Реферат: Ударные волны
--PAGE_BREAK--2.2. Модели ударного сжатия
для сплошных сред.
Существует две основные модели, описывающие поведение сплошной среды при ударноволновом нагружении:
а. Гидродинамическая модель.
Для общего рассмотрения воздействия ударной волны на образец можно проигнорировать влияние прочности материалов на эффекты, связанные с прохождением ударной волны в образце. Были проведены обширные измерения ударной адиабаты в различных металлах, результаты которых были опубликованы в отчетах научных лабораторий Лос-Аламоса и др. Эти измерения начинаются с давлений порядка 100kbar, что на порядок выше, чем предел текучести металла и аналитически удовлетворяют данным, которые используются при интерполяции от p0до более высоких значений давления. Однако следует отметить, что в данной модели адиабата Гюгонио при давлениях близких к нулю физически не определена.
Также следует ожидать, что при очень высоких значениях давления во всех металлах может идти образование структур с более плотной упаковкой атомов. Например, для железа при давлениях порядка 130kbarидет превращение ОЦК решетки в более плотную ГПУ структуру.
б. Упруго-пластическая модель.
При низких значениях давления уже нельзя игнорировать прочность материалов. Для ударных напряжений ниже предела текучести, материал ведет себя упруго. Величина напряжение, действующего по оси, перпендикулярной плоскости удара, при котором еще сохраняется упругость материала, называется упругим пределом Гюгонио (HEL); эту величину иногда можно предсказать из статических измерений прочности. Если величина ударного нагружения превышает HEL, то материал деформируется.
Результаты экспериментов показывают, что для некоторых металлов характерно именно это упруго-пластическое поведение. Основным недостатком этой модели является неопределенность поведения статического упругого предела текучести придостаточно высоких значениях давления.
2.3. Фазовые превращения в твердых телах при ударно-волновом нагружении.
При определенных взаимно связанных значениях давлений и температур твердые тела могут переходить из одной кристаллографической модификации в другую. Подобные явления, сопровождающиеся изменением объема, выделением (поглощением) скрытой теплоты, представляют собой фазовые переходы первого рода.
Фазовые превращения, вызываемые воздействием ударных волн, имеют особенности, причем возможны следующие явления: переход материала в более плотную фазу, вызывающий излом на адиабате Гюгонио; увеличение объема материала под действием теплоты, выделяемой при ударном сжатии, без аномалий на кривых Гюгонио, например плавление на фронте ударной волны; отсутствие заметного изменения объема и соответственно структуры ударных волн, например, при фазовых переходах в сталях аустенитного класса. Кроме того, под действием ударных волн процессы образования новых фаз, как бездиффузионные, так и сопровождающиеся массопереносом, чаще всего завершаются за доли микросекунд, что свидетельствует о весьма высокой скорости протекания фазовых превращений. Однако объяснить ускорение диффузионных процессов только высоким давлением сжатия не удается, так как при сжатии происходит уменьшение концентрации вакансий, а, следовательно, снижение скорости диффузии. Здесь необходимо учитывать интенсивный пластический сдвиг, приводящий в действие дислокационные механизмы, которые, в свою очередь, резко увеличивают концентрацию вакансий, ускоряющих диффузию.
Полиморфизм при ударноволновых нагрузках экспериментально обнаружен у ряда металлов, окислов, полупроводников, многих минералов и горных пород. Например, аномальный характер адиабаты Гюгонио для железа наблюдается при давлениях около 13ГПа. Результаты статических измерений приводят к значениям давления (11,8...13) ГПа, соответствующих фазовому переходу в железе. При высоких давлениях возможно образование плотноупакованной гексагональной e-фазы железа из a-фазы с объемноцентрированной кубической решеткой, либо из g-фазы с гранецентрированной кубической решеткой. Тройной точке А (рис. 2) соответствуют значения давления р~13ГПа и температуры
<img width=«553» height=«586» src=«ref-2_1234065-19662.coolpic» v:shapes="_x0000_s1026">
T~527 К, т.е. до температуры 527 К возможен a®eпереход, а выше 527 К — a®g®eпереход.
Рис. 2. Диаграмма фазового равновесия железа.
После нагружения железа ударными волнами новых фаз в исследуемых образцах не обнаружено, следовательно фазовый переход является обратимым. В то же время в структуре деформированного монокристаллического железа после воздействия ударной волны с максимальным давлением на фронте р <13ГПа обнаружены двойники деформации, а при 13ГПа < p < 23ГПа наряду с двойниками образуется ленточный рельеф, напоминающий мартенситную структуру. Дальнейшее увеличение фронтального давления не приводит к значительному изменению микроструктуры. Следовательно, обратимое превращение a®e®aприводит к образованию сильно измельченной и двойникованной структуры высокой твердости внутри оставшихся неизменными по размерам зерен. Превращение a®g®aсопровождается полной перекристаллизацией металла, близкой к явлению рекристаллизации, которая должна приводить к некоторому понижению твердости. Тем не менее, даже при грубозернистой структуре прочность и твердость железа становятся все же существенно выше исходной.
Анализ фазовых переходов основан либо на равновесном термодинамическом анализе при установившихся режимах распространения ударных волн, либо на кинетических моделях превращения во фронте волн сжатия и разгрузки. На границе области существования равновесной фазовой смеси с однофазной средой, характеризующейся изломом адиабаты Гюгонио (рис.3), термодинамические характеристики терпят разрыв. Ударное сжатие в фазе А ограничено точкой а на фазовой границе, где начинается фазовый переход. Фаза В имеет меньший удельный объем, поэтому дальнейшее сжатие продолжается вдоль линии ab, пока полиморфное превращение не завершится в точке b, а фаза В начнет сжиматься вдольлинии bc.Пусть линия Релея od, связывающая начальное состояние ударно сжимаемого твердого тела с конечным, пересекает адиабату Гюгонио. Тогда ударная волна, соответствующая этому состоянию, является неустойчивой и поэтому расщепляется на две(линии Релея oa и od), имеющие разные скорости распространения.Первая ударная волна сжимает материал до состояния а в начале перехода, а вторая, имеющая меньшую скорость, до состояния d в конце перехода. Превращение может происходить также через одну устойчивую ударную волну, если точка dлежит выше точки с в месте пересечения продолжения линии Релея оа с верхней ветвью адиабаты Гюгонио.
<img width=«553» height=«555» src=«ref-2_1253727-20158.coolpic» v:shapes="_x0000_s1027">
Рис.3. Адиабата Гюгонио для типичного фазового перехода, вызванного ударной волной( S – область существования фаз А и В; GАи GВ – границы существования фаз А и В).
Рассмотрим особенности структуры ударных волн на примере импульсного нагружения железа (стали). При повышении давления до величины p>pГв металле кроме упругой волны, распространяющейся со скоростью аe, формируется первая пластическая волна. При достижении давления фазового перехода p=pФматериал из одного кристаллического состояния переходит в другое, что характеризуется изломом кривой Гюгонио. Далее при р>pФв некотором интервале давлений Dрпластическая волна разделяется на две пластические волны с различной интенсивностью и разной скоростью распространения.
Вторая пластическая волна имеет меньшую скорость и отстает от первой, а профиль давления растягивается во времени по мере удаления от поверхности расщепления. При максимальном давлении на фронте ударной волны происходит слияние пластических волн.
Процесс разгрузки ударносжатого материала за фронтом ударной волны также приводит к расщеплению волны разгрузки на волну упругой и волну пластической разгрузки.
Адиабатическое расширение материала после ударного сжатия до давления p>pФпроисходит следующим образом. В волне разрежения, образующейся при расширении, частицы в области высокого давления двигаются медленнее, чем частицы в области низкого давления, что приводит к формированию ударной волны разрежения. Ударная волна разряжение, связывающая различные состояния материала, уменьшает напряжения скачком, а ее максимальная интенсивность (для железа А~18ГПа) ограничена линией Релея, которая проведена из точки, соответствующей начальному состоянию, и касается верхней ветви адиабаты Гюгонио.
Ударное воздействие на сталь должно вызывать процессы как упрочняющие, так и разупрочняющие материал. Упрочнение может быть обусловлено дополнительным наклепом зерен и дроблением кристаллических блоков. Разупрочнение может вызываться влиянием нагрева, возникающего в ударносжатом материале, так как короткие времена делают процесс близким к адиабатическому. На нагрев материала в условиях адиабатического сжатия расходуется тепловая энергия процесса DUD.
Большой интерес для анализа структурных изменений металлов, подвергаемых ударным нагрузкам, представляет оценка остаточной температуры сразу после разгрузки. Остаточная температура металла весьма значительно зависит от давления на фронте ударной волны. Например, для железа она составляет 303 К при 13 ГПа, 423 К при 35 ГПа, 523 К при 50 ГПа и 673 К при 75ГПа. Следовательно, при давлениях, превышающих (30...50) ГПа, нагрев металла во фронте ударной волны значителен и может оказывать заметное влияние на свойства и структуру металлов (в частности, у метастабильных сплавов остаточная температура может инициировать полиморфное превращение).
Процесс деформации твердого тела при нагружении ударными волнами имеет целый ряд особенностей. Расщепление пластической волны на две или слияние их в одну волну существенно изменяет характер процессов, происходящих в сжимаемом материале. В общем случае изменения, возникающие в структуре материала, зависят от формы и величины импульса, времени его действия, структуры ударного фронта, пути реализации нагрузки и разгрузки.
Анализ многочисленных результатов экспериментов позволяет классифицировать связи между величинами функциональных составляющих тензора напряжений и структурными изменениями материала:
- температура в зоне фронта ударной волны и остаточная температура зависят как от гидростатического давления, так и от сдвиговых напряжений, хотя механизмы нагрева различны;
- двойникование инициируется главным образом сдвиговыми напряжениями, а гидростатическое напряжение может влиять лишь косвенно;
- фазовые превращения в основном обусловлены действием гидростатического компонента тензора напряжений, однако мартенситные превращение стали может быть также вызвано и сдвиговым напряжением или деформацией;
- образование точечных дефектов обусловлено в основном сдвиговыми напряжениями, а скорость их диффузии может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от гидростатической составляющей тензора напряжений;
- энергия дефектов упаковки кристаллической решетки изменяется в зависимости от гидростатического давления;
- источниками дислокаций являются дисперсные частицы, так как их сжимаемость отлична от сжимаемости матрицы, следовательно, это явление контролируется гидростатическими напряжениями;
- в материалах с некубической симметрией отдельные зерна характеризуются анизотропной сжимаемостью и гидростатическое сжатие приводит к появлению напряжений, обусловленных необходимостью совместности деформаций на границе зерна.
При р>pcнагружение является одноволновым, время деформации – малым, а преобладающий механизм деформации можно описать следующими стадиями: зарождение дислокаций при реализации теоретической прочности материала; потеря устойчивости кристаллической решетки; сдвиг по атомным плоскостям (что проявляется в резком изменении структуры материала). Например, при ударном нагружении стали давлением р>67ГПа вероятность двойникования снижается, так как появляется механизм с меньшим временем релаксации. Экспериментально установлено, что двойниковая структура при этом исчезает, наблюдается упрочнение металла вследствие вынужденного зарождения предельного числа дислокаций и появляются области сильно локализованной пластической деформации, называемые полосами адиабатического сдвига (ПАС).
Очевидно, что тепло, выделяемое при пластической деформации, концентрируется в окрестности полосы сдвига только в том случае, когда выделение тепла происходит быстрее, чем его отвод за счет теплопроводности. Следовательно быстрое деформирование металла приводит к локализованному нагреву и катастрофическому разрушению по полосам сдвига. Механизмы, генерирующие развитие ПАС, необязательно связаны с локализацией пластического течения, так как нагрев может быть и не очень велик (менее 400 К). В этом случае появление ПАС может быть обусловлено задержкой локализации пластического течения из=за гетерогенности пластических деформаций в поликристаллических материалах.
Нагрев области сдвига зависит от степени пластической деформации и скорости, с которой тепло отводится от зоны сдвига. При этом пластическая деформация в адиабатических полосах сдвига достигает порядка 104 %, скорость деформации – 106 … 108 с-1, а твердость материала в ПАС значительно превышает твердость основного материала.
Для решения проблем динамики разрушения деформируемого твердого тела большое значение имеет подробный анализ физического механизма и поверхностей разрушения при ударноволновом нагружении. Феноменологические аспекты квазистатического, динамического и импульсного видов деформации и разрушения тождественны для всех скоростей нагружения: зарождение, рост, коалесценция микроскопических пор или трещин. Успешное предсказание характера разрушения по состоянию микроструктуры связано с необходимостью изучения основных закономерностей кинетики разрушения. Для построения соответствующих физических концепций существуют три возможных источника получения необходимой информации: аналитические модели кинетики образования микропор и трещин; алгоритмы и программы, разрабатываемые на основе численного интегрирования дифференциальных законов сохранения и нелинейных физических и механических экспериментальных соотношений; экспериментальные исследования с контролируемыми параметрами нагружения и с последующим количественным описанием процессов деформации и разрушения на микроструктурном уровне. В качестве примера можно привести экспериментальные исследования стального шара, подвергшегося ударноволновому нагружению(рис.4,5).
<img width=«553» height=«575» src=«ref-2_1273885-48166.coolpic» v:shapes="_x0000_s1035">
Рис.4. Концентрическая полость в стальном шаре (марка стали — 60Х3Г8Р8Ф), подвергшимся ударноволновому нагружению.
<img width=«553» height=«757» src=«ref-2_1322051-113617.coolpic» v:shapes="_x0000_s1036">
Рис.5. Рекристаллизованная структура стали 60Х3Г8Н8Ф после ударноволнового нагружения.
Заключение
Приведенные результаты подчеркивают, что ударноволновое воздействие на твердые деформируемые тела является уникальным средством получения неравновесных состояний вещества. Это связано с высокими значениями градиентов термодинамических и кинематических параметров во фронте УВ, что приводит как к упорядочиванию, так и к разупорядочиванию структуры вещества на любом уровне — от механической структуры до внутримолекулярных процессов.
Литература
1. Зельдович Я.Б. «Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений» М. :Наука, 1966, 686 с.
2. Забабахин Е.И., Забабахин И.Е. «Явления неограниченной кумуляции» М. :Наука, 1988, 173 с.
3. Лободюк В.А. «Воздействие ударных волн на мартенситные превращения в металлах и сплавах», Металлофизика, вып.76.— Киев: Наукова думка, 1979, с.3-20.
4. Теплов В.А., Талуц Г.Г., Маслов Р.А., Мурышев Е.Ю., Синицын А.В. «Особенности микроструктуры сплава железо-никель при нагружении плоской ударной волной давлением 30ГПа», ФММ, 1988, том 66, вып.5, с.920-924.
5. Селиванов В.В., Соловьев В.С., Сысоев Н.Н. «Ударные и детонационные волны. Методы исследования»: изд-во МГУ, 1990. – 256 с.
6. «Shock waves in solids» editor by F.Seitz, D. Turnbull: Academic press New York and London, 1986, c 256-328.
Введение
Ударные волны в металле всегда играли важную роль в военных и промышленных прикладных программах по крайне мере текущее столетие. Однако только в течении последнего десятилетия экспериментальные методы и аппаратура достигли достаточной степени сложности для детального исследования свойств твердого тела. Несмотря на то, что существует несколько превосходных обзорных статей по теории ударных волн, фактические результаты ударных эффектов широко рассеяны в литературе. Таким образом ученым, занятым этой проблемой, достаточно сложно следить за современным состоянием дел в этой области и быть в курсе последних достижений. Эта статья является всесторонним обзором ударных эффектов в металле на декабрь 1965 года, хотя цитируются и более поздние ссылки. В данной статье обсуждаются ударные эффекты применимо к кристаллическому твердому телу.
Прохождение ударной волны через твердое тело (и последующее снижение давления) может приводить к изменению физического состояния материала. Некоторые изменения кратковременны и должны изучаться в процессе ударного нагружения; другие изменения остаточные и могут быть изучены в сохраненном образце.
В случае остаточных ударных эффектов, один вопрос достаточно ясен; Большинство явлений ( за исключением фазовых превращений) можно объяснить в терминах микроскопической пластической деформации, произведенной ударной волной; увеличение давление и температуры при прохождении ударного фронта может помогать и наоборот препятствовать производству любого данного эффекта. Соответственно часть статьи посвящена сравнительному изучению произведенных ударных эффектов, с одной стороны, и изменений при квази-статической деформации при атмосферном давлении, с другой. Основное отличие этих двух типов экспериментов — в их характере.
Представляет интерес также то, что большинство остаточных изменений в металле, произведенных ударной волной аналогичны изменениям, произведенным холодной прокаткой.
Большую осторожность нужно проявлять приписывая какой-либо эффект действию ударного нагружения, так как возникают трудности при сохранении образца с известной историей напряжения и температуры.
Ударные волны в металле. Получение и области их приминения.
Ударные волны возникают при большом ускорении поверхности слоя металла. Способ получения таких ускорений — детонация взрывчатого вещества, находящегося в контакте с материалом либо контакт с быстролетящим снарядом. Ударный фронт математически представляет собой скачок плотности, энергии и энтропии. Физически, конечно, эти величины должны изменятся в течении времени подъема давления, определяемого такими параметрами как теплопроводность, вязкость, а также размером зерна и однородностью металла. В случае сильных ударных нагружений в однородном изотропном металле, время подъема давления не разрешимо представленными методами и может быть меньше 10-8 секунды. Для неоднородных материалов типа камней время подъема давления зависит от масштабов неоднородностей.
При низких давлениях наблюдается упругий предвестник, сопровождаемый пластической волной нагрузки. Время подъема давления разрешимо для некоторых ОЦК металлов, а также для железа и стали. Определяется возможная верхняя граница скорости деформации при конкретном ударном нагружении. Для такой двухволновой системы фронт ударной волны выражен плохо и появляется относительно большое время подъема давления. Время подъема обоих фронтов зависит от действующего давления. Для алюминия при давлении в 13 кбар Линде и Шмидт нашли, что время подъема давления для упругого предвестника примерно 10-8 сек., а для пластического волнового фронта примерно 2*10-7 сек.
Волна уменьшающая величину напряжений называется волной разгрузки. При проходе этой волны уменьшается давление в одном участке твердого тела по отношению к другим. Процесс разгрузки является адиабатическим, и путь разгрузки обычно называется адиабатой разгрузки. Вообще волновой фронт этой волны удлиняется по мере ее распространения.
Законы Сохранения и Уравнения Состояния.
Пусть ударная волна перемещается в материале с скоростью U, ускоряя частицы до скорости uпри подъеме напряжения от 0 до 1, плотности от р0 до р1 и повышение внутренней энергии от Е0 до Е1. Скорость удара может быть больше или меньше, чем скорость волны сжатия и находится в диапазоне 1-10 км/сек. Огибающая конечных состояний (локус) может быть достигнута в течении времени прохождения фронта ударной волны и однозначно характеризуется для данного материала начальным состоянием перед ударом. Эта огибающая в координатах объем-напряжение обычно называется как кривая уравнения состояния Рэнки-Гюгонио или просто кривая Гюгонио. Для вычисления температуры по кривой Гюгонио, а также при определении состояния данного материала по кривой Гюгонио, требуется уравнение состояния для этого материала. Для этого необходимо пренебречь жесткостью решетки и рассматривать данное твердое тело как жидкость, которая характеризуется только тремя термодинамическими переменными. Величина ошибки при этом приближении неизвестна, но очевидно мала для сильных ударных нагружений( см. вычисления Дюваля).
Модели сплошного ударного сжатия.
продолжение
--PAGE_BREAK--
еще рефераты
Еще работы по физике
Реферат по физике
Рентгеновские лучи
3 Сентября 2013
Реферат по физике
Структурный анализ системы NdxBi1-xFeO3
3 Сентября 2013
Реферат по физике
Изучение свободных колебаний и измерение ускорения свободного падения
3 Сентября 2013
Реферат по физике
Воздействия на туманы с помощью тепловых источников
3 Сентября 2013