ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Поведение керамических и геологических материалов при ударно-волновом нагружении из "Ударно-волновые явления в конденсированных средах " Керамики и другие хрупкие твердые материалы довольно широко использзтотся в различных конструкциях, подвергаемых интенсивному ударному воздействию. В частности, высокие значения динамического предела упругости и скоростей звука делают весьма эффективным применение керамики в качестве элементов броневой защиты [47]. Очевидна практическая значимость сведений о механических свойствах хрупких геологических пород и минералов. [c.105] В области разрушенных состояний материал ведет себя подобно песку. При этом сопротивление сдвигу контролируется трением и возрастает пропорвдюнально действующему давлению. Деформация сдвига вызывает увеличение (до некоторого предела) удельного объема несплошностей в веществе. Под действием высоких давлений несплошности закрываются. Когда давление становится достаточно высоким, сила трения может превысить предел текучести и материал становится пластичным. [c.106] Рост удельного объема материала в процессе дилатансии соответствует увеличению эффективного коэс ициента Пуассона [48, 50]. Формально в процессе измерений можно получить возрастание этой величины до единицы и более, хотя, как известно, для сплошной среды максимально возможное значение коэффициента Пуассона (отношение величин поперечной и продольной деформаций) равно 0,5. Керамические материалы и породы очень часто имеют небольшую остаточную пористость. Под действием высоких давлений происходит компактирование, уплотнение материала. Эксперименты показывают, что девиаторные напряжения снижают пороговое давление уплотнения хрупких пористых сред. При негидростатическом сжатии уплотнение по своему характеру анизотропно, поэтому начальное значение коэффициента Пуассона у таких материалов может быть очень мало. При больших напряжениях сдвига уплотнение сменяется дилатансией с увеличением эффективного коэффициента Пуассона и последующим разрушением. [c.106] В ударных волнах деформация твердого тела имеет одноосный характер. При этом рост девиаторных напряжений происходит одновременно с ростом давления. В зависимости от соотношения порогового напряжения дилатансии и модулей упругости траектория изменения напряженного состояния при одноосном сжатии может либо входить в дилатансионную область, либо пройти ниже ее и попасть непосредственно в область пластического течения. Вследствие гистерезиса цикла упругопластического деформирования состояние вещества может попасть в область дилатансии при разгрузке после ударного сжатия. [c.107] В работе [51] обсуждается возможность гетерогенного характера деформации хрупких материалов в ударных волнах с образованием полос адиабатического сдвига [52, 53]. В основе явления адиабатического сдвига лежит то обстоятельство, что тепловыделение при неупругой деформации снижает сопротивление деформированию. Если изменение напряжения течения из-за разогрева превышает вклад деформационного упрочнения, то процесс теряет устойчивость, деформация становится гетерогенной и локализуется в узких зонах, где материал продолжает разогреваться до плавления. Общее сопротивление деформированию при этом резко падает. Подобный характер деформации наблюдался в кварце, где в результате ударно-вол-нового воздействия образовываются прослойки расплавленного материала с последующим их стеклованием [51]. [c.107] Измерения и анализ волновых профилей ударного сжатия различных керамических материалов предпринимались в серии работ выполненных в конце 80-х и начале 90-х годов. В частности, измеренные [54 — 56] профили массовой скорости и рассчитанные на их основе диаграммы деформирования в цикле ударного сжатия и разгрузки высококачественных керамик карбида кремния, диборида титана, карбида бора и двуокиси циркония демонстрируют весь спектр возможной реакции хрупких материалов. Диаграмма деформирования карбида кремния, например, имеет вид, типичный для упруго-пластических материалов. С другой стороны, ударное сжатие керамического карбида бора явно сопряжено с растрескиванием и, как следствие, с уменьшением сопротивления сдвигу и дилатансией, которая отчетливо проявляется в тенденции к появлению избыточного объема вещества с приближением к окончанию его разгрузки после ударного сжатия. Поведение диборида титана имеет некоторый промежуточный характер. По-видимому, зарождение трещин в этом материале происходит при напряжениях ниже предела упругости, однако в целом диаграмма деформирования вполне соответствует модели упруго-пластического тела. [c.107] Значения динамических пределов упругости и скоростей звука для некоторых керамик суммированы в табл.3.2 и 3.3. Наиболее полно исследовались ударно-волновые свойства окиси алюминия [65 — 72]. В работах [65, 71] сообщаются результаты измерений динамического предела упругости сапфира, который найден равным 12 — 21 ГПа в зависимости от направления нагрузки по данным [65] и 14,4 — 17,3 ГПа по данным [71]. На волновых профилях ударного сжатия керамики из окиси алюминия наблюдается скачок параметров в упругом предвестнике с последующим за ним относительно медленным нарастанием и плавным переходом в пластическую ударную волну [67, 68]. [c.108] В ряде работ получены сведения о динамическом пределе упругости геологических материалов. Ударно-волновые измерения упругопластических свойств геологических материалов проводились с целью получения информации, необходимой для расчета действия метеоритных ударов, мощных подземных взрывов, взрывной стимуляции нефтеносных пластов и решения других прикладных задач. По этой причине в поле зрения исследователей попали в первую очередь наиболее распространенные геологические материалы (кварц, граниты, известняки), а также материалы ядерных полигонов и нефтеносные сланцы. [c.109] Следует отметить, что, как показано в работе [77], фактор времени для геологических материалов весьма существенен. Релаксация напряжений за фронтом упругого предвестника сильной ударной волны приводит к значительному ослаблению его интенсивности по мере распространения. [c.109] Амплитуда упругого предвестника для арканзасского кварцита в работе [78] найдена равной 8 1 ГПа при толщине образцов 6 мм. Это соответствует динамическому пределу упругости 6,5 ГПа. По данным работы [79] предел упругости на ударной адиабате Арканзасского кварцита составляет 9,7 ГПа. Измерения предела упругости на ударной адиабате железо-силикатного граната [80] демонстрирует разброс этой величины от 6 до 14 ГПа. Среднее значение динамического предела текучести оценено в [80] как 4,2 1,0 ГПа. [c.109] В работах [81, 82] исследовалось поведение доломита в ударных волнах. Согласно первым измерением [81] предел упругости на ударной адиабате доломита равен примерно 2,5 ГПа. При этом отмечено, что ниже 2,5 ГПа имеет место сложное поведение, которое можно охарактеризовать как некую ( )орму вязкоупругого тела. В этом диапазоне напряжений наблюдается рост волновой скорости с увеличением амплитуды нагрузки. С другой стороны, данные работы [82] не подтверждают существование выраисенного предела упругости на уровне 2,5 ГПа. Показано, что нестационарные волны сжатия и значительный гистерезис диаграмм деформирования можно наблюдать при интенсивностях волн сжатия 0,25 —5,3 ГПа. При этом напряжения в указанном диапазоне заметно выше значений давления на гидростатической кривой всестороннего сжатия. Механические свойства гранитов исследовались в работах [83, 84]. [c.109] Гранит проявляет низкую чувствительность к скорости деформирования его динамический предел текучести составляет 0,25 — 0,5 ГПа. В работе [83] приведены также значения пределов текучести диабаза (1,2 ГПа), диорита (0,8 ГПа), базальта (0,3 —0,4 ГПа). [c.109] Стекло является одним из традиционных модельных материалов в экспериментальных исследованиях хрупких сред. Для силикатных стекол характерен довольно высокий ( 6 —9 ГПа) предел упругости на ударной адиабате, причем их продольная сжимаемость в упругой области аномально возрастает по мере сжатия. Из-за аномальной сжимаемости упругие волны сжатия расширяются по мере распространения, а волны разгрузки в упругой области трансформируются в ударные волны разрежения. Эксперименты со статическим [85, 86] и динамическим [87, 88] сжатием обнаружили явление необратимого уплотнения стекол— возрастание остаточной плотности в результате обработки давлением. В частности, для кварцевого стекла при давлении ударного сжатия 10—15 ГПа необратимое уплотнение доходит до 15%. [c.110] При выполнении измерений было замечено, что манганиновые датчики давления испытывают удлинение при прохождении через них импульса сжатия в стекле. Удлинение датчиков наблюдалось во всех опьггах, кроме тех, где измерения проводились на входе ударной волны в стеклянный образец (Л = 0). Моменты начала заметного удлинения датчиков отмечены на приведенных профилях ст (0- Для разделения вкладов давления и деформации пьезорезксторов в приращение их сопротивления проводились измерения с применением одновременно манганиновых и константановых датчиков. [c.110] Хотя на измеренных профилях трудно четко выявить начало пластической деформации, результаты измерений достаточно наглядно демонстрируют падение амплитуды упругого предвестника от 8 ГПа вблизи начала эволюции волны до б — 6,5 ГПа на расстоянии 21 мм. Результаты измерений демонстрируют также необратимое уплотнение стекла после разгрузки удельный объем стекла не возвращается к исходному значению. Необратимое уплотнение стекла К8 после ударного сжатия до 14 ГПа составляет 7,5 — 8%. [c.110] На рис.3.23 представлены результаты более детального изучения закономерностей деформации датчиков в этих условиях. Видно, что наблюдавшаяся деформация фольговых пьезорезисторов частично обратима. Установка полимерных прокладок между фольговым датчиком и поверхностями стеклянных пластин показала, что с увеличением толщины прокладок деформация датчиков уменьшается и при толщине 0,12 мм становится пренебрежимо малой. Отсюда следует, что размер блоков, образующихся при дроблении стекла в импульсе сжатия, меньше 100 мкм. Эксперименты с несимметричной установкой изолирующих полимерных прокладок указывают на влияние направления градиента напряжений на дробление поверхностных слоев стеклянных пластин — искажение поверхности второй пластины, через которую волна входит из мягкой полимерной прокладки в стекло, существенно больше, чем искажение поверхности первой пластины. На дробление стекла влияет также и величина градиента напряжений— деформация резистивных датчиков возрастала с увеличением ширины волны сжатия и не наблюдалась вовсе на контактной поверхности, через которую в стеклянный образец вводилась ударная волна. [c.112] На рис.3.24 представлен профиль скорости свободной поверхности образца кварцевого стекла толщиной 5,15 мм. Амплитуда волны сжатия в этом опыте составляла 4,2 ГПа, что значительно ниже динамического предела упругости плавленного кварца, равного 8,8 ГПа [91, 92]. Импульсы ударно-волновой нагрузки генерировались взрывной линзой и вводились в-образцы через толстые (20 мм) медные экраны. Непосредственно за волной сжатия следует волна разрежения, которая вызывает относительно медленный спад скорости поверхности образца. [c.113] Профиль скорости свободной поверхности при Уларпом сжатии пластины плавленного кварца толщи- ой 5,15 мм. [c.113] Вернуться к основной статье