние для начальной температуры 300 К

(сплошная линия) и 77 К (точечная линия) ну лаг-ранжевой координате 3,5 мм (а), 7,1 мм (в), 9,2 мм (с); t^, - время достижения деформации ¿t при зео к, t77 -вромп достижения той же деформации при 77 к

оцениваемой в 3<Б мм. Время прохождения через датчик волнового возмущения составляет О,:.: * 0.3 икс, лгу ькдичину еж-дуст рассматривать как меру инерционности дат^шу..

При исследовании электропроводности Хм но ¿poinv ударной волны следует принимать во внимание хоря» иеьсслчнй факт их ударной поляризации, а также емкостные '.ф^-кты, сопугствущие высокоскоростной деформации образца. явления woïут при-

вести 1С возникновению на шунл ирующе-м слцятиьлемки разности потенциалов, не связанного с увеличением v:;..ктрспроьодности. В данной работе такие сигналы иной природы выявлялись следующим образом: в ряде опытов полоски медной фольги изолировались от тонкой пластичи тефломовыми прокладками. Амплитуда регистрируемых при зг»пм сигналов была в среднем на перлдок м-зш.те амплитуды полезного сигнала и оказалась сравнимой с погрешностью измерений, поэтому эф.>.-!Я-ами. не связанными с электропроводностью, пренебрегали.

i!a рис.3 показами ^ве серии профилей напряжения, зарегистрированные при начальных температура); образцов 300 К и 77 К на разных лагранжевых координатах. Лагранхев анализ профилей был проведен методом цгаових скоростей 143. Дкя вычисления фазовых скоростей применялась квадратичная интерполяция. Достоинство такого способа Еьпкслеиия заключается в том, что фазовые скорости, профили массовой скорости л профили деформации определяй! ся в нем длч тей же лагронас-ьой координаты, на кото-рои б lui получен профиль напряжения. Реализация этого способа уменьшает погрешность расчетов для отличных от первой и последней лагранжеыгх координат, на которых проводилась регистрации профилей напряжении. Результаты анализа представлены на рис. 4.

Скорость неравновесного процесса уменьшения удельного объема была оценена по способу, предложенному в 15]. Для этого использовались экспериментальные профили напряжения и профили массовой скорости, получаемые при лагранжеВом анализе . На рис.5 представлены скорости неравновесного процесса в зависимости от напряжения ьо фронте волны, оцененные для двух начальных температур.

1!а рис. 6 показаны серии профилей напряжения и электропроводности , соответствующие разным начальным температурам. Ман-

<Ь.ГПа О

Рис. 5. Скорость неравновесного процесса . оце-

ненная для разных начальных температур на лагранкевой координате Й.2 мм.

• .ПК с

Рис. С. Профили напряжения (г> (?) и электропроводности ЗЁ (б), зарегистрированные при разных начальных температурах образца.

таниновый датчик располагался между верхним образцом и тонкой пластиной (см. рис. 2). Толщина верхнего образца была постоянна во всех опытах и составляла V мм. На рис. 7 электропроводность сопоставлена со скоростью деформации, которая была определена численным дифференцированием профиля деформации, полученным в результате лагранжева анализа.

В целом, использованные в работе комплекс методов исследования i.изволил решить поставленную задачу. При этом погрешность экспериментальных результатов, определяемая погрешностью используемых методик и регистрирующей аппаратуры, не превышала 5% для первичных экспериментальных данных и 10% для результатов, получаемых в результате лагранжева анализа.

ТРЕТЬЯ И ЧЕТВЁРТАЯ ГЛАВЫ посвящены обсуждению результатов работы.

На рис. 3 видно, что понижение начальной температуры образца изменяет эволюцию ударной волны. Во-первых, изменяется характер затухания ДПУ. На рис. 8 приведена зависимость величины ДПУ от расстояния от поверхности соударения h. Видно, что в области h - 3,5 ; 12 мм значение ДНУ при 77 К систематически выше, чем при 300 К. При 77 К значение ДПУ стремится к величине 7,9 ГПа и становится равным этому значению уже на расстоянии "бес|-"шечного пробега"»3,5 мм от поверхности соударения, в то время как при 300 К установившееся значение ДПУ равно 6,1 ГПа, а соответствующее расстояние составляет мм. Во-вторых, и рто подтверждается данными на рис. 6а, изменяется профиль волны на участке неупругого деформирования: напряжение выше ДПУ при более низкой температуре нарестает медленнее, чем при более высокой температуре.

Увеличение ДПУ "бесконечного пробега" при понижении температуры легко объяснимо в рамках известной модели Гилмана, описывающей пластическое течение ковалентных твёрдых тел при низких температурах [б]. Согласно этой модели, ДПУ ость напряжение, при котором материал перестаёт сопротивляться пластическому течению. Условие быстрого течения может быть сформулировано как превышение энергетического барьера суммой энергии упругой деформации и энергии колебаний ионов. Энергия колебаний растет вместе с ростом температуры. Следовательно, при более низкой начальной температуре вклад от колебательной энер-

(Л

ш .

V, Рис. 7. Профили

^ электропроводности Ж и скорости . деформации <5 , расчитанной для лагрангевой координаты 7 мм, соответствующие разным 5 начальным температурам.

О

5 р 10

Л, МП

1нс. 8. Релаксация ДТТУ ь стекле при начально'! тешературе образца 300 К (Оj и 77 К .□); h - лагранжева координата.

; • - 15 -

гии будет меньше и для преодоления барьера в этом случае потребуется большая энергия упругой деформации, а значит и более / высокое значение ДПУ.

На рис.4 видно, что <&x-fL истории , расчиталные для раз- . ных начальных температур на одной и той же лагранжевсй координате, не различимы в пределах погрешностей расчётов.. Также практически не наблюдается различий 6х-£ историй для различных координат. Тем не менее между "холодными" и "тёплыми" dU-£ историями имеет место существенное различие по скоростям неупругой деформации. Так,. представление результатов в-форме £ - i историй (которые такйе расчитывались в рамках лагранжзва анализа), построенных для одинаковых лагранжевых. координат при различных температурах свидетельствует (см. рис. 4),. что скорость деформации при напряжениях выше ДПУ меньше при более низкой,начальной температуре. Действительно, одна и та же де- > формация достигается при более высокой температуре значительно . быстрее. Так, время достижения, например, деформации ¿t (см. рис. 4а) при 300 К, равное , заметно меньше t,7 - времени достижения этой же деформации при 77 К.

Уменьшение скорости неупругой деформации при понижении начальной температуры образца говорит о том, что при понижении температуры увеличивается характерное время релаксационного процесса, протекающего за фронтом волны. Действительно, прове- ■ дённая оценка .скорости неравновесного процесса уменьшения удельного объёма показача (см. рис. 5), что если ниже ДПУ процесс че наблюдается, ' то выше ДПУ он имеет место, причем скорость процесса сильно возрастает для обеих температур. При' этом скорость процесса оказывается меньше для более низкой на- . чальной температуры.

В связи с реализованным способом оценки следует отметить, что определение количественных характеристик релаксационного • процесса является составной частью динамического метода [7J.-Но для такого определения требуется знание поля "замороженной" скорости звука. Способов достоверного определения эюй скорости в настоящее время не существует. В связи с этим оценка количественных ■' характеристик .релаксационного процесса становится единственно возможной лишь при определённых предположениях. Допущение же шарового тензора деформации, принятое в

[5], не находит экспериментального подтверждения для исследуемого стекла: согласно данным работы [83, при неупругом ударно-волновом деформировании в стекле сохраняются значительные сдвиговые напряжения. Поэтому рис. 5 демонстрирует лишь тенденцию изменения скорости неравновесного процесса при изменении начальной температуры.

В неравновесном процессе, протекающем за фронтом ударной волны, изменяется ближний порядок расположения ионов С 1,23. Такое изменение структуры, как уже отмечалось, должно проявиться через изменение свойств материала - не только механических, но и электрических. Действительно, рис.6 показывает, что заметное увеличение электропроводности, так же как и скорости неравновесного процесса, приходится на область неупругого деформирования. Кроме этого, на рис. 6 видно, что при понижении начальной температуры образца электропроводность, регистрируемая на одной и той же лагранжевой координате, уменьшается. Напомним, что так же ведёт себя и скорость неупругой деформации (см. рис. 4). Сопоставление профилей этих двух переменных во фронте ударной волны, определённых на одной лагранжевой координате, показывает (см. рис. V), что они изменяются симбатно во времени: профиль электропроводности отслеживает профиль скорости неупругой деформации.

Полученные экспериментальные результаты позволяют предположить, что неупругсе деформирование стекла определяется в основном гомогенными процессами, протекающими однородно по всему объему ударно-сжатого материала. При этом не исключается образование полос адиабатического сдвига, но доля вещества, вовлечённого в такие полосы, мала, так что особенности деформирования, характерные для модели адиабатического сдвига, в эксперименте не проявляются. Действительно, и переход в более плотную фазу высокого давления, идущий в расплаве, и структурные перестановки, обуславливающие уплотнение в твёрдом агрегатном состоянии, представляют собой термоактивационые процессы. Следовательно, замедление уплотнения во фронте ударной волны говорит о том, что температура ударно-деформируемого материала ниже для образца с более низкой начальной температурой. ■ В то же время оценка упругой энергии, дополнительно диссипирующей в полосах сдвига вследствие увеличения ДПУ с 6,1

до 7,9 ГПа, проведённая согласно [9], показывает, что она более . чем на порядок больше энергии, необходимой для прогрева материала в полосах сдвига с 77 К до 300 К. Такое превышение должно привести, при справедливости модели адиабатического сдвига, к тому, что температура в полосах сдвига окажется выше для образца с более низкой начальной температурой, а это противоречит экспериментальным данным. Следовательно, преобладающим является такой механизм деформирования, согласно которому значительной диссипации упругой энергии не происходит, процесс деформации протекает однородно по объёму, без образования прослоек расплава.

Наблюдаемая в эксперименте пропорциональная зависимость электропроводности и скорости неупрутой деформации также не исключает образования сдвиговых полос, она может быть удовлетворительно объяснена как в рамках модели "адиабатического сдвига", так и в рамках модели "структурных перестановок". В самом деле, увеличение скорости неупругой деформации согласно первой модели приведёт к более интенсивной диссипации упругой энергии и, следовательно, к увеличению температуры материала, вовлечённого в полосы сдвига; подвижность ионов при этом возрастет. Согласно второй модели, увеличение скорости неупругой деформации вызовет ускорение перестройки структуры, и, следовательно, увеличит число разорванных связей; при этом возрастёт количество свободных носителей заряда. В обоих случаях электропроводность увеличится. Уменьшение же скорости деформации согласно первой модели приведёт к замедлению скорости диссипации упругой энергии и понижению температуры материала в полосах сдвига вследствие теплоотдачи в окружающие сдвиговые полосы холодные частицы стекла, а также в полоски медной фольги. С другой стороны, согласно второй модели, уменьшение скорости деформации вызовет замедление процессов структурных перестановок ,что приведёт к быстрой рекомбинации разорванных связей и к уменьшению числа свободных носителей заряда. В обоих случаях электропроводность уменьшится.

Таким образом, полученные в работе результаты, хоть они и указывают на преобладание механизма гомогенного деформирования стекла во фронте ударной волны, все же не позволяют заключить, что это механизм является единственным. Продолжение зкспери-

ментальных исследований закономерностей такого деформирования и более широком диапазоне условий удадноьолнового нагружения, возможно, позволит сделать более детальные выводы по рассматриваемому вопросу.

Б целом ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ работы таковы: 1. Экспериментально установлено, что повышение начальной температуры образца стекла, нагружаемого ударной волной, обуславливает уменьшение динамического предела упругости и изменение закономерности его релаксации (увеличивается длина пробега волг.ы в обрачце, при которой достигается стационарное значение этого предела), а также приводит к увеличению скорости неупругой деформации материала во фронте пластической волны. Й. Экспериментагьно установлено, что кеуг.ругое ударно-волно-. вое деформирование стекла сопровождается резким увеличением его электропроводности, при этом электропроводность растет с повышением начальной температуры и изменяется пропорционально скорости деформации. 3. Оценена скорость неравновесного процесса изменения удельного объема, протекающего в стекле в течение его неупругого ударноволкового деформирование. При этом выявлена тенденция увеличения скорости процесса при повышении начальной температура.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Полуденные экспериментальные результаты свидетельствуют , что неупругое деформирование стешш. является термочувствительным процессом.

АППРОБЛЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации докладывались и обсувдались на конкурсах и семинарах отдела Высоких динамических давлений ИХФЧ РАН, XXXV научной конференции МФГИ (1089г.), IX и X Всесоюзных Симпозиумах по горению и взрыву (Суздаль,1989 г.; Черноголовка, 1У&2 г.), а также представлялись на II Международном симпозиуме по интенсивным динамическим нагрузкам и их эффектам (Китай, Чонду, 1902). Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Молодец А. М. .Орлов А. В. .Доемин Л. К. Влияние температуры на релаксации) динамического предела упругости стекла // В сб. Детонации. Материалы ¡X Всесоюзного Симпозиума по горению и ш.фьшу. '¡ерпогодовка, 1989 г., стр. 'М-??.

2. Орлов А. В. , Молодец Л. М. , Дрёмин д. Н. Особенности влияния температуры на неупругое деформирование стекла в ударных волнах // В сб. Детонация. Материалы X Всесоюзного Симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка, 199Я г., стр. 143-144.

3. А. N. Dreinin, A. V. Orlov, А. М. Kfolcdets. Temperature Influence on plass shock wave inelastic strain rate // Proceedings of the 2nd international .symposium on intense dynamic loading and its effects. Juno 9-12, 1992, Chengdu, China, pp 413-421.

ЛИТЕРАТУРА •

1. D. E. Grady, W. P. Murri, P. S. DeCarli, J.-Goophys. Res. , 80, 4Я57 (19701.

2. H. Siffuira, K. Hondo, A. Savaoka. in Hi^h Pressure Res. Geophys. , Dordrecht е. a , Tokyo (1982) 551.

3. A. H. Дремии, Г. И. Капель, В. Д. Глузман, Т>ГВ, Мо8 (1972) 104.

4. R.Fewles, .R.F.Will кшз, J. Appl. Phys. , 41, 456(1971;.

5. A. M. Молодец, A. R Дрёмин. ФГВ, 1986, No2, стр. ICS.

6. J. 1. Oilman, J. Appl. Phys. , 46, 5110 (1975).

7. E С. Трофимов, ФГВ, No5 (1901) 93.

0. J. Cafjnoux, in "Shock Waves in Condensed Matter - 1981", ed.

J. Nell is, L. Searcn, R.Graham, p. 392. 9. H. Tan, T. J. Ahrens, J. Appl. Phys. , 67, 217 (1990).

Porno Принт Н*РШ ¿xr. ■f'ioggz map fOO