3. Влияние угла наклона мишени к направлению полета ударника на показателибронезащиты.

140 [2.13]

θ

L

L/cosθ

11. Влияние плотности материала ударника на среднюю скорость пробития мишени.

Металловедение, как наука на которой базируется разработка сплавов, исходит из того, что внешнее давление, при котором происходит эксплуатация машин и механизмов составляет величину, близкую к 0,1 МПа. Действующие напряжения, как правило, не превышают предела текучести, который даже для мартенситностареющей стали ограничен величиной 2000 МПа. При импульсном или ударном нагружении давление в зоне взаимодействия значительно выше, его оценку для твердых ударников и взрывчатых веществ можно произвести по формуле

P = v²,

где P – давление;  – плотность материала ударника; v – скорость ударника. Так, для стального ударника, летящего со скоростью v = 1000 м/с, давление составит 8 ГПа.

Это давление близко к критическому, при котором в железе происходит превращение  с изменением решетки объемно-центрированного куба на гексагональную плотно упакованную с уменьшением объема (рис. 3.12). Критическое давление достигается при увеличении скорости до v = 1500 м/с или при использовании ударника с большей плотностью, например, из карбида вольфрама (  16 г/см³), вольфрамового сплава (  19,2 г/см³) или из урана и золота с той же плотностью. Время действия определяется длиной ударника и для L = 10 см, составит:

  L/v  0,1/1000 = 10^–4 с =100 мкс.

Рис. 3.12. Диаграмма состояния железа температура – давление: 1 – линия превращения при постоянном давлении; 2 – линия превращения при изменении давления и температуры; ABCDE и ABFGE – превращения при ударном нагружении с малым и большим локальным разогревом

При высокоскоростном взаимодействии ударника и стальной преграды возникает слабоизученная ситуация динамического фазового перехода , часть энергии удара выделяется в виде тепла. Поскольку вызванные ударом волны избирательно взаимодействуют с отдельными структурными составляющими и локальными объемами, повышение температуры в них может быть очень значительным. Например, по данным 3.44 может происходить локальное расплавление по случайно расположенным пластинчатым областям (рис. 3.45). Ударная волна сжатия, частично расщепляясь и отражаясь от границ раздела фаз и зерен, распространяется вдоль направления взаимодействия в виде продольной волны со скоростью

,

где Е – модуль нормальной упругости;  – коэффициент Пуассона; _с – плотность среды,

а также в виде поперечной волны со скоростью

,

где G – модуль сдвига.

Рис. 3.13. Микрофотография поверхности сдвига хромомолибденованадиевой стали, полученная в растровом электронном микроскопе. Видна затвердевшая (бывшая жидкой) пленка с усадочными раковинами [3.44]

Для сплавов на основе железа при   0,3 эти скорости составляют

с_l  6000 м/с и c_t  3000 м/с.

При толщине стальной преграды  = 0,1 м продольная волна сжатия достигает тыльной поверхности за время

 =  /c_l = 0,1/6000 = 1,610^–5с = 16 мкс

и отражается от нее в виде волны растяжения. При этом в локальных объемах возникают напряжения:

• нормальные от продольной волны

₁ = _c c_l v_l,

где v_l – скорость смещения локального объема в продольном направлении;

• касательные от поперечной волны

₂ = _c c_t v_t,

где v_t – скорость смещения локального объема в поперечном направлении.

Отношение нормальных и касательных напряжений, в первом приближении, не зависят от амплитуды упругого возмущения

и при  = 0,3 равно 2,3.

В общем виде локальные нормальные и касательные напряжения зависят от координаты и времени, даже в изотропном теле. За начало координат при соударении по нормали можно принять координаты оси проекции ударника на мишени, при соударении под углом физическая картина значительно усложняется из-за расщепления падающей волны на проходящую через мишень и отраженную от нее.

Во всех случаях высокоскоростного взаимодействия в преграде (мишени) возникнут напряжения в продольном и поперечном направлении. Поперечная составляющая скорости смещения локальных объемов составляет до 10 % от продольной (по оси взаимодействия) составляющей для нормального соударения и повышается с увеличением угла от нормали к поверхности преграды.

Материал мишени под ударником сильно сжат, при образовании кратера поверхностные слои смещаются вглубь, и выдавливаются в сторону от оси взаимодействия, разрушение и вынос материала происходит за пятном взаимодействия (рис. 3.14). Скорость выносимого материала мишени больше, чем скорость осколков ударника и может достигать начальную скорость ударника. При этом скорость материала разрушающейся мишени направлена в противоположную сторону от движения снаряда. Таким образом, количество движения (импульс) в системе ударник – преграда превышает начальное значение, определяемое массой и скоростью ударника m_iv_i  m_yv_y.

Рис. 3.14. Кратер диаметром ~13 мм в меди с прогнутой вниз никелевой проволокой [3.63]

Таким образом, процессы деформации и разрушения, разделенные по времени при статическом и динамическом нагружении, в случае импульсного и ударного нагружения совмещены и происходят практически одновременно.

Принципиально поведение монокристаллических и поликристаллических металлов под воздействием ударных и импульсных нагрузок аналогичное. Это связано с исходной анизотропией железа, которая для кристаллической решетки объемно-центрированного куба по модулю нормальной упругости в наиболее и наименее прочных направлениях составляет

111  100  277132  2,1.

В поликристаллическом состоянии кристаллическая анизотропия снижается для статических и динамических нагрузок, распределенных макроскопически однородно по зернам, имеющим для железа размеры 20 … 100 мкм.

Рис. 3.15. Микроструктура нагруженного изнутри взрывом цилиндра из малоуглеродистой стали, х 370: а – исходное состояние; б – структура в разрезе на расстоянии 2 мм от взрывчатки [3.45]

Импульсное и ударное нагружение чувствительно к структурной локализации на микроскопическом уровне, изменение структуры происходит непосредственно в каждом зерне, и оно различается даже в соседних зернах (рис. 3.15).