ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 3, с. 300-308
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.14:539.25
ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ СХЛОПЫВАНИИ ТОЛСТОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ ИЗ СТАЛИ 20
© 2015 г. В. И. Зельдович*, Н. Ю. Фролова*, А. Э. Хейфец*, С. М. Долгих**,
К. В. Гаан**, Е. В. Шорохов**
*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **РФЯЦ-ВНИИтехнической физики им. Е.И. Забабахина, 456770 Снежинск, Челябинской обл., а/я 245 e-mail: zeldovich@imp.uran.ru Поступила в редакцию 08.07.2014 г.; в окончательном варианте — 10.08.2014 г.
Выполнен эксперимент по схождению толстой стальной цилиндрической оболочки в сплошной цилиндр под действием скользящей детонационной волны. Выполнена рентгеновская регистрация схождения и установлено, что время схлопывания в одном сечении составляет 30 мкс. Усредненная степень деформации составляет 77%, скорость деформации — 104 с-1. Структура стали 20 в поперечном сечении цилиндра состоит из трех зон. В наружной зоне исходная феррито-перлитная структура изменяется под действием ударной волны сжатия и локализованных сдвигов. Ударная волна приводит к образованию в-фазы высокого давления и двойников. При последующем инерционном схождении оболочки в поверхностном слое возникают значительные сдвиговые деформации, которые локализуются в направлениях, расположенных под углами 60 град к цилиндрической поверхности. Структура средней зоны изменяется под действием интенсивной пластической деформации, которая происходит преимущественно в радиальном направлении. Деформация приводит к созданию внутреннего давления и к повышению температуры. В результате совместного действия трех факторов (давления, температуры и деформации) температура образования аустенита снижается на несколько сотен градусов. В свободном феррите происходит а ^ у-превращение, и закалка при последующем резком уменьшении давления ("баротермическая" закалка). Перлитные участки испытывают пластическую деформацию. Микротвердость стали с такой структурой равна микротвердости закаленной стали. Структура третьей, центральной зоны изменяется под действием существенного повышения температуры, вызванного дальнейшим увеличением степени деформации. В центре этой зоны происходит полное превращение феррита и перлита в аустенит, значит, температура достигает 850-900°С и более. Микротвердость уменьшается до значений микротвердости отожженной стали.
Ключевые слова: схождение стальной цилиндрической оболочки, локализованная деформация, микроструктура, свободный феррит, перлит, аустенитизация, баротермическая закалка, микротвердость.
DOI: 10.7868/S001532301503016X
ВВЕДЕНИЕ
Исследование схлопывания цилиндрических и сферических оболочек представляет интерес как для анализа физических процессов, связанных с явлениями кумуляции [1], так и для решения некоторых технических задач [2]. Схлопыва-ние осуществляется под действием детонации взрывчатого вещества (ВВ), окружающего оболочку. При недостаточной величине подводимой энергии, например, недостаточной мощности и/или количестве ВВ, полное схлопывание не достигается. В результате получается оболочка меньшего радиуса и большей толщины. При избыточной величине подводимой энергии после схло-
пывания может произойти разлет оболочки под действием расходящихся ударных волн при их отражении от оси фокусировки. При схождении изменяется структура оболочки, наблюдаются от-кольные явления [3].
Цель настоящей работы состояла в такой постановке опыта по схлопыванию стальной цилиндрической оболочки, когда величина подводимой энергии будет оптимальной и будет достигнуто полное схлопывание без последующего разрушения схлопнутого цилиндра. Представлял несомненный интерес анализ деформационных процессов, приводящих к схлопыванию, и сопутствующих явлений. Для этой цели было выполне-
Сходящаяся оболочка
Фронт ДВ
Наружная оболочка
Внутренняя 'оболочка
но металлографическое исследование макро- и микроструктуры на различных сечениях схлопну-того цилиндра и измерения микротвердости.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальный узел состоял из двух концентрически расположенных цилиндрических оболочек (труб) разного диаметра, полость между которыми заполнялась алюминизированным бризантным ВВ. Внутренний диаметр внутренней оболочки был 106.6 мм, толщина стенки 5.7 мм. Внутренний диаметр наружной оболочки был 188 мм, толщина стенки 3.3 мм. Материал оболочек — сталь 20 (Ре—0.2 вес. % С). Инициирование осуществляли по торцу ВВ с помощью кольцевой системы инициирования через промежуточное высокочувствительное бризантное ВВ. После инициирования алюминизированного ВВ вдоль наружной границы внутренней оболочки и внутренней границы наружной оболочки распространялась скользящая детонационная волна, и под действием продуктов взрыва происходило схождение внутренней цилиндрической оболочки к оси симметрии. Наружная оболочка задерживала разлет продуктов взрыва и увеличивала время действия высокого давления. На внешней поверхности наружной трубы были размещены волоконно-оптические датчики для определения скорости детонации. По оси внутренней оболочки были установлены на четырех уровнях электроконтактные датчики, с помощью которых регистрировали процесс схождения. Кроме того, с помощью рентгенографической методики регистрировали положение внутренней и наружной границ внутренней оболочки при схождении.
Для исследования макро- и микроструктуры и измерения микротвердости были выполнены три поперечных разреза полученного при схлопыва-нии цилиндра и один продольный. Металлографическое исследование выполнено на микроскопе ЕР1ТУР 2, измерение микротвердости — на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.98 Н.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Регистрация схлопывания. С помощью волоконно-оптических датчиков была определена скорость детонации. По расстояниям до контрольных точек на внешней поверхности наружной трубы и времени прихода детонационной волны было найдено, что скорость детонации равна 5.30 ± 0.05 км/с. В результате нагружения скользящей детонационной волной произошло схлопывание оболочки, и был получен сплошной цилиндр диаметром ~50 мм, поверхность которого имела "ребристое" строение. Диаметр цилиндра без учета выступов (ребристости) был 48 мм. На рис. 1 представлен рентгеновский снимок процесса схождения оболочки и
Рис. 1. Рентгеновский снимок процесса схождения
внутренней оболочки и его схема. Пояснения в тексте.
схема снимка. На схеме штриховыми линиями отмечен фронт детонационной волны. Перед фронтом видно положение внутренней и наружной оболочек (труб) до нагружения. Рентгеновский снимок показывает, что схождение внутренней оболочки происходило плавно, без скачков. После нагружения получился сплошной цилиндр.
На рис. 2 показана временная зависимость внутреннего и наружного радиусов внутренней оболочки в одном сечении в процессе схождения. Зависимость, полученная путем обработки рентгеновского снимка (с учетом измеренной скорости детонации) и независимо по данным измерений с помощью электроконтактных датчиков, получилась одинаковой, что свидетельствует о высокой точности измерений. Время схлопывания составляет ~30 мкс. Минимальный наружный радиус схлопнутого цилиндра в процессе сжатия был 23.4 мм. Затем наружная граница расширилась до 24 мм и остановилась. Таким образом, степень сжатия при схлопыва-нии составила ~5%.
Из рис. 2 видно, что в начальный момент времени оболочка перемещалась со скоростью ~1 км/с. Такому значению массовой скорости соответствует давление в ударной волне ~40 ГПа. В процессе дальнейшего движения по инерции скорость границ оболочки увеличивалась. По размерам ис-
Рис. 2. Зависимость внутреннего (кривая 1) и наружного (кривая 2) радиусов внутренней оболочки в одном сечении от времени схождения.
1
2 —
Рис. 3. Элемент кольца исходной внутренней оболочки (1) и соответствующий сектор круга (2) после деформации (к определению усредненной степени радиальной деформации).
ходной оболочки и схлопнутого цилиндра и времени схлопывания определена средняя скорость перемещения границ оболочки. Наружная граница перемещалась со средней скоростью 1.1 км/с, внутренняя — со скоростью ~1.8 км/с. Деформация при схождении оболочки носит сложный характер, но происходит преимущественно в радиальном направлении и неодинакова по радиусу. Для оценки усредненной величины степени радиальной деформации воспользуемся схемой, приведенной на рис. 3. Элементарный участок кольцевой поверхности исходной оболочки превращается при схлопывании в соответствующий сектор круга. Удлинение в радиальном направлении составляет при этом 77.2%; сжатие в перпендикулярном направлении, измеренное на серединах участков, — 77.7%. Очевидно, что локальная степень деформации возрастает с приближением к оси цилиндра. Так, степень деформации для слоя кольцевой поверхности толщиной 1 мм, прилегающего к внутренней поверхности оболочки, составляет 90.4%, для слоя толщиной 0.5 мм — 93.2%. Как показало исследование структуры (см. ниже), деформация происходит также вдоль оси цилиндра. Площадь кольца в поперечном сечении исходной оболочки больше площади круга полученного цилиндра на 10%. Значит, из условия постоянства объема, усредненная степень деформации удлинения в осевом направлении составляет 10%. Таким образом, усредненная радиальная деформация превышает осевую приблизительно в восемь раз. Для определения усредненной скорости
Рис. 4. Макроструктура продольного (а) и поперечного (б) сечений схлопнутого цилиндра. Стрелки показывают направление течения.
радиальной деформации отнесем степень деформации ко времени схлопывания, получаем 2.6 х 104 с-1.
Металлографическое исследование. На рис. 4
представлена макроструктура части продольного сечения и одно из поперечных сечений схлопну-того цилиндра. На продольном сечении видно (рис. 4а), что в верхней части цилиндра, вблизи оси сохранилась несплошность, но по мере распространения детонационной волны она исчезает. Отчетливо видны следы течения металла в радиальном направлении, это течение обеспечивает схлопывание оболочки. С приближени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.