3. Оценка локального повышения температуры мишени при высокоскоростном ударе и вызываемое им изменение структуры.

Отдельной проблемой является неопределенность структуры ударной волны, вызываемой в структурированном на разных уровнях конструкционном материале высокоэнергетическим ударным воздействием. В [4.3] авторы настоящей книги показали, что при высокоскоростном ударе под углом тяжелым твердым ударником в стали средней твердости возникают поверхности локального разогрева, зарождающиеся у поверхности кратера и распространяющиеся вглубь материала преграды случайным образом (рис. 4.32).

Рис. 4.32. Вид поверхностей разогрева, возникающих в стали типа 30ХНМ, после косого взаимодействия с твердым ударником при скорости 1800 м/с

Авторы предполагают, что образование криволинейных поверхностей разогрева является результатом взаимодействия неустойчивого фронта ударной волны (см. рис. 3.66) со структурированным на различных масштабных уровнях материалом, содержащим структурные элементы с размерами, составляющими и несколько миллиметров, и микроны, и доли микрона (см. рис. 2.23). При высокой амплитуде ударной волны Р > 50 ГПа структурные элементы малого размера приобретают большую энергию и фактически образуют поверхности гидродинамического течения в конденсированном (кристаллическом) материале. В пересжатом локальном объеме от неоднородного расходящегося фронта ударной волны образуется поверхность течения со скоростью частиц, выше средней скорости частиц в ударной волне. Энергетический обмен с поверхности течения в первом приближении плоской формы должен быть значительно меньше, чем с расходящегося ударного фронта сферической или цилиндрической формы. Поэтому глубина проникновения поверхностей адиабатического разогрева достаточно большая. Затухание ударной волны приводит к аморфизации перегретых слоев из-за высокой скорости охлаждения, v_охл = 10⁵ К/с.Скорость ударной волны, распространяющейся по мишени, существенно возрастает с увеличением массовой скорости частиц (локальных объемов) за фронтом, которую определяет скорость ударника. По мере удаления от поверхности соударения массовая скорость снижается в связи с потерями на трение и «растеканием» ударной волны и ударного импульса в радиальном от оси удара направлении. Принято зависимость скорости ударной волны D описывать линейной функцией от массовой скорости v_м:

D = v₀ + кv_м,

где v₀ – скорость ударной волны при очень низком (нулевом) давлении;

к – коэффициент пропорциональности.

Для беспористого железа уравнение имеет вид

D = 4500 + 1,5 v_м.

В экспериментах по исследованию ударных волн одновременно измеряют и массовую и скорость ударной волны, эти результаты приведены на рис. 4.3. Видно, что скорость ударной волны в беспористом железе увеличивается с 4,5 до 8 км/с при изменении массовой скорости с 0,5 до 2,5 км/с. Наличие пористости существенно снижает скорость ударной волны из-за расщепления ее на свободных поверхностях и потери массовой скорости на перемещение металла, изолированного внутренними поверхностями раздела с газом. Потери энергии ударной волны в железе с пористостью 0,40 по отношению к беспористому железу можно выразить через отношения скоростей ударной волны в беспористом и пористом железе, используя данные рис. 4.33:

    D₂²/D₁² и равны 0,85,

где D₁ и D₂ – скорость ударной волны в беспористом и пористом железе.

Рис. 4.33. Зависимости скорости ударной волны от массовой скорости: 1 и 4 – железо, пористость 0 и 0,40; 2 – карбид бора, пористость 0,21; 3 – эпоксидная смола [4.4]

Очевидно, что эта часть энергии затрачивается на изменения структуры, дислокационной структуры, фазовых превращений и разогрева мишени. Измеряемый остаточный нагрев мишени составляет от 100 С для давления удара 30 ГПа до 600 С для давления 70 ГПа.