3. Тыльный откол в мишени, механизм образования под действием падающей и отраженной ударных волн.

Тыльный откол мишени по условиям защиты не допускается, он может возникнуть при высокой твердости из-за невозможности расхода энергии на упрочнение или из-за снижения прочности по толщине листа и сопротивления распространению трещины вдоль направления прокатки.

Таким образом, физическая картина ударного взаимодействия снаряда и мишени имеет различимые контуры четырех или большего числа одновременно происходящих процессов. Подавление металлургическими или конструктивными методами одних механизмов, приведет в соответствии с балансом энергии к возрастанию вклада других, который с учетом предельных возможностей материала завершится разрушением и утратой защитных свойств конструкции.

Энергетический подход к определению работоспособности стали при импульсном ударном нагружении предусматривает учет частичного проявления двух видов рассеивания энергии удара:

1. Остаточный нагрев мишеней конечного размера до температуры около 100 С, на что может быть затрачено примерно 10 % энергии.

2. Энергия, затрачиваемая на пластическую деформацию, должна быть значительна, но зона упрочнения не должна распространяться далее трех калибров из-за охрупчивания, не допустимого при повторных испытаниях.

Твердость материала должна находиться в определенных пределах:

• при нижнем пределе твердости сталь не должна переходить в режим гидродинамического течения и поражаться с проколом;

• при верхнем пределе твердости не должны прекращаться процессы упрочнения и выбивания пробки.

Любое появление продуктов взаимодействия в запреградном пространстве, таких как осколки ударника, преграды или кумулятивной струи, означают поражение защиты.

При всей различимости аспектов проблемы противоударной защиты, решение конкретных задач требует кропотливой и настойчивой работы, тщательного анализа и использования предыдущего опыта, прогноза и оценки вероятности применения различных, в том числе новых и неожиданных средств поражения. Методы решения проблем защиты обычно составляют «know – how» производителя.

3. Образование различно ориентированных внутренних разрушений и материалы мишени под действием ударной волны.

При статическом и динамическом нагружении материала, характеризуемом программируемым режимом изменения нагрузки, работоспособность деталей зависит от свойств и характеристик материала, относящихся к показателям прочности и пластичности и определяемых структурой материала, которая, как правило, должна оставаться стабильной в процессе действия нагрузки. При импульсном ударном нагружении характер взаимодействия существенным образом изменяется:

– ударная волна в твердом теле конечных размеров вызывает набор (пакет) волн сжатия и разгрузки с различной интенсивностью, генерированных процессом высокоскоростного обмена энергией на контактной и тыльной поверхностях, а также на различных границах раздела фаз и структурных составляющих внутри материала;

– структура материала является многоуровневой (иерархической) от макроструктуры с размерами элементов в несколько миллиметров до ячеек, сформированных скоплениями дислокаций размером до 0,0001 мм (см. рис. 1.1 … 1.3, 3.2 … 3.5 в главе 3).

В таких условиях взаимодействия сопротивление материала ударному нагружению характеризуется большой степенью неопределенности, усиливающейся значительным превышением энергии удара над характеристической энергией процесса пластической деформации или фазового превращения. Так, например, эквивалентная температура для стали по энергии ударной волны с амплитудой давления 1 ГПа составит 250 К, по формуле Т_экв = Р/(с_р), где  – плотность, с_р – удельная теплоемкость.

Ширина зоны ударной волны зависит от плотности материала и от амплитуды давления. В данном случае рассматривается зона перепада давления, можно также для сильных ударных волн рассматривать зону перепада температуры. В [1.46] ширину зоны ударной волны в меди и алюминии определяли по скорости смещения поверхности в составных преградах, состоящих из массивного медного образца в контакте с алюминиевой фольгой толщиной 7 … 200 мкм. При возбуждении в медном образце ударной волны скорость алюминиевой фольги с меньшим в 2 раза динамическим импедансом, чем у меди, повышается с увеличением толщины фольги от скорости поверхности меди до некоторой величины и остается затем постоянной (рис. 1.26). По оценке [1.46] ширина зоны ударной волны составляет:

– для меди 15 мкм при давлении 6,6 ГПа и 5 мкм при давлении 9,6 ГПа;

– алюминия 22 мкм при давлении 6,6 ГПа и 7 мкм при давлении 9,6 ГПа.

Рис. 1.22. Изменение скорости тонких алюминиевых преград, установленных в контакте с толстыми медными пластинами, в которых возбуждалась ударная волна с давлением 6,6 ГПа (1) и 9,6 ГПа (2) [1.46]

Давления до 10 ГПа характерны для пулевого обстрела, при снарядном обстреле давление примерно в 10 раз больше, следовательно ширина ударной волны значительно меньше. В [1.46] приводится оценка ширины ударной волны сравнительно высокой интенсивности, полученной при анализе преломления света во фронте ударной волны в прозрачных диэлектриках, эта оценка составляет менее 0,01 мкм. Принципиально это согласуется с данными [1.47], которые считают структуру металлов, включая границы зерен, относительно прозрачной для ударных волн.

Тем не менее, в [1.47] приводится схема «рифленой» ударной волны (рис. 3.66 в главе 3), возникающей в структурированном материале, частицы которого являются анизотропными и расположены случайным образом.

В [1.48, 1.49] рассмотрена схема движения неровной «irregular» ударной волны по гетерогенному материалу применительно к использованию техники лазерной интерферометрии для измерения скорости и ее дисперсии на свободной поверхности (рис. 1.27). Эта схема широко применялась Мещеряковым Ю. И. и др. [1.50 … 1.52] для анализа импульсных ударных испытаний различных сплавов. Проблемой является определение причины появления значительной дисперсии скорости, которая может быть связана с двумя взаимно зависимыми факторами – искажением фронта ударной волны при прохождении нерегулярной структуры и различием деформации частиц структуры, имеющих значительную анизотропию модулей упругости, при встрече с ударной волной под случайным углом к разным кристаллографическим направлениям зерен, являющихся условно микроскопическими монокристаллами.

Так, модуль нормальной упругости монокристалла железа Е[111] = 285 ГПа, а Е[100] = 132 ГПа, это означает, что при ориентации ферритного зерна [111] вдоль направления движения ударной волны деформация зерна будет в два раза меньше, чем соседнего зерна с ориентацией [100]. В результате зерна, находящиеся в плоскости ударной волны должны приобретать разную скорость в соответствие с их случайным расположением, но поскольку они жестко связаны, их скорость значительно выравнивается, остается только отклонение от усредненной скорости.

а б

Рис. 1.23. Техника измерения дисперсии скорости частиц в ударно сжатых материалах (а) и концепция использования лазерной интерферометрии для измерения различий в скорости частиц [1.48, 1.49]

При повышении давления выше 10 ГПа возможны фазовые превращения в металлах и сплавах, а также переход в режим гидродинамического течения, которые подавляют влияние структуры материала на его сопротивление ударному действию нагрузки.

Таким образом, анализ работоспособности конструкционных материалов на основе железа, алюминия и титана при различных видах нагрузки показывает, что для достоверной ее оценки необходимо учитывать следующие особенности поведения структурированных материалов в процессе эксплуатации:

1. Стандартные механические свойства, рассчитываемые по результатам испытаний на растяжение и ударную вязкость доводимых до разрушения образцов, определяют качество материала и не позволяют оценить его работоспособность в деталях машин и механизмов.

2. Значительное упрочнение (кратностью до 3 … 5 раз) сплавов можно осуществить в процессе пластической деформации, а также при эксплуатации в условиях отрицательных температур. Но достижение упрочнения в условиях температур ниже 0 С технически сложно реализовать.

3. В процессе работы происходит снижение свойств сплавов, в основном, запаса пластичности, приводящего к сокращению ресурса работоспособности деталей. Это, по-видимому, связано с локализацией процессов деформации в отдельных структурных составляющих и на границах их раздела в связи с вероятностным разбросом свойств и характеристик. В мелкозернистых материалах деградация свойств во времени эксплуатации больше, в крупнозернистых материалах – меньше.

4. Работоспособность деталей определяется наименьшим уровнем свойств по любому из возможных направлений или в любой локальной области, самостоятельно сопротивляющейся внешней нагрузке, например, распространению трещины.

5. Особенностью импульсного ударного нагружения является активирование различных видов превращений и кинетических процессов за счет дополнительной энергии удара, соразмерной с характеристической энергией процесса, поэтому механическое сопротивление материала ударной нагрузке сохраняется только до момента выхода взаимодействия в режим гидродинамического течения, происходящего в ограниченном объеме материала в области соударения.