научная статья по теме ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА Э110 В УСЛОВИЯХ УДАРНО-ВОЛНОВОГО НАГРУЖЕНИЯ СУБМИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ Механика

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА Э110 В УСЛОВИЯХ УДАРНО-ВОЛНОВОГО НАГРУЖЕНИЯ СУБМИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 6 • 2014

УДК 539.4

© 2014 г. Д. Н. КАЗАКОВ, О. Е. КОЗЕЛКОВ, А. С. МАЙОРОВА, С. Н. МАЛЮГИНА, С. С. МОКРУШИН, А. В. ПАВЛЕНКО

ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИРКОНИЕВОГО СПЛАВА Э110 В УСЛОВИЯХ УДАРНО-ВОЛНОВОГО НАГРУЖЕНИЯ СУБМИКРОСЕКУНДНОЙ

ДЛИТЕЛЬНОСТИ

Представлены результаты измерений волн напряжений при ударно-волновом нагружении образцов циркониевого сплава Э110 толщиной от 0.5 до 8 мм при нормальной и повышенной температурах. Длительность импульсов ударной нагрузки варьировали от ~0.05 мкс до 1 мкс с амплитудой от 3.4 до 23 ГПа. Профили скорости свободной поверхности регистрировали интерферометрическими измерителями VISAR и PDV с наносекундным временным разрешением. По результатам измерений затухания упругого предвестника определена скорость пластической деформации за его фронтом, которая по мере распространения уменьшается от 106 с-1 на расстоянии 0.46 мм до 2 • 104 с-1 на расстоянии 8 мм. Получены значения отколь-ной прочности при нормальной и повышенной температурах, построены ее зависимости от скорости деформации в диапазоне от 105 с-1 до 106 с-1. При давлении ударного сжатия выше 10.6 ГПа регистрируется трехволно-вая конфигурация ударной волны, причиной которой является полиморфное а ^ ю превращение.

Ключевые слова: ударная волна, откольная прочность, динамический предел упругости, скорость деформирования, полиморфное превращение, VISAR, PDV.

1. Введение. Исследования процессов упруговязкопластического деформирования металлов и сплавов в ударных волнах [1] позволяют измерять температурно-скорост-ные зависимости сопротивления этих материалов деформированию и разрушению. В ударных волнах можно охватить широкий диапазон скоростей деформации твердых тел и тем самым создать экспериментальную базу для построения определяющих соотношений, необходимых для прогнозирования поведения материалов в условиях интенсивных ударных нагрузок [2]. Известно, что при скоростях деформации более 103—104 с-1 в большинстве металлов имеет место смена механизма движения дислокаций, и, как следствие, резкое усиление зависимостей напряжений течения и разрушения от скорости деформации [1, 3]. Методология экспериментальных исследований обусловлена взаимосвязью свойств материалов, происходящих в них физических процессов с регистрируемыми кинематическими и термодинамическими параметрами течения [1, 3]. Структура ударных волн в твердых телах определяется процессами их упруговязкопластического деформирования, возможными фазовыми превращениями, а также кинетикой зарождения и развития разрушений [3, 4, 5]. С применением ударно-волновых методов в последние годы проведены [6-9] систематические исследования температурно-скоростных зависимостей напряжений течения и разрушения чистых металлов с гранецентрированной кубической и объемно-центрированной ку-

бической структурой. Для металлов с гексагональной плотноупакованной структурой таких данных практически нет.

Интерес к цирконию и сплавам на его основе обусловлен широким применением этого материала в атомной энергетике вследствие удачного сочетания его ядерно-физических (низкое сечение захвата тепловых нейтронов), физико-механических, технологических свойств и стойкости к коррозии. Цирконий — полиморфный металл, при нормальных условиях имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру и относится к переходным металлам. Циркониевый сплав Э110 (Zr — 1.0% Nb) — один из основных коммерческих сплавов для атомной энергетики. Экспериментальные данные по динамическим свойствам сплавов циркония в области высокоскоростной деформации практически отсутствуют. Представленные в настоящей работе результаты экспериментальных исследований образцов из циркониевого сплава Э110, нагружаемых в хорошо контролируемых условиях, направлены на восполнение этого пробела.

2. Материал и постановка экспериментов. В состав циркониевого сплава Э110 входит ниобий (Nb 1%) в качестве легирующего компонента, основные примеси — железо и кислород (О и Fe менее 0.1%), остальные примеси (олово, гафний, никель, хром, углерод, кремний и др.) в сумме не превышают 0.25%. Сплав имеет плотность 6.5 г/см3, предел текучести 160 МПа, предел прочности 270—310 МПа.

Материал исследовали в состоянии поставки. Образцы циркониевого сплава Э110 для испытаний вырезались из прутка диаметром 35 мм в виде дисков толщиной 0.5, 1.0, 2, 4 и 8 мм. Шероховатость поверхности образцов после обработки была в диапазоне от 2.5 до 6 мкм. Продольная c¡ и сдвиговая cs скорости звука определены ультразвуковым методом на образцах толщиной 8 мм и составили: c¡ = 4700 ± 15 м/с и cs = = 2262 ± 5 м/с. Рассчитанное значение объемной скорости звука c0 = 3.91 км/с. При оценке величин напряжений в образцах использовалась ударная адиабата циркония D = 3.91 + 0.91м (км/с), где D — скорость ударной волны, u — массовая скорость [10], с поправкой на полученные данные по скорости звука для сплава Э110.

Эксперименты проводили на одноступенчатой пушке калибром 44 мм [11] по схеме "симметричного" удара, когда ударники и образцы изготавливались из одного материала. Исключение составили эксперименты с образцами толщиной 0.5 мм, в которых ударники вырезали из циркониевой фольги толщиной 0.1 мм. Ударные волны в образцах толщиной 1, 2 и 4 мм формировались ударниками толщиной 0.5, 1 и 2 мм, в опытах с образцами толщиной 8 мм использовали ударники толщиной 2 мм. Скорость соударения варьировали от 0.25 до 1.6 км/с. Измерение скорости ударника проводили с погрешностью не хуже 0.5%. В экспериментах при скорости до 1 км/с характерная величина непараллельности соударяющихся поверхностей составила 1 мрад, свыше 1 км/с — 1 .. 4 мрад.

Для испытаний при повышенных температурах использовались резистивные нагреватели. Нагрев образцов до необходимой температуры занимал не более 15 минут. Температура контролировалась с точностью ±5°C термопарами Т-типа, закрепленными на боковой поверхности образцов.

Профили скорости свободной поверхности образцов W(t) регистрировали лазерными доплеровскими интерферометрами VISAR [12] и PDV [13]. Область зондирования поверхности для интерферометра VISAR располагалась по центру образца и не превышала по диаметру 0.8 мм. Область зондирования интерферометра PDV диаметром 0.4 мм была смещена от центра образца на 3 мм. Разрешение интерферометра VISAR по времени не хуже 2 нс, по скорости не более 1 % при измерении скоростей в диапазоне от 0.3 до 1.6 км/с. Интерферометрические данные PDV обрабатывали методом Гильберта. Временное разрешение не хуже 4 наносекунд. Эксперименты проведены в условиях вакуума.

V, Ну, мм hü, мм Wh, м/с аИ, ГПа ат, ГПа а, ГПа К/К0 , 106 с-1

577 2.004 3.988 46 0.70 0.32 2.58 0.13

618 1.993 7.943 38 0.58 0.27 2.98 0.09

254 1.979 3.995 46 0.709 0.32 2.56 0.13

1524 2.00 3.99 46 0.71 0.33 3.01 0.13

591 0.468 0.971 55 0.85 0.39 3.31 0.57

302 1.985 7.947 38 0.58 0.27 2.75 0.08

619 0.114 0.495 63 0.96 0.44 4.07 1.48

950 0.980 1.983 53 0.80 0.37 3.28 0.25

548 2.00 1.965 54 0.82 0.38 - -

918 0.11 0.457 63 0.95 0.44 4.09 1.64

1181 1.993 7.991 42 0.65 0.30 3.23 0.08

607 0.972 1.972 44 0.68 0.31 2.93 0.3

1575 0.991 1.962 53 0.82 0.38 3.03 0.27

1050 2.00 3.996 46 0.69 0.32 3.20 0.18

955 0.462 0.972 60 0.92 0.42 3.00 0.71

1225 1.043 1.963 53 0.80 0.37 3.35 0.26

1363 0.115 0.457 63 0.96 0.44 4.43 1.45

~ 620 1.975 3.917* 51 0.78 0.36 2.60 0.13

1252 1.998 3.962** 46 0.70 0.32 3.01 0.18

* Температура образца 315 °С. ** Температура образца 368 °С.

3. Результаты измерений. В табл. 1 приведены основные данные о постановке ударно-волновых экспериментов и некоторые результаты измерений прочностных свойств циркониевого сплава Э110. Использовались следующие обозначения: У0 — скорость удара, ку — толщина ударника, к0 — толщина образца, — скорость на фронте упругого предвестника, стк = стНЕЬ — динамический предел упругости, стт — динамический предел текучести, ст — откольная прочность, V/К0 — скорость деформации в волне разрежения.

Величина динамического предела упругости = рос^,/ 2 соответствует условиям одноосной деформации; ее пересчет к пределу текучести в стандартных условиях одноосного напряженного состояния стт производится с использованием простого соотношения ст = 3/2<THEL (! - сй/С).

На фиг. 1 показаны профили скорости свободной поверхности W(t) образцов циркониевого сплава Э110 толщиной 4 мм при различной интенсивности удара. Возле каждого профиля указано значение скорости ударника. При скорости соударения до 0.6 км/с регистрируется двухступенчатая упругопластическая волна сжатия. При повышении давления ударного сжатия выше 10.6 ГПа пластическая ударная волна теряет устойчивость и расщепляется вследствие известного полиморфного превращения а ^ ю с уменьшением удельного объема. При давлении ударного сжатия выше 16 ГПа двухволновая конфигурация "закрывается" из-за того, что скорость волны с фазовым превращением становится равной или больше скорости пластической ударной волны. При вариации скорости соударения напряжение сжатия на упругом предвестнике остается практически неизменным. Отсюда следует, что в данном диапазоне парамет-

W, km/s

t, mks

Фиг. 1

ров затухание упругого предвестника практически не зависит от конечного давления ударного сжатия.

На всех профилях скорости свободной поверхности образцов за областью стационарного течения следует спад параметров в волне разрежения. Взаимодействие падающей и отраженной волн разрежения приводит к генерации растягивающих напряжений внутри образца и его откольному разрушению. Релаксация растягивающих напряжений при разрушении вызывает появление волны сжатия в материале, выход которой на поверхность сопровождается повторным возрастанием скорости последней, называемым откольным импульсом. Последующие периодические колебания скорости свободной поверхности обусловлены реверберацией волн — отражением волн разрежения и сжатия от поверхностей отколовшегося слоя материала.

Откольную прочность рассчитывали из результатов измерения спада скорости свободной поверхности при разгрузке из ударно-сжатого состояния с учетом поправки на искажение профиля скорости вследстви

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.

Показать целиком