Моделирование распространения и взаимодействия ударных волн при неодномерном взрывном нагружении металлических шаров по остаточным изменениям микроструктуры

Распространение ударных волн в конденсированных средах интенсивно исследуется в/ с конца сороковых годов. Основной интерес исследований первоначально был связан с научной и практической потребностью в установлении уравнений состояния веществ при высоких (мегабарных) давлениях. Широкодиапазонные уравнения состояния и сейчас остаются одной из центральных проблем физики высоких плотностей энергии, однако за прошедшее время накоплены также обширные сведения о физических процессах и явлениях, сопровождающих ударноволновое сжатие конденсированных сред. Как известно, в мощных ударных волнах, помимо быстрого сжатия вещества до высоких давлений и его адиабатического разогрева, с чрезвычайно высокой скоростью протекают процессы упруго-пластической деформации, разрушения, полиморфных и фазовых превращений, химические реакции, явления электрической поляризации, ионизации и другие физические и химические явления. Таким образом, ударноволновое нагружение конденсированных сред позволяет исследовать фундаментальные свойства вещества в экстремальных условиях.

Анализ публикаций по данной теме свидетельствует, что исследования поведения вещества в ударных волнах ориентированы главным образом на прогнозирование отклика материалов на интенсивные динамические воздействия, такие, как высокоскоростной удар, взрыв или импульсы мощного лазерного излучения. В то же время, накопленные в физике ударных волн опыт, методические разработки, результаты проведенных исследований и новые представления о поведении вещества при интенсивных кратковременных воздействиях, явились существенным вкладом в физику твердого тела, физику плазмы, физику прочности и пластичности, теорию полиморфных превращений, химическую физику.

В настоящее время появляются и развиваются новые технологии с применением взрыва, импульсных лазеров и других импульсных источников энергии. Увеличение сложности проводимых экспериментов с целью получения необычных динамически изменяющихся условий нагружения предъявляет новые требования к пониманию процессов, происходящих при распространении в материале ударных волн со сложной геометрией фронта. Именно поэтому изучение воздействия ударных волн со сложной геометрией фронта на металлические материалы представляет интерес, не только чисто научный, но и практический, с точки зрения нескольких областей знания одновременно.

В результате мощного импульсного воздействия в металле, могут возникать такие структурные изменения, которые в обычных (статических) условиях оказываются недостижимыми. Следовательно, помимо экспериментального исследования и теоретического описания свойств металла при сверхвысоких давлениях, открывается дополнительная возможность создания новых материалов. С другой стороны, анализ результатов хг ударноволнового воздействия на образец позволяет сделать выводы относительно характера ударноволнового движения, процессов взаимодействия ударных волн и кумуляции энергии.

При проведении опытов такого типа очень важно предохранить образец от разрушения, поэтому при постановке экспериментов важную роль играют прочностные характеристики исследуемых материалов. С этой точки зрения, металлы и их сплавы, такие как сталь, сочетающие в себе высокую прочность с достаточно высокой пластичностью, предоставляют исключительную возможность для исследования.

Свойства металлов и сплавов тесно связаны с их структурой, поэтому большое значение имеет установление связи между структурными изменениями и параметрами ударно-волнового воздействия (давление, степень сжатия, остаточная температура). В некоторых случаях по остаточным изменениям микроструктуры можно ответить на ряд вопросов, возникающих при изучении ударно-волнового движения с позиций гидрои газодинамики при сложной геометрии нагружения.

Таким образом, проблема распространения ударных волн в металлических материалах является актуальной и интересной темой как фундаментально-научных, так и прикладных исследований.

Данная работа посвящена анализу распространения и взаимодействия ударных волн в металлических образцах, подвергнутых трехмерному (в частности, додекаэдрическому) ударноволновому нагружению. Конкретными целями работы являлись:

1. Изучение результатов воздействия сходящихся ударных волн со сложной конфигурацией волнового фронта на материал образца методами физического материаловедения.

2. Воссоздание картины ударноволнового движения с помощью математического (компьютерного) моделирования на основании полученных экспериментальных данных.

Попутно был поставлен вопрос об общей методике проведения исследований подобного рода.

Для достижения поставленных целей было необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать особенности макрои микроструктуры сохраненных образцов.

2. На основании результатов металлографического исследования и измерений микротвердости нагруженных образцов установить тип взаимодействия ударных волн (возможные ответы: регулярный либо маховский) в каждом конкретном случае.

3. Определить «область влияния» начальных условий нагружения (Этот пункт будет подробно обсуждаться в других разделах настоящей работы).

4. Установить наличие либо отсутствие кумуляции энергии (в каждом конкретном случае).

5. Разработать модели, описывающие исследуемые ударноволновые процессы, на основе полученных экспериментальных данных.

6. Рассчитать (в тех случаях, где это возможно) термодинамические параметры ударноволнового воздействия, воссоздать картину ударноволнового движения и объяснить наблюдаемые макрои микроструктурные изменения в материале образцов.

Научная новизна данной работы связана прежде всего с особенностью экспериментов по ударноволновому нагружению металлических шаров. Эксперименты проводились сотрудниками Российского Федерального Ядерного Центра РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск) под руководством академика Б. В. Литвинова. Специальное оборудование, разработанное во ВНИИТФ для проведения опытов по сферическому и квазисферическому нагружению образцов сходящимися ударными волнами высокой (до нескольких мегабар) интенсивности, не имеет аналогов в мире. В связи с этим, новыми являются и некоторые методы исследования нагруженных образцов, и способы описания наблюдаемых явлений. Оригинальность проведенных в Снежинске экспериментов позволила получить несколько необычные (и новые) результаты, такие как след маховской трехволновой конфигурации в металле, пространственно-периодическое (полосчатое) фазовое превращение в стали. Эти и другие эффекты будут подробно обсуждены в соответствующих главах.

По результатам работы было опубликовано 16 печатных трудов. Основные материалы, изложенные в работе, были доложены и обсуждены на:

1. IV Международной конференции «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике» (Казань-Новосибирск, 1995);

2. Международной конференции «IV Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 1995);

3. International conference «Shock compression of condensed Matter» (Seattle, USA, 1995);

4. XI симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1996);

5. IX Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 1997);

6. Международной конференции «V Забабахинские научные чтения» (Снежинск, 1998);

7. XXVII Международной зимней школе-симпозиуме физиков-теоретиков «Коуровка-98» (Кыштым, 1998) — и опубликованы в журналах:

1. Доклады Академии Наук, 1995, т.343, N5, с. 621−624.

2. Известия Академии Наук, Серия физическая, 1998 г. т.62, № 7, с.1303−1309.

3. Письма в ЖЭТФ, 1998, т.67, Вып. 9−10, с.803−807.

Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и приложения.

Далее, результаты исследования металлических образцов, подвергнутых трехмерному сходящемуся ударноволновому нагружению, неоднократно публиковались в печати. Этому виду ударноволнового нагружения посвящена настоящая работа. Основные результаты, которые будут обсуждены ниже, были опубликованы в [44, 45, 94−107].

1.6. Постановка задачи исследования.

Как уже отмечалось, увеличение сложности проводимых экспериментов с целью получения необычных динамически изменяющихся условий нагружения предъявляет новые требования к пониманию процессов, происходящих при распространении в материале ударных волн со сложной геометрией фронта. Именно поэтому нагружение металлов сходящимися ударными волнами со сложной геометрией фронта представляет интерес одновременно для нескольких областей знания.

Прежде всего, такое нагружение, так же, как и сферическое, позволяет исследовать результаты импульсного воздействия с пространственным распределением давлений, охватывающим широкий диапазон значений, на одном образце [44]. С другой стороны, процессы распространения трехмерного волнового фронта и взаимодействия ударных волн в конденсированной среде представляют собой интересную ударно-волновую задачу. Возможность хотя бы численного решения этой задачи в общем виде вызывает серьезные сомнения в силу сложности начальных и граничных условий в рассматриваемых опытах.

В то же время, свойства металлов и сплавов тесно связаны с их структурой, поэтому большое значение имеет установление связи между структурными изменениями и параметрами ударно-волнового воздействия (давление, степень сжатия, остаточная температура). В некоторых случаях по остаточным изменениям микроструктуры можно ответить на ряд вопросов, возникающих при изучении сложного ударно-волнового движения с позиций гидрои газодинамики (В частности, явление кумуляции энергии может наблюдаться или не наблюдаться в случае схождения ударноволнового фронта, возникающего в результате подрыва взрывчатого вещества в нескольких точках инициирования).

Таким образом, трехмерное сходящееся ударноволновое нагружение металлов и сплавов представляет существенный интерес как с точки зрения физики металлов, так и с позиций физики ударных волн, а изучение остаточных микроструктурных изменений может оказать неоценимую помощь при получении количественных оценок параметров воздействия. Оба подхода — металловедческий и ударно-волновой — оказываются, таким образом, тесно взаимосвязанными и взаимодополняющими. Общая методика исследований распространения трехмерного ударноволнового фронта в металле, следовательно, может быть условно представлена в виде четырех пунктов:

1. Изучение структуры и свойств материала после ударноволнового воздействия.

2. Воссоздание картины ударно-волнового нагружения методами численного расчета и математического моделирования.

3. Установление соответствия между результатами расчета и экспериментальными данными.

4. Обобщение полученных результатов.

Данная работа была посвящена анализу распространения и взаимодействия ударных волн в металлических шарах, подвергнутых трехмерному (главным образом, додекаэдрическому) сходящемуся ударноволновому нагружению. В соответствии с предложенной схемой общей методики проведения исследований, конкретными целями работы являлись:

1. Изучение результатов воздействия сходящихся ударных волн со сложной конфигурацией волнового фронта на материал образца методами физического материаловедения.

2, Воссоздание картины ударноволнового движения с помощью математического (компьютерного) моделирования на основании полученных экспериментальных данных.

Для достижения целей были поставлены следующие задачи:

1. Исследование особенностей макрои микроструктуры сохраненных образцов. Измерения микротвердости.

2. Определение режимов взаимодействия ударных волн (возможные ответы: регулярный либо маховский) на основании результатов металлографических исследований и измерений микротвердости нагруженных образцов.

3. Определение «области влияния» начальных условий нагружения.

4. Анализ возможности кумуляции энергии.

5. Разработка моделей, описывающих исследуемые ударноволновые процессы.

6. Компьютерное моделирование ударноволновых процессов и / или расчет термодинамических параметров ударноволнового воздействия (давления, степени сжатия, остаточной температуры) — воссоздание картины ударноволнового движения и объяснение наблюдаемых макрои микроструктурных изменений в материале образцов.

2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УДАРНЫХ ВОЛН В.

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШАРАХ. 2.1. Методика проведения экспериментов.

Сплошные шаровые образцы из стали и латуни диаметром 60 или 40 мм подвергались воздействию взрыва сферического заряда толщиной 10 или 20 мм, соответственно. Нагружение проводилось в Российском Федеральном Ядерном Центре РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск) Н. П. Пурыгиным и В. И. Бузановым под руководством академика Б. В. Литвинова. Взрыв инициировали с поверхности заряда в 12 точках, равномерно расположенных на поверхности сферы. Заряд взрывчатого вещества с находящимся внутри образцом был окружен массивным металлическим корпусом, что вместе с выбором толщины слоя взрывчатого вещества обеспечивало сохранение образца после воздействия на него сходящейся квазисферической ударной волны. Как известно, давление в такой волне по мере движения от поверхности образца к центру фокусировки растет, охватывая все меньшее и меньшее количество вещества. С ростом давления повышается температура. Форма ударноволнового фронта в процессе движения изменяется. Дойдя до центра шара, ударная волна фокусируется, после чего от центра наружу распространяется расходящаяся ударная волна сжатия. Взаимодействие этой волны с волной разрежения, распространяющейся от поверхности образца, приводит к возникновению в материале растягивающих напряжений и связанных с ними откольных явлений. Так как величина растягивающих напряжений определяется скоростью изэнтропической разгрузки, происходящей в волне разрежения, при слишком быстрой разгрузке обычно происходит разрушение образца. Именно поэтому для сохранения образцов в опытах применялся массивный металлический корпус, позволяющий замедлить процесс разгрузки и, следовательно, снизить возникающие в образце растягивающие напряжения [108].

Несинхронность инициирования взрыва, в экспериментах не превышала 10″ с. В одном из экспериментов по нагружению стальных образцов диаметром 60 мм между слоем взрывчатого вещества и корпусом была помещена прокладка из легкого материала. Прокладка несколько ускорила процесс разгрузки и усилила действие ударной волны сжатия, отраженной от центра фокусировки. Кроме того, образец из стали диаметром 90 мм был подвергнут ударноволновому нагружению с использованием 6 точек инициирования. Данный опыт проводился в условиях «быстрой разгрузки», без использования предохраняющего корпуса, но с использованием существенно менее мощного заряда взрывчатого вещества. Эксперимент был поставлен в РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск) М. А. Лебедевым под руководством академика Б. В. Литвинова.

2.2. Некоторые особенности рассматриваемых задач.

Вводные замечания.

После воздействия взрыва образцы слегка деформируются, превращаясь в тело, которое в случае 12 и 6 точек инициирования можно назвать, соответственно, квазидодекаэдром (рис. 9) и квазикубом. Очевидно, что симметрия деформации соответствует симметрии ударноволнового нагружения. На поверхности шаров четко видны линии взаимодействия детонационных волн, образующие правильные геометрические фигуры — грани деформированного образца (пятиугольники и квадраты для случаев, соответственно, квазидодекаэдра и квазикуба). Центры таких граней совпадают с проекциями точек инициирования (рис. 9).

По характеру узора на поверхности образца можно судить о начальной конфигурации ударноволнового фронта. В случае 12 точек инициирования эта конфигурация качественно идентична во всех опытах — меняются лишь пропорции. Однако в зависимости от конкретных условий эксперимента и свойств исследуемого материала конфигурация результирующего.

Рис. 9. Внешний вид латунного образца диаметром 40 мм, подвергнутого ударноволновому нагружению с использованием 12 точек инициирования. На поверхности шара видны линии взаимодействия ударных волн, движущихся от различных точек инициирования. Линии образуют геометрический узор в форме правильных пятиугольников. Более широкая полоса, опоясывающая образец по экватору, образовалась в месте соприкосновения двух половин заряда взрывчатого вещества. ударноволнового фронта различным образом изменяется с течением времени при движении ударных волн вглубь образца.

Можно выделить три типа ударноволнового движения в исследуемых шарах.

1. В результате взаимодействия первичных ударных волн, движущихся от различных точек инициирования к центру фокусировки, на стадии схождения формируется единый сферический ударноволновой фронт. Движение приобретает автомодельный одномерный характер, начальные условия эксперимента «забываются». В этом случае на завершающей стадии схождения происходит кумуляция энергии. Начиная с некоторого критического радиуса (расстояния до центра образца)^ давление возрастает в соответствии с известными законами сферического сходящегося ударноволнового движения.

2. Ударноволновое движение до момента фокусировки остается несферическим. Законы нарастания давления существенно отличаются от аналогичных законов для одномерного случая, кумуляции энергии может не наблюдаться. Тем не менее, после фокусировки отраженная от центра ударная волна сжатия «забывает» начальные условия, и движение становится одномерным на стадии отражения.

3. Ударноволновое движение не сферично как на стадии схождения, так и после отражения от центра фокусировки. Распространяющаяся от центра шара расходящаяся ударная волна наследует симметрию сходящейся. Фронт расходящейся волны представляет собой инверсию сходящегося фронта относительно точки фокусировки. Начальные условия опыта «не забываются» .

Описанные три типа ударноволнового движения были обнаружены нами в поставленных экспериментах, что, несомненно является одним из результатов настоящей работы. Тем не менее, целесообразно несколько нарушить общепринятую последовательность описания результатов исследования, так как обнаруженные три типа ударноволнового движения в опытах во многом определяют логику дальнейшего изложения материала.

Будут детально рассмотрены процессы формирования сферического волнового фронта на примере стального шара диаметром 40 мм, в котором реализуется первый тип ударноволнового движения. Далее будет рассмотрен второй случай, реализующийся в стальных образцах диаметром 60 мм. Будет приведен анализ ударноволнового движения как для «классически» поставленного опыта, так и для опыта с использованием легкой прокладки (описание методики было дано выше), в котором эффекты, связанные с распространением отраженной от центра сферически симметричной волны сжатия, проявляются особенно ярко. Наконец, третий тип ударноволнового движения будет рассмотрен на примере стального шара диаметром 90 мм. Обобщение полученных результатов позволит решить поставленные задачи и выявить основные закономерности процессов, происходящих при квазисферическом ударноволновом нагружении металлических шаров.

Основное внимание в работе уделяется стальным образцам, подвергнутым додекаэдрическому ударноволновому нагружению.

2.3. Ударное нагружение стального шара диаметром 40 мм.

2.3.1 Микроструктурные исследования, микротвердость и изэнтропы разгрузки.

Процесс формирования квазисферического ударного фронта наиболее полно может быть проиллюстрирован на примере стального шара из стали с 40Х содержанием 0,37 вес. С и 1,1 вес Сг диаметром 40 мм, нагруженного по 12-точечной схеме. Различные методики химического травления поверхности сечения, с одной стороны, выявляют радиальное изменение микроструктуры образца, указывая на наличие кумуляции, с другой стороны иллюстрируют несферичность данного метода воздействия и процессы взаимодействия ударных волн, идущих от различных точек инициирования. На рис. 10 приведена фотография диаметрального сечения данного шара. Химическое травление выявило картину, которую на первый взгляд можно считать центросимметричной, однако результаты более детального изучения свидетельствуют о том, что одномерное движение имело место лишь в центральной области шара.

На рис. 11 изображено сечение исследуемого образца, подвергнутого травлению по другой методике. Фигуры различной травимости при нагружении цилиндрическими ударными волнами, инициированными из 6 и 4 точек, по-видимому, впервые наблюдал Альтшулер с сотрудниками [109]. Поэтому фигуры, вытравленные в описываемых опытах, мы назвали фигурами Альтшулера. Измерения микротвердости (рис.126), проделанные вдоль дуг, обозначенных АВ и CD на схеме рис. 12а, показали сложную угловую зависимость наклепа материала образца. Результаты измерений свидетельствуют, что значительное понижение наклепа наблюдается в светлотравящихся областях Альтшулера (рис. 11). Совокупность экспериментальных данных, полученных для описанного образца, может быть объяснена с помощью схемы, изображенной на рис. 13. Данная схема иллюстрирует изменение конфигурации первоначально трехмерного фронта с течением времени. Головные волны маховских тришоков (отрезок О’О на схеме), возникающие в местах столкновения расходящихся ударных волн, движущихся от соседних точек инициирования (линии АО и А’О'), имеют более высокую скорость [45,50], что приводит к сглаживанию фронта. В соответствии с [45,50], следы точек О и О' представляют собой границы контактного разрыва. На рис. 11 эти границы разделяют области Альтшулера светлого и темного травления. Согласно [50], окончательное значение импульсного давления по разные стороны границы контактного разрыва (с учетом дожатая вещества волнами, отраженными от поверхности взаимодействияна схеме эти волны не указаны) одно и то же. Однако,.

Рис. 10. Фотография диаметрального сечения образца. Радиальное изменение микроструктуры.

Рис.И. Фотография диаметрального сечения образца. Фигуры Альтшулера. а б.

Рис. 12. Угловая зависимость микротвердости в стальном шаре диаметром 40 мм. а) Схема измерений микротвердости. б) Угловая зависимость микротвердости.

Рис. 13. Схема изменения конфигурации волнового фронта с течением времени в стальном шаре диаметром 40 мм. Головные волны маховских тришоков (ОО'), возникающие в местах столкновения расходящихся первичных ударных волн (АО и А’О'), движущихся от соседних точек инициирования, имеют более высокую скорость. В результате происходит сглаживание фронта и преобразование трехмерного движения в одномерное. конечное состояние в темных (рис. 11) областях Альтшулера достигается в процессе двукратного сжатия, то есть режим воздействия более близок к статическому, что приводит к более высокой степени наклепа материала.

Как видно из приведенной схемы, начиная с некоторого радиуса г ~ 9 мм. ударно-волновое движение приобретает квазисферический характер и, следовательно, может рассматриваться как одномерное.

Вновь обратимся поэтому к рис. 10 и рассмотрим наблюдаемую картину более подробно. В центре квазидодекаэдра видна почти сферическая полость диаметром около 5 мм. Вокруг нее располагается узкая (0.5−1.0 мм) область столбчатых кристаллов, имеющих ярко выраженную дендритную структуру (рис. 14). Наличие такой структуры указывает на то, что вблизи центра, где происходит фокусировка квазисферической ударной волны, сталь плавилась (а возможно, что в самом центре и испарялась), кристаллизируясь при последующем охлаждении. «Правильная» форма дендритов и их размеры свидетельствуют о том, что кристаллизация происходила в условиях достаточно медленного понижения температуры. Поскольку время нагружения^ при взрывном воздействии на образец составляет несколько микросекунд, естественно заключить, что подобные условия могли возникнуть только после разгрузки образца. Образование полости происходило при движении вещества от центра за расходящейся волной. Таким образом, тонкий слой на поверхности полости образован из вещества, находившегося в центре образца.

Вокруг зоны столбчатых кристаллов располагается кольцевая зона толщиной около 2 мм, в которой происходило образование у-фазы железа. Микроструктурные исследования показали, что в наружной части этой зоны образование у-фазы происходило на месте перлитной составляющей исходной структуры стали. Внутренняя часть зоны полностью превратилась в аустенит. В процессе охлаждения после взрывного нагружения образовавшийся аустенит превратился в игольчатую структуру — бейнит (рис.15), твердость.

Рис. 14. Дендритная структура в зоне стального шара диаметром 40 плавления мм. (х140).

Рис. 15. Игольчатая структура (бейнит) в области образования у-фазы. х350. которой больше, чем твердость перлита, по меньше, чем мартенсита. 'Этот факт в сопоставлении с диаграммой распада переохлажденного аустенига сталей близкого состава [ПО] позволяет считать, что скорость охлаждения из быть только в том случае, если остаточная температура после разгрузки превышала температуру а-у перехода [44].

Последняя, наружная зона образца толщиной около 14 мм сохранила исходную ф е р р и то — п ер л и т н у го структуру стали 4 ОХ (рис. 16), хотя в отдельных участках структуры наблюдалась локализованная деформация (рис. 17).

Как уже было отмечено, вблизи некоторого критического радиуса г~9 мм в результате взаимодействия движущихся от различных точек инициирования ударных волн формируется кваз и сферическая сходящаяся ударная волна.

В такой волне твердость стали растет аналогично тому, как это наблюдали при воздействии на стальные образцы сферической сходящейся ударной волной [111], Согласно [82] давление в сходящейся сферической ударной волне растет по закону.

Используя эту зависимость и то, что в образце четко выделена зона плавления (от центра образца до внешней границы юны плавления расстояние 1−3.2 мм), можно по известной температуре плавления стали и, считая, что кристаллизация происходит после разгрузки, оценить численное значение давления в зоне плавления.

В п. 1.4 настоящей работы было отмечено, что изэнтропическая зависимость температуры от удельного объема описывается уравнением (14), т. е. аустенитной области не превышала 10 ' К/с. Такая скорость охлаждения могла.

Рис. 16. Исходная феррито-перлитная структура стали 40Х. х!40 .

Рис. 17. Локализация деформации в исходной Феррито-перлитной структуре. х140. где Т), — температура, соответствующая ударному нагружению до удельного объема V),, Тч — температура, соответствующая разгрузке до удельного объема V. Учитывая (13), зависимость давления при разгрузке можно описать в виде:

Р8=Рь (?)-Рт (У, Т11)+РТ (У, Т8) (15), где Рь (У) — давление Гюгонио. Таким образом, функции (14) и (15) параметрически задают семейство изэнтроп разгрузки в координатах Р, Т. Необходимые для расчетов функции Рь, Г (У), Ть были заимствованы из [112,113]. Значение давления на поверхности стального шара было определено расчетно, исходя из свойств использованного взрывчатого вещества. Результаты расчетов зависимости Р (г) для стального шара в сферическом приближении приведены в таблице 1.

Применимость данных результатов не ограничивается стальным образцом. Установлено [93], что при нагружении латунного шара общая картина распространения и взаимодействия ударных волн идентична описанной выше.

Численные оценки давлений в совокупности с проведенными расчетами по режиму разгрузки позволили решить обратную задачу, т. е. установить зависимость значений остаточных температур от расстояния до центра стального шара. На рис. 18 приведены результаты расчетов изэнтроп в сопоставлении с Р-Тдиаграммой железа. Цифрой 1 обозначена ударная адиабата в координатах Р — Т, цифрами 2 — 6 — изэнтропы разгрузки, соответствующие различным значениям ударного давления. Из приведенного рисунка видно, что при ударном давлении порядка 140 ГПа и выше разгрузка завершается в у-области Р-Т — диаграммы (кривая 4). В соответствии с таблицей 1, такая ситуация имеет место на расстоянии до центра шара, не превышающем 4 мм, что приблизительно соответствует границе зоны, в которой по результатам структурных исследований происходило превращение свободного феррита в аустенит с последующим образованием бейнита. Результаты расчетов, таким образом, согласуются с данными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, рассмотрены три типа ударноволнового движения в металлических шарах при квазисферическом ударноволновом нагружении. В первом случае начальные условия «забываются» на стадии схождения, после чего движение приобретает сферический одномерный характер. Во втором случае начальные условия «забываются» на стадии и отражения ударных волн от центра фокусировки. Отраженная от центра расходящаяся ударная волна является сферической и не наследует исходную симметрию опыта. В третьем случае движение остается несферичным, начальные условия влияют на все стадии ударноволнового движения.

Установлено, что первому типу ударноволнового движения соответствует маховский (нерегулярный) режим взаимодействия ударных волн. Данный режим взаимодействия реализовался в стальном шаре диаметром 40 мм. Экспериментальные исследования позволили представить конкретную схему преобразования додекаэдрического ударноволнового фронта в сферический. На основе полученных экспериментальных данных был выполнен расчет термодинамических параметров ударноволнового нагружения стального шара 0 40 в области как одномерного, так и трехмерного волнового движения. При моделировании движения ударных волн была использована реальная геометрия границ контактного разрыва (фигур Альтшулера), Исследование показало, что остаточная температура играет важную роль в формировании окончательной картины результатов динамического воздействия. Хорошая корреляция проведенных расчетов и результатов моделирования" с наблюдаемыми изменениями микротвердости стали не оставляет сомнений в правильности предложенной модели, поэтому данную модель можно обобщить на весь класс ^ ударноволновых явлений, описываемых рассматриваемым типом взаимодействия волн при квазисферическом импульсном нагружении различных материалов.

Второму типу ударноволнового движения в рассматриваемых опытах соответствовал регулярный режим взаимодействия первичных ударных волн. Данный режим, реализованный в стальных шарах диаметром 60 мм, привел к постановке существенно более сложной задачи о распределении давления в материале образца. Однако совместное использование металловедческого и физического подходов в совокупности с компьютерным моделированием позволило получить хороший результат там, где другие методы исследования оказались неэффективными. Было изучено сложное додекаэдрически симметричное регулярное ударноволновое движение в стальном шаре. Предложена модель, описывающая распространение и взаимодействие ударных волн в материале образца. Данная модель, опирающаяся на результаты металлографического исследования остаточных микроструктурных изменений в нагруженном материале, позволила воссоздать картину ударноволнового движения и описать пространственное распределение давлений в шаре, а также восстановить профиль импульса взаимодействующих ударных волн.

Кроме того, была выявлена роль отраженной от центра шара ударной волны в формировании окончательной картины результатов воздействия. Была обнаружена пространственно-периодическая полосчатая структура в стали, возникшая в результате действия на материал отраженной от центра фокусировки сферически симметричной ударной волны сжатия при нагружении шарового образца сходящимися регулярно взаимодействующими ударными волнами в условиях слабо замедленной разгрузки. Предложена модель, объясняющая формирование периодической полосчатой структуры и позволяющая проследить эволюцию данной структуры в произвольной области образца, а также оценить время изэнтропического течения вещества шара. Данная модель может применяться для прогнозирования поведения других материалов, имеющих фазу высокого давления, а также для подбора условий^{Ударноволнового} нагружения, приводящих к формированию пространственно-периодических структурных изменений в таких материалах.

Третий тип ударноволнового движения реализовался при квазикубическом нагружении стального шара диаметром 90 мм. Анализ формы центральной полости показал, что в образце имело место нерегулярное.

О сс «>» > взаимодеиствие ударных волн с однократным опрокидыванием волнового фронта. Первоначально квазикубический фронт в процессе сходящегося движения преобразовался в октаэдрический, и, далее, взаимодействие отраженной от центра фокусировки октаэдрической ударной волны сжатия с волной разгрузки (разрежения) привело к образованию центральной полости, унаследовавшей соответствующую симметрию.

Таким образом, закономерности распространения и взаимодействия ударных волн при квазисферическом взрывном нагружении металлических шаров изучены. Объяснен механизм образования центральной полости. Предложены методики количественного расчета термодинамических параметров ударноволнового нагружения, качественного и количественного воссоздания картины ударноволнового воздействия. Предложенные модели впервые были применены на практике и показали исключительно хорошее согласие теории и эксперимента. Было показано, что использование результатов металлографического исследования нагруженных образцов в качестве исходных данных для построения моделей позволяет расширить наше понимание процессов, происходящих в материале в течение микросекундных интервалов времени. Показано, что опираясь на результаты исследования сохраненных образцов методами физического материаловедения, можно вычислить ударноволновые параметры импульсного воздействия: пространственное распределение давления, степени сжатия и остаточной температуры, время изэнтропического течения материала за фронтом ударной волны и даже профиль импульса давления. Подобные сведения чаще всего невозможно получить ни путем прямых измерений в процессе эксперимента, ни путем строгого (даже численного) решения соответствующей нелинейной задачи в общем виде — подобная задача поддается решению лишь при столь сильном упрощении, когда расчеты в большинстве случаев теряют смысл. Поэтому комплексный подход, включающий в себя экспериментальное исследование нагруженных образцов и математическую обработку полученных результатов, сыграл ключевую роль в понимании исследуемых процессов.