ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2008, том 106, № 3, с. 312-321
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ =
УДК 539.89:620.186
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И ЭФФЕКТОВ ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ НЕОДНОМЕРНОМ ВЗРЫВНОМ НАГРУЖЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШАРОВ
© 2008 г. И. В. Хомская*, А. Э. Хейфец*, В. И. Зельдович*, Б. В. Литвинов**, Н. П. Пурыгин**
*Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Российский федеральный ядерный центр - ВНИИ технической физики им. акад. Е.И. Забабахина,
456770, г. Снежинск Челябинской обл., а.я. 245 Поступила в редакцию 12.07.2007 г.; в окончательном варианте - 21.09.2007 г.
Сплошные шары диаметром 60 мм из сталей, латуни и дюралюминия подвергали воздействию взрыва сферического заряда взрывчатого вещества, инициируемого с поверхности в нескольких точках. Микроструктурные исследования сохраненных образцов показали, что наблюдается корреляция макро- и микроструктурных изменений и разрушения с геометрическими условиями ударно-волнового воздействия. Трещины образуются в местах столкновения ударных волн в соответствии с геометрией нагружения и исходной волокнистостью материала. Вблизи трещин наблюдаются участки локализованного течения, возникновение которых предшествует зарождению трещин. В латунном шаре радиальные трещины соединяются с центральной полостью, образующейся в твердофазном состоянии. Показано, что возможность кумуляции при одинаковых схемах нагружения зависит от материала образцов.
PACS: 62.50.+p,81.40.Lm
Ударно-волновое нагружение шаровых металлических образцов сходящимися сферическими и квазисферическими ударными волнами приводит к эффекту кумуляции энергии [1]. Схемы нагружения с использованием относительно небольшого числа точек инициирования заряда позволяют изучать особенности несферической кумуляции энергии, наблюдать эффекты взаимодействия ударных волн и связанную с ними локализацию пластической деформации нагружаемых образцов по остаточным изменениям микроструктуры. Микроструктура сохраненных образцов изменяется под действием нескольких факторов: высокого давления, наклепа, вносимого высокоскоростной деформацией (равномерной и локализованной), растягивающих напряжений при разгрузке и повышения температуры [2-12]. По мере движения ударных волн к центру фокусировки величина давления в ударной волне возрастает обратно пропорционально расстоянию до центра шара [1]. Вблизи центра давление в пределе стремится к бесконечности, что сопровождается характерными концентрическими радиальными изменениям микроструктуры и возникновением в центре шарового образца полости [6-10]. Поэтому наблюдение в сохраненных образцах радиального изменения микроструктуры и образование центральной полости со следами плавления является качественным критерием протекания процесса кумуляции.
Вследствие того, что при наличии кумуляции основная часть энергии ударной волны оказывается сосредоточенной в центре нагруженного образца, разгрузка сопровождается всесторонним растяжением материала - процесс протекает так же, как в случае, если бы в центре образца в момент фокусировки произошел взрыв. В результате образец испытывает значительную деформацию всестороннего растяжения, которую практически невозможно экспериментально получить другим способом. При больших плотностях вводимой энергии для сохранения образца разгрузку искусственно замедляют.
Целью данной работы было исследование взаимосвязи между геометрией несферического ударно-волнового нагружения металлических шаров и микроструктурными изменениями нагружаемого материала, а также изучение возможности кумуляции энергии при малом числе точек инициирования и механизма образования центральной полости.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование выполняли на шаровых образцах из сталей 45 (0.45 вес. % С), Ст 3 (0.14-0.22 вес. % С) и латуни Л63 (Си-37 вес. % 2п) с исходными двухфазными структурами: феррито-перлитной и (а + + в), соответственно; шаровом образце из сплава Д16 с содержанием (вес. %) Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn
Величины деформации шаров и давления (P) на поверхности
Материал Число точек Форма шара l, мм Al, мм P, ГПа
шара инициир. после нагружения
Ст 3 1 квазиэллипсоид 28.2 1.8 46
Ст 3 2 квазиэллипсоид 28.2 1.8 46
Сталь 45 4 квазитетраэдр 28.0 2.0 46
Д16 4 квазитетраэдр 25.5 4.5 36
Л63 12 квазидодекаэдр 28.0 2.0 50
Примечание. / - расстояние от центра шара до поверхности под точкой инициирования; А/ - величина относительного смещения поверхности под точкой инициирования; Р - давление в ударной волне на поверхности шара под точкой инициирования.
с исходной структурой, состоящей из зерен а-фазы и частиц интерметаллидов, расположенных по границам зерен. Сплошные шары диаметром 60 мм подвергали воздействию взрыва сферического заряда взрывчатого вещества толщиной 10 мм, инициируемого с поверхности в нескольких точках, равномерно расположенных на поверхности заряда. При этом движение в случае 1 и 2 точек инициирования являлось двумерным (аксиально-симметричным), для описания которого достаточно двух пространственных координат. В случае 4 и 12 точек инициирования движение было трехмерным (несимметричным), для описания которого необходимы три пространственные координаты. Давление на поверхности шаров по расчету составляло 35-50 ГПа (см. таблицу). В латунном образце, нагруженном из 12 точек, возбуждалась квазисферическая сходящаяся ударная волна, давление в которой возрастало по мере приближения к центру шара от 50 до 150 ГПа. Величину давления в центральной части латунного образца, нагруженного из 12 точек, оценивали в приближении сферической симметрии [1]. При движении ударных волн к центру фокусировки в латунном шаре одновременно с ростом давления возрастает температура. После фокусировки ударных волн в центре шара от центра наружу распространяется расходящаяся ударная волна. Разгрузка осуществляется изэнтропически в волне разрежения, распространяющейся с поверхности образца. Для предохранения образцов от разрушения растягивающими напряжениями, возникающими в процессе разгрузки, образец и заряд были помещены в массивный металлический корпус. Известно [6], что скорость разгрузки в таких условиях лимитируется скоростью разрушения и разлета корпуса. В результате использования массивного корпуса уровень растягивающих напряжений в образцах существенно снижается. После нагружения на поверхности шаров видны линии столкновения детонационных волн, образующие правильные геометрические фигуры, позволяющие сопоставить геометрию опыта с изменением структуры материала образцов. В случае одной/двух, четырех и двенадцати точек иниции-
рования это были, соответственно, окружность, треугольники и пятиугольники. В результате воздействия, шары были слегка деформированы и представляли собой квазиэллипсоид, квазитетраэдр и квазидодекаэдр соответственно. Данные по деформации и давлению на поверхности шаров после нагружения приведены в таблице.
Для изучения структурных изменений при взрывном нагружении шары разрезались пополам. Металлографическое и электронно-микроскопическое исследования проводили на микроскопах ЭПИТИП-2 и ШМ-200СХ, шлифы и фольги приготавливали по стандартным методикам.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На диаметральной плоскости разреза стального шара после нагружения с одной точкой инициирования не было обнаружено следов разрушения, в отличие от шаров с большим количеством точек инициирования. На рис. 1а и рис. 2а приведены виды поверхностей стальных шаров (схемы), после нагружения из двух и четырех точек инициирования, соответственно: где К1, К2 и К3 -проекции точек инициирования; АВ, АС и АО - линии столкновения детонационных волн. Плоскости разреза проходили через две проекции точек инициирования и центры образцов (рис. 16, рис. 26). Видно, что в центре шара из стали Ст3 после нагружения из двух точек инициирования образовалась трещина, проходящая перпендикулярно линии, соединяющей проекции точек инициирования (см. К1 и К2 рис. 16). В центральной области шара из стали 45, нагруженном из четырех точек инициирования, видна целая система трещин. Наиболее протяженная трещина (назовем ее трещиной первого порядка) распространяется в направлении, соединяющем проекцию точки инициирования К1 и точку пересечения диаметральной плоскости разреза с линией взаимодействия детонационных волн на поверхности шара О (см. рис. 26). Необходимо отметить, что образование большого количества параллельных менее протяженных трещин второго порядка (рис. 26) облегчается, поскольку
Рис. 1. Схемы вида поверхности (а) и диаметральной плоскости разреза (б) шара из Ст3 после нагружения из двух точек инициирования (квазиэллипсоид).
Рис. 2. Схемы вида поверхности (а) и диаметральной плоскости разреза (б) шара из стали 45 после нагружения из четырех точек инициирования (квазитетраэдр).
Рис. 3. Часть протяженной трещины, распространяющейся вдоль линии, соединяющей центр шара из стали 45 (квазитетраэдр) и проекцию точки инициирования (а), и следы локализованного течения в областях, примыкающих к трещине (б).
их направление совпадает с направлением прокатки (волокнистости) исходного образца. Структурные изменения в стальных шарах после нагружения из двух и четырех точек инициирования обна-
ружены в основном в их центральных частях и в участках, примыкающих к трещинам. На рис. 3 а приведена часть протяженной трещины, распространяющейся вдоль линии, соединяющей центр
Рис. 4. Схема вида поверхности (а) и вид диаметральной плоскости разреза (б) шара из сплава Д16 после нагружения из четырех точек инициирования (квазитетраэдр).
Рис. 5. Микроструктура шара из сплава Д16 после нагружения в различных зонах:
а - дендритная структура; б - одна из радиальных трещин и следы локализованного течения; в - частичная рекристаллизация а-фазы.
шара и одну из проекций точек инициирования (см. точку К1 на рис. 26). При большом увеличении вблизи трещины хорошо видны участки локализованного течения (рис. 36).
Таким образом, протяженные трещины в стальных шарах, нагруженных из двух и четырех точек инициирования, возникли в местах столкновения ударных волн в соответствии с геоме
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.