Ударные волны в физике конденсированного состояния

В результат е отражения импульс а сжатия от свободной поверхности внутри образца гене рируютс я растягивающие напряжения. Разрушение ма териала (откол) под действием растяжения сопровож дается релаксацией напряжений и приводит к появле н ию волны сжатия, котора я выходит на поверхность в виде так называемог о откольног о импульс а и вновь увеличивает ее скорость . Измерения сопротивлению от- кольному разрушению даю т сведения о прочностных свойствах материало в при субмикросекундных длительностях действия нагрузки. Продольно е напряжение на фронт е упругого пред вестника или Гюгониевский предел упругости ,где Ufse — скачок скорости свободной поверхности в предвестнике, ρ0 — начальна я плотност ь материал а,с1 — продольна я скорост ь звука в нем, напряжени я сжатия приняты положительными . Предел упругости при одномерной деформации и предел текучести в связаны между собой соотношением:,где - предел текучести, - «обьемная» скорость звука, К – модуль обьемной упругости.Дополнительную информаци ю о поведении материал а при высокоскоростном деформировании даю т анализ затухания упругого предвестника по мере его распространения и анализ струк туры пластической ударной волны. Анализ откольных явлений при отражении импульс а сжатия от свободной поверхности тела дае т возмож ность определения величины разрушающег о напряже ния при субмикросекундных длительностях нагрузки (откольной прочности материала ) по измеренному про филю скорости свободной поверхности Ufs(t). Величина откольной прочности σspопределяет величина спада скорости Δ Ufsмаксимального значениявеличины перед фронтом окольного импульса. Запишем упрощенную формулу для определения величины разрушающего напряжения при отколе ,где δ – поправка на искажение профиля скорости вследствие различия скоростей фронт а откольного им пульса (с1), распространяющегос я по растянутому мате риалу, и скорости пластической части падающей волны разгрузки перед ним (сь) [7, 14]. Дл я того, чтобы учесть нелинейность сжимаемости материал а расчет величины σspиспользуют экстраполяцию уравнения состояния в области отрицательных давлений.Значениепроцес сов исследования неупругого дефор мирования твердых тел при ударно-волновом нагружении определяется как уникальной возможностью иссле дований в области физики прочности и пластичности при наиболе е высоки х и надежн о измеримых скоростя х деформирования , так и разнообразными практическими потребностями , не ограниченными тольк о ударными воздействиями . Регистраци я структуры вол н сжати я дае т необходимую информацию о динамических пре делах упругости твердых тел в микросекундном диапа зоне длительностей нагрузки. На рисунке 10 приведены результаты обработк и профилей скорости свободной поверхности образцо в армко-железа , представленных на рис. 9а. Дл я сравнения показаны данные квазистатических испытаний. Известно, что сопротивление деформи ровани ю кристаллических твердых тел возрастае т с увеличением скорост и нагружения , чт о объясняетс я ограниченностью количества "носителей пластической деформации" — дислокаций и их скорости. Ка к видно из рис. 10, в случае армко-железа имеет место примерно полуторакратно е превышение субмикросекундног о предела текучести над квазистатическим. И в том, и в другом случае величина предела текучести уменьшаетс я с нагревом, но в условиях высокоскоростного сжатия падение предела текучести происходит явно медленнее.Рисунок 9 – Изменени е амплитуд ы упругог о предвестник а (HEL ) и динамического предела текучести армко-железа с температурой за результатам обработк и волновы х профилей , представленных на рисунке 8(Штрихпунктирной линией показано данные квазистатических испытаний)Н а рисунке 10 представлены профили скорости сво бодной поверхности образцов монокристаллического алюминия , измеренные в условиях ударно-волнового нагружения при различных температурах [11, 12]. Непо средственно из приведенных профилей видно, что с увеличением температуры многократн о возрастае т амплитуд а упругого предвестника, т.е. возрастае т вели чина динамического предела текучести материала . Изме няется и форма предвестника: с ростом температуры на его фронт е появляется характерный пик, наиболе е выра женный при малых толщина х образцов . Така я форма предвестника обычно связана с ускоряющейс я релакса цией напряжений [8]. В экспериментах с относительно толстыми образцами (рис. 10а) время нарастания пара метро в в пластической ударной волне (от 0,1 до 0,9 ее амплитуды) увеличивается от 4- 6 наносекунд при ком натной температуре до 12-16 наносекунд вблизи тем пературы плавления, что соответствует изменению сред ней скорости деформирования от ~ 7 х 106 с - 1 до - 3 х 106 с- 1 .Рисунок 10 – Профили скорости свободной поверхности образцов монокристаллического алюминия различной толщины. Температура испытанийпоказана числами у соответствующих волновых профилей:(а) Результаты опытов с плоскими ударниками [11],(б) генерация короткихимпульсов сжатия ионным пучком [12]Таким образом, современная экспериментальная физика ударных волн в конденсированной среде получает разнообразную информацию о структурных превращениях и прочностных свойствах в широком диапазоне температур.ЗАКЛЮЧЕНИЕЗначение исследования неупругой деформации и разрушения твердых тел в процессе ударно-волнового нагружения определяет уникальность исследований в области физики прочности и пластичности при высоких и измеримых скоростях деформации. Эти исследования актуальны для разнообразных практических потребностей, так как дают возможность получить сведения о наиболе е фундаментальных прочностных свойствах материало в в условиях, исключающих влияние поверхности на процессы деформирования и разрушения. Методы ударной волны позволяют исследовать состояния твердых тел и жидкостей на предельной прочности, оценевая экспериментально их прочностной ресурс. Первые исследований конденсированной среды с помощью ударной волны дали результаты, которые нельзя было спрогнозировать теоретически. Были обнаружены интересные эффекты, которые предполагались теоретическими расчетами, но не наблюдались при других условиях. Было установлено, что условие влияния температуры на предел текучести может быть противоположно тому условию, которое имее т место при низких и умеренных скоростях деформирования . Температурные зависимости прочности монокристаллических и поликристаллических метал л о в вблизи точки плавления имеют существенно различный характер, что объясняется явлениями перегрева кристаллического состояния и предплавления. Использование методов ударной волны открывают возможности изучения перегретогых твердотельных состояний и плавления в области отрицательных давлений.Рассмотренный метод имеет большую информативность о быстропротекающих физико-химических превращениях, закономер ностях деформирования и разрушения при экстремально высоких скоростях нагружения. Показано , что при удар н ом сжатии полиморфные превращения твердых тел могу т происходит ь за времена 10~ 9 -10~ 7 с и менее. Современна я техника ударных волн предоставляе т уникальные возможности дл я определения предельных скоростей и высокоскоростных механизмо в перестрой ки кристаллической структуры. В частности, активно изучаютс я волны разрушения , обнаруженные российскими исследователями. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫКанель Г.И. Ударные волны в физике конденсированного состояния/ Г.И.Канель, В.Е.Фортов, С.В.Разоренов // УФН, 2007, том 177,№8, С. 809–830. Физика взрыва / Баум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П. и др – М.: Наука, 1975.Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. – Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1972.Кинеловский С.А. Схождение кольцак центру под действием продуктов взрыва / Кинеловский С.А., Матюшкин Н.И., Тришин Ю.А.// Динамика сплошной среды. –Вып. 5 / Ин-т гидродинамики СО АН СССР. – Новосибирск, 1970. – С. 105–114.Тришин Ю.А. Ускорение твердых тел кумулятивными струями / Тришин Ю.А. // ПМТФ. – 1980. – № 5. – С. 145–149.Тришин Ю.А. О метании слоистых тел с помощью кумулятивной струи / Тришин Ю.А., Фоминых А.Г. // Механика быстропротекающих процессов. – Вып. 62. – Новосибирск, 1983. – С. 146–151.Физика ударно-волновых и кумулятивных явлений: Метод. указ. / Сост. Ю.А. Тришин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. – Ч. II. – С. 5 – 7.Ударные волны и экстремальные состояния вещества / ред . В Е Фортова , Л В Альтшулера , Р Ф Трунина , А И Фунтикова -М. : Наука , 2000. 156 с.Канель Г И. ФТТ/Канель Г И, Разоренов С.В.// 43 839, 2001 р.Physics shock wave in a condensed medium/ Kanel G. I., Razorenov S. V., Baumung К , Singer J .// Appl. Phys. 9 0 136 .2001Ударно- волновые явления в конденсированных средах / Канель Г. И., Разоренов С. В., Уткин А. В., Фортов В. Е. - М. : Янус-К , 1996Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических загрузках/ Под ред . M В Жерноклетова - Саров : РФЯ Ц — ВНИИЭФ , 2003