3. Фрагментация материала мишени при высокоскоростном ударе, определяемая вязкостью разрушения.

Особенностью эксплуатации традиционно распространенных машин и механизмов являются устанавливаемые при их проектировании запасы прочности по отношению к пределу упругости, характеризующему линейный участок диаграммы растяжения стандартных образцов для механических испытаний. Снижение действующих нагрузок σ_раб производится по установленному нижнему допустимому значению условного предела текучести σ_0,2 в виде запаса прочности в виде отношения условного предела текучести к допустимым рабочим напряжениям σ_0,2 /σ_раб ≥К, обычно К≥1,5, для подъемно транспортного оборудования К=4…6. Основной целью введения запасов прочности материалов является не допустить переход материала в режим разрушения и выявить возникновение такой опасности при контроле и мониторинге процесса эксплуатации. Контроль качества материалов осуществляется в разных странах и отраслях производства аналогичными методами, как правило, при кратковременных испытаниях на различных видах образцов: 1) при статическом растяжении стандартных образцов (цилиндрических для объемных заготовок с наименьшим размером ≥10 мм и плоских листовых – ≤10 мм) со скоростью деформации ≤0,01 мм/с; 2) при ударном изгибе на маятниковом копре образцов квадратного сечения 10х10 мм с надрезом со скоростью движения изгибающего ножа ≈5 м/с. Особенностью контрольных испытаний является очень малое время доведения образца до разрушения, составляющее ≈ 600 с для статического растяжения и ≈0,02 с для ударного изгиба, при этом практически вся приложенная энергия расходуется на деформацию образца. Разрушение стандартных образцов происходит практически всегда по одной поверхности на две части.

Вид образца и кривой нагрузка–перемещение при испытаниях на вязкость разрушения

L_кр = (1/)(К_1с/_0,2)². [м]

Расчетные значения критической длины трещины приведены в табл. 8.3.

3. Ударное сжатие материалов при сверхвысоких давлениях.

Структура материала представляет собой сочетание двух видов упорядоченного строения:

1. Идеализированного кристаллического твердого тела, в котором атомы (ионы) находятся в состоянии периодических тепловых колебаний вокруг положений равновесия (узлов кристаллической решетки), расположенных регулярно в пространстве. Число типов расположения узлов ограничено 230 пространственными группами Федорова. В конструкционных металлах и сплавах рассматриваются обычно три – кубическая гранецентрированная, кубическая объемно-центрированная и гексагональная плотноупакованная.

2. Реального материала, представляющего собой сочетание идеализированного кристаллического тела и расположенных дефектов, точечных (атомно-вакансионных), линейных (дислокационных) и объемных, например в виде пор и фаз, отличающихся от основы по химическому составу и свойствам.

Теория структуры разработана для нормального давления Р = 10^–4 ГПа и малых повышенных давлений до Р  1 ГПа, которое соответствует эквивалентной температуре Т  Р/с, равной 200 … 300 К, где с – объемная теплоемкость, Дж/Км³. Основная часть энергии затрачивается на упругую и пластическую деформации, и только небольшая доля ее приводит к разогреву. Так, разогрев материала при обработке давлением не превышает 30 … 50 К.

При импульсном ударном нагружении поведение структуры неопределенное из-за большого удельного вложения энергии и отставания кинетических факторов, определяющих формирование структуры, таких как теплопроводность и диффузия. Структурированный материал при прохождении ударной волны шириной  = 30а₀ и равной 10 нм (а₀ = 0,2866 нм – параметр кристаллической решетки ОЦК -железа) со скоростью v более скорости звука в твердом теле  6000 м/с за время, меньше 1,510^–12 с, поглощает энергию, эквивалентную тысячам или десятку тысяч градусов и должен соответственно отреагировать на это изменением структуры. Условия этой реакции существенно неопределенные, не поддающиеся измерению, поэтому анализ их имеет противоречивый предположительный характер.

Многочисленные исследования структуры материалов после ударного импульсного воздействия показывают, что в структуре происходят значительные изменения [3.50]. Однако практически невозможно определить на каком этапе происходят процессы, вызвавшие эти изменения – на этапе ударного сжатия и кратковременной стабилизации давления (  100 мкс) или на этапе разрежения в волнах разгрузки. Последнее представляется более вероятным с физической точки зрения. Влияние ударной волны можно охарактеризовать действием на структуру трех факторов:

– повышение давления, вызывающее ударное сжатие материала (холодной сжатие);

– возникновение сдвиговых напряжений в условно плоской ударной волне;

– ударное (очень быстрое) повышение температуры за фронтом проходящей волны, скорость нагрева v_нагр  10⁶ К/с.

Влияние давления определяется в соответствии с принципом Ле Шателье: «Внешнее воздействие, выводящее систему из положения термодинамического равновесия, вызывает в ней такие процессы, которые стремятся ослабить результат воздействия». Согласно этому принципу первоначальный фактор – повышение давления, вызывающее сжатие материала, не способствует образованию в ударной волне дислокаций, вызывающих увеличение локального объема [3.51]. Сомнительно также, чтобы фазовое превращение железа , происходящее в области давлений 10 … 20 ГПа с уменьшением объема на  –0,0535, сопровождалось увеличением плотности дислокаций. В то же время при образовании дислокации сдвиговые напряжения равны:

,

где r – расстояние от ядра дислокации (для ближних атомных слоев r = 2 … 3а₀), b – вектор Бюргерса; G – модуль сдвига для железа, тогда   0,1G  8 ГПа. Следовательно внешнее давление может привести к образованию дислокаций, если имеется возможность локального сдвига, в виде пор или фаз с высокой сжимаемостью, например как это происходит в SiO₂. При этом необходимо учитывать, что при повышении давления модули упругости возрастают, например, для никеля имеем G(Р) = G₀ + P [3.50]. Аналогично увеличиваются модуль нормальной упругости Е и модуль объемного сжатия (объемной упругости) K, поскольку коэффициент Пуассона практически не изменяется с давлением.

Повышение температуры с одной стороны способствует образованию дислокаций за счет уменьшения модуля сдвига G, с другой – снижает вероятность их возникновения, поскольку уменьшает долю давления, приходящегося на «холодное» сжатие материала.

В принципе модули упругости материала зависят от температуры, давления и химического состава материала. С повышением температуры модуль нормальной упругости Е и модуль сдвига G уменьшаются. Модуль объемного сжатия K изменяется по разному (табл. 3.9) и не ясно, определяется ли это точностью измерений, изменением напряженного состояния или структурными превращениями в стали. В некоторых случаях модуль сжатия более чувствителен к температуре, чем модули нормальной упругости или сдвига.

Модуль объемного сжатия можно рассчитать по соотношению

.

Модули нормальной упругости и сдвига измеряются статическими или динамическими методами достаточно точно для сталей в интервале температур до 800 С, и в виде гладкой непрерывной функции уменьшаются с повышением температуры. Зависимость модуля сжатия от температуры более сложная и возможно на нее влияют превращения, связанные с наличием в составе стали углерода, в интервале температур 100 … 400 С, и легирующих элементов, в интервале температур 400 … 800 С (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Расчетные зависимости модуля объемного сжатия K от температуры для сталей: 1 – 10; 2 – 50; 3 – 30ХГСА; 4 – 38ХН3МА; 5 – 12Х18Н10Т

Средняя величина модуля объемного сжатия K_ср сильно зависит от давления и рассчитанная на основе данных ударного сжатия материалов [3.53] по соотношению

,

весьма близка до давлений Р = 300 ГПа к линейной функции

,

где K₀ – модуль объемного сжатия при давлении 0,1 МПа.

Для смесей типа псевдосплавов W–24Cu при давлениях до 25 ГПа модуль объемного сжатия K_ср незначительно падает и затем зависимость имеет линейный характер. Для химических соединений типа WC модуль объемного сжатия при давлениях до 25 ГПа резко возрастает, что, по-видимому, связано с высокой исходной микротвердостью (Н_ = 17 ГПа), и затем зависимость имеет линейный характер.

Таким образом, действие давления ударной волны на структуру материала выражается в реализации нескольких, по крайней мере четырех взаимосвязанных механизмов:

– ударное объемное сжатие;

– сдвиг под действием неоднородных по направлениям сжимающих напряжений;

– адиабатический нагрев материала, влияющий на первые два механизма;

– структурные (дислокационные и фазовые) изменения в материале при его взаимодействии с ударной волной.