Откольные и сдвиговые разрушения в

ОТКОЛЬНЫЕ И СДВИГОВЫЕ РАЗРУШЕНИЯ В СФЕРИЧЕСКИ СХОДЯЩИХСЯ
ОБОЛОЧКАХ ИЗ ЖЕЛЕЗА И СТАЛЕЙ.
ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИЙ И ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ
Е. А. КОЗЛОВ, С. А. БРИЧИКОВ, В. Г. ВИЛЬДАНОВ, Д. М. ГОРБАЧЕВ, Д. Т. ЮСУПОВ
Федеральное государственное унитарное предприятие Российский федеральный ядерный центр –
Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И.Забабахина
(ФГУП РФЯЦ–ВНИИТФ им. Е.И.Забабахина), Россия, Снежинск, d.t.usupov@mail.ru
Представлены постановка и результаты сравнительных исследований особенностей динамики схождения
оболочек из нелегированного железа и ряда сталей при двух режимах сферического (RBB=40 мм) взрывного нагружения, отличающихся лишь отсутствием или наличием сдерживающего разлет продуктов взрыва наружного
корпуса.
Условия взрывного нагружения были выбраны таким образом, чтобы в материале всех исследованных оболочек
при первом режиме нагружения были реализованы развитые откольные и сдвиговые разрушения, и оболочки остановились бы до фокусировки за счет диссипации кинетической энергии во внутреннюю и потом – тепловую. При
втором режиме нагружения обеспечивалось схождение разрушенных оболочек до более глубокого радиуса со смыканием и залечиванием макро- и мезоповреждений. Непосредственно после взрывного обжатия (через 20-30 секунд
после взрыва) сборки попадали в твердотельный калориметр, и производилось измерение энергии, переданной калориметру. Кроме того, после остывания, уже при комнатной температуре по методу гидростатического взвешивания определялись объемы и остаточные деформации всех обжатых исследуемых оболочек.
После снятия гермочехлов и меридиональной разрезки оболочек анализировался характер и полнота возникших
в них на высоких радиусах откольных и сдвиговых повреждений, а также – полнота их “залечивания”(recompaction)
в процессе схождения до глубокого радиуса.
Проанализировано влияние на величины переданных сборкам энергий и уровни их остаточных деформаций:
– протекания α−ε-фазового превращения в железе и стали 30ХГСА при его отсутствии в аустенитной стали
12Х18Н10Т,
– существенно различных упруго-вязко-пластических свойств материалов исследованных оболочек,
– условий зарождения, развития и залечивания откольных и сдвиговых макро- и мезоповреждений.
Введение
В дополнение к [1, 2] представлены результаты сравнительных взрывных экспериментов по изучению особенностей откольных и сдвиговых разрушений в оболочках из железа и ряда сталей в двух постановках, позволяющих:
– в первой – обеспечить возникновение в исследуемых оболочках на высоких радиусах откольных и сдвиговых повреждений с гарантированной остановкой оболочек до фокусировки;
– во второй – при возникновении на высоких радиусах таких же откольных и сдвиговых повреждений и, за
счет ограничения разлета продуктов взрыва, исследовать особенности режима схождения до глубоких радиусов разрушенных на высоких радиусах оболочек.
В обеих постановках взрывных экспериментов обеспечено сохранение претерпевших взрывное обжатие деталей
и их непосредственное калориметрирование (через 20-30 секунд) после взрыва. После завершения калориметрических измерений и остывания, уже при комнатной температуре методом гидростатического взвешивания определены
объемы и деформации претерпевших взрывное обжатие оболочек. После меридиональной разрезки претерпевшие
взрывное обжатие оболочки будут подвергнуты всесторонним металлографическим, электронно-микроскопическим
и другим исследованиям. Систематические экспериментальные данные на стальных и железных оболочках получены в интересах проверки, калибровки и сертификации современных прочностных моделей и 1D-, 2D- и 3D- программных комплексов.
Отметим, что изучаемые материалы (нелегированное железо и стали) имеют близкую плотность, поэтому использованные для проведения сравнительных исследований оболочки имели практически одинаковую массу при
идентичной исходной геометрии, одинаковом начальном относительном радиусе их расположения в сферическом
слое взрывчатого вещества, инициировавшегося по наружной поверхности при RBB=40 мм.
Вместе с тем, хорошо изученные [3-11] нелегированное железо различной чистоты и размера зерна, сталь
30ХГСА, в состоянии поставки и в закаленном до HRc 35-40 единиц состоянии, аустенитная сталь 12Х18Н10Т
имеют существенно различные реологические характеристики. В нелегированном железе и стали 30ХГСА при
их взрывном нагружении и разгрузке протекает известное α−ε-фазовое превращение [3-10], отсутствующее в
стали 12Х18Н10Т. Однако, в стали 12Х18Н10Т при разгрузке выявлено [5, 11] протекание γ−α′–мартенситного
превращения. Существенно (в разы) различаются сдвиговая и откольная прочности рассматриваемых железа и
сталей [5, 10].
Напомним, что в приближении несжимаемой оболочки, динамика её разгона не зависит от сжимаемости
материала и его реологических характеристик, а определяется лишь соотношением приходящихся на единицу
поверхности массы оболочки к массе ВВ.
Оболочки, в материале которых начинают возникать откольные разрушения – наиболее яркое проявление
волновых взаимодействий, уже нельзя считать несжимаемыми и необходим внимательный учет отличий тех
или иных их ударно-волновых свойств:
– ударной сжимаемости, зависящей от наличия в железе и стали 30ХГСА α−ε-фазового превращения и его
отсутствия в стали 12Х18Н10Т;
– изэнтропической (в стали 12Х18Н10Т при γ→α′-превращении) или ударно-изэнтропической (при протекании обратного ε−α−превращения в Fe и стали 30ХГСА с образованием ударной волны разрежения) разгрузки;
– сдвиговой и откольной прочности исследуемых материалов в различных фазовых состояниях;
– кинетики упруго-вязко-пластического деформирования изучаемых материалов в волнах напряжений при
протекании полиморфных и фазовых превращений, зарождения, развития и залечивания сдвиговых и откольных микро-, мезо- и макроповреждений.
Целью данной работы является получение экспериментальных данных для нелегированного железа и двух
сталей по остаточным интегральным деформациям и энергиям оболочек, обжатых по двум сферическим
взрывным режимам, отличающимся отсутствием или наличием ограничивающего свободный разлет продуктов
взрыва наружного тяжелого корпуса.
1.
Материал, образцы и условия их взрывного нагружения
В качестве объектов исследования выбраны сферические оболочки (∅нар.= 49 мм, начальная толщина
9,80 мм, масса 380 г при ρ = 7,85 г/см3), изготовленные из:
– нелегированного железа различной исходной чистоты и среднего размера зерна (Fe технической чистоты,
d = 125 мкм, поставка ИФМ УрО РАН и высокочистое армко-Fe, d = 215-300 мкм);
– стали 30ХГСА в состоянии поставки (пруток ∅180 мм, ярко выраженная текстура в направлении прокатки);
– той же стали в закаленном до HRc 35…40 единиц состоянии;
– аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т (пруток ∅80 мм).
Нелегированное железо, обладающее заметным деформационным упрочнением и сохраняющее способность к однородной (гомогенной) деформации без локализации до наиболее высоких критических (пороговых)
деформаций, в отличие от закаленной стали 30ХГСА, склонной к тепловому разупрочнению и образованию
при высокоскоростном деформировании полос адиабатического сдвига, и сталь 30ХГСА были выбраны как
материалы, поведение которых наиболее изучено в плоских и сферически сходящихся интенсивных волнах
напряжений [1-10], а также [12-14].
Аустенитная вязкая сталь имеет близкую исходную плотность и не обладает известным α−ε-фазовым превращением, наблюдаемым в нелегированном Fe и стали 30ХГСА. Однако, при возникновении в аустенитной
стали растягивающих напряжений в ней протекает γ−α′ мартенситное превращение [5, 11].
Анализируемый сферический слой состоял из двух свинчивающихся на резьбе деталей. Он устанавливался
последовательно в две герметизирующие оболочки из стали 12Х18Н10Т, номинальной толщиной соответственно 4 и 7 мм, заваренные в вакууме электронно-лучевой и аргоно-дуговой сваркой. Взаимная ориентация
экваториальных стыков исследуемого слоя и первого (ближайшего к изучаемой оболочке, внутреннего) гермочехла была параллельной. Стыки внутренней и наружной герметизирующих силовых оболочек были взаимно
ортогональны. Ориентация стыков, также как и величины зазоров между оболочками в 0,03-0,05 мм, глубины
проваров тщательно контролировались.
Взрывное нагружение подготовленных механических сборок, имевших идентичную исходную геометрию и
близкую массу и различавшихся лишь материалом внутреннего исследуемого сферического слоя, осуществлялось в сферических взрывных устройствах двух типов.
Размеры и тип ВВ сферического слоя, система его инициирования были одинаковы во всех взрывных экспериментах. (Экваториальный стык ВВ был ортогонален экваториальному стыку наружного гермочехла.) Постановки опытов различались отсутствием и наличием в первой и второй постановках экспериментов сдерживавшего разлет ПВ наружного корпуса. Размеры и тип ВВ, его инициирование выбирались из условий гарантированного обеспечения:
– получения в материале исследуемых оболочек на высоких радиусах развитых откольных и сдвиговых
разрушений;
– остановки исследуемых оболочек, а точнее – сформированного в них откольного слоя или слоев, до их
фокусировки.
Параметры сдерживавшего разлет ПВ наружного корпуса выбирались из условия обеспечения догона основной частью оболочки отделившегося от неё на высоких радиусах откольного слоя или слоев (до или после
его фокусировки) и обеспечения сохранения обжатого керна при этом втором режиме нагружения.
2
То есть, и в первой, и во второй постановках осуществленных взрывных экспериментов исследуемая оболочка на высоких радиусах подвергалась схожим откольным и сдвиговым разрушениям. Эксперимент в первой
постановке позволял остановить разрушенную оболочку до фокусировки и провести детальную аттестацию
характера и механизмов разрушений, определить расположение по r, θ, ϕ возникших в ней откольных и сдвиговых микро-, мезо- и макроповреждений. При изучении этой же оболочки выявлялось расположение по r, θ, ϕ
областей протекания в её материале всех возможных, в том числе α−ε–α или γ−α′–фазовых превращений, превращения в высокотемпературную δ-фазу и даже локальное плавление изучаемого материала в слое, прилегающем к внутренней границе оболочки.
Эксперименты во второй постановке позволяли исследовать особенности схождения до глубоких радиусов
разрушенной на высоких радиусах оболочки, изучить в деталях (на уровне отдельных зерен материала) механизмы «залечивания» повреждений, проверить возможность собирания (компактирования) материала разрушенной оболочки в шар [1, 2], измерить [12-15] энергию, переданную оболочкам продуктами взрыва и расходуемую на закрытие повреждений и восстановление, хотя бы частичное, механической прочности изучаемого
вещества, его пластическую деформацию.
Эксперименты в рассматриваемых постановках с использованием сферических взрывных систем с RBB=40
мм и варьированием материала исследуемой оболочки должны позволить наглядно продемонстрировать заметное влияние свойств материала оболочки на особенности зарождения, развития и залечивания в ней откольных и сдвиговых разрушений для реализованных идентичных режимов взрывного нагружения. Предложенные и осуществленные постановки сферических взрывных экспериментов по сохранению представляют
интерес с точки зрения:
– верификации и сертификации имеющихся и создаваемых новых физически-обоснованных кинетических
моделей динамических разрушений, используемых или внедряемых в современные 1D-, 2D- и 3Dпрограммные комплексы;
– изучения влияния исходной чистоты, размера зерна, содержания легирующих элементов, режимов предварительной термомеханической обработки, технологии получения заготовок (литье, штамповка, прокатка,
отжиг, закалка, отпуск или старение) на сдвиговую и откольную прочность железа и сплавов на его основе;
– контроля стабильности механических характеристик при высокоинтенсивном высокоскоростном (взрывном) нагружении изучаемого материала и деталей из него при изменении технологий их получения или в процессе сверхдлительного хранения;
– изучения возможного влияния конструктивных элементов используемых устройств (например, резьбового
соединения в изучаемом сферическом слое) на особенности зарождения, развития и залечивания в изучаемом
слое откольных и сдвиговых повреждений.
2.
Результаты сравнительных взрывных экспериментов
Количественные данные по постановке опытов и результаты измерений по методу гидростатического взвешивания в дистиллированной воде остаточных объемов (и деформаций) претерпевших взрывное обжатие загерметизированных оболочек из исследованных материалов представлены в таблице. Указаны данные по деформациям наружного, внутреннего гермочехлов из 12Х18Н10 и внутренней оболочки из исследуемого материала при двух режимах сферического взрывного обжатия (без ограничения и с ограничением разлета продуктов взрыва сферического слоя ВВ со стороны наружного чугунного корпуса. Из данных таблицы видны систематические отличия интегральных объемов и остаточных деформаций оболочек близкой массы, идентичной
исходной геометрии, претерпевших идентичное взрывное нагружение (два режима), но изготовленных из различных исследованных материалов.
Обращают на себя внимание и заметные отличия остаточных энергий исследованных сборок после идентичных режимов нагружения. Заметное увеличение остаточных энергий наблюдается для второго режима обжатия, по сравнению с первым режимом нагружения для керна с такой же исследуемой оболочкой. Это связано с динамическим компактированием материала разрушенной на высоких радиусах внутренней оболочки в
процессе её схождения до глубокого радиуса при компактировании материала в шар.
Фотографии меридиональных сечений стальных оболочек, представленные на рисунках 1-4, наглядно демонстрируют существенно различный характер откольных и сдвиговых повреждений в оболочках из исследованных материалов на высоких радиусах, а также различный характер компактирования разрушенных на высоких радиусах оболочек в процессе их схождения до глубокого радиуса.
В оболочках из нелегированного железа технической и высокой чистоты со средним размером зерна соответственно 125 мкм и 250-315 мкм при реализованном режиме взрывного нагружения реализовалось три развитых откольных слоя с существенно различной шероховатостью поверхностей разрушения (Рис. 4).
В оболочке, изготовленной из горячекатанного прутка ∅180 мм стали 30ХГСА в состоянии поставки с ярко
выраженной продольной исходной текстурой, наблюдается сложная “звездчатая картина” двойного откольного
разрушения (Рис. 2). Закалкой стали 30ХГСА на максимальную твердость HRc 35-40 единиц (из этой же заготовки) удалось разрушить текстуру и существенно (в разы) повысить сдвиговую и откольную прочность [5, 10].
При взрывном нагружении оболочки из закаленной стали 30ХГСА HRc 35-40 образуется один откольный слой,
3
который в процессе схождения начинает подвергаться разрушениям по сдвиговому механизму. Вязкий характер откольного разрушения наблюдается в оболочке из аустенитной стали 12Х18Н10Т (Рис. 1). Разрушенные
на высоких радиусах оболочки из нелегированного железа и стали 12Х18Н10Т в условиях реализованного
взрывного обжатия (при ограничении свободного разлета продуктов взрыва наружным тяжелым корпусом)
хорошо компактируются в шар. Этого нельзя сказать об оболочках из стали 30ХГСА, как в состоянии поставки
(Рис. 2), так и особенно в закаленном состоянии (Рис. 3). В полюсных зонах предварительно закаленной оболочки явно просматриваются области непрожатия.
4
Таблица
Данные о постановке и результатах экспериментов по сферическому взрывному обжатию
загерметизированных стальных оболочек
Материал
исследуемой
оболочки
и режим
нагружения
Контролируемый
параметр
1
1. Масса ПВВ в опыте, в том числе:
– в сферическом
слое толщиной 5
мм и RBB=40 мм;
– в устройстве
инициирования;
– в узлах подвода
детонации.
2. Наличие ограничивающего разлет ПВ
наружного чугунного корпуса
30ХГСА
в состоянии поставки
12Х18Н10Т
I
II
I
2
3
182 г
133,6 г
183
133,6 г
182 г
133,6 г
48 г
48 г
0,2 г
-
II
30ХГСА
HRc 35…40 единиц
I
II
6
7
183 г
133,6 г
182 г
133,6 г
183 г
133,6 г
48 г
48 г
48 г
48 г
1,2 г
0,2 г
1,2 г
0,2 г
1,2 г
+
-
+
-
+
4
5
Данные о постановке опытов
Результаты взрывных экспериментовпо изучению остаточных деформаций
3. Вес сборки – исследуемой оболочки в
двух гермочехлах в
воздухе и в воде (числитель/
знаменатель)
– до взрыва, г;
–
после взрыва, г.
4. Наружный гермочехол
(диаметр/толщина)
– до взрыва, мм;
– после взрыва,
мм;
– уменьшение
диаметра при нагружении:
ƒ
Δ∅, мм;
ƒ
Δ∅/∅о, %.
1274,48/
1097,89
1274,23/
1101,84
1280,34/
1103,79
1280,05/
1116,32
1278,01/
1101,34
1277,70/
1102,66
1278,56/
1101,68
1278,27/
1113,84
1276,98/
1100,08
1276,92/
1101,94
1278,70/
1101,85
1278,35/
1113,62
69,65/6,7
69,10
69,65/6,7
67,93
69,69/6,8
68,02
69,65/6,78
69,45
69,69/6,79
68,06
69,65/6,7
67,93
0,55 мм
0,79 %
1,72 мм
2,47 %
0,21 мм
0,30 %
1,67 мм
2,40 %
0,25 мм
0,36 %
1,62 мм
2,33 %
5
1
2
3
5. Внутренний гермочехол
(и исследуемая оболочка)
вес в воздухе и в воде
– до взрыва, г;
–
–
– после взрыва, г; 609,81/522,69 618,06/538,44
– наружный диа–
–
метр чехла/толщина
(до взрыва), мм;
55,04
53,43
– наружный диаметр чехла (после
взрыва), мм.
6. Исследуемая оболочка
12Х18Н10Т
– материал;
– вес
в воздухе и в воде
ƒ до взрыва;
379,5/–
389,95/328,65
ƒ после взрыва; 379,5/324,48 389,90/339,66
– наружный диа48,77/10,2
48,95/10,5
метр/толщина (до
взрыва), мм;
– наружный диа47,35
45,81
метр (после взрыва), мм;
– уменьшение наружного диаметра
исследуемой оболочки при взрыве:
ƒ
Δ∅, мм;
1,45 мм
3,14 мм
ƒ
Δ∅/∅о, %.
2,91 %
6,41 %
4
5
6
613,39/522,27 613,04/522,04 611,55/520,65 613,80/522,77
613,36/525,04 612,90/533,26 611,55/523,23 613,80/533,58
55,87/3,44
55,84/3,43
55,80/3,42
55,85/3,43
55,29
53,42
55,42
53,55
30ХГСА
HRc 35…40 единиц
30ХГСА
с/п
382,81/321,72 382,55/321,47 382,23/321,15 383,30/322,16
382,81/324,45 382,54/332,52 382,23/324,57 383,30/332,58
48,90/10,45
48,89/10,44
48,89/10,45
48,89/10,44
48,16
45,57
47,96
0,74 мм
3,15 мм
0,93 мм
1,51 %
6,44 %
1,90 %
Результаты калориметрирования обжатых сборок
7. Время от момента
взрыва до попадания
сборки в калориметр,
сек
8. Энергия, переданная калориметру, кДж
7
45,96
2,95 мм
6,04 %
25 сек
не попали в
калориметр
29 сек
29 сек
23 сек
29 сек
65,6
не попали в
калориметр
72,9
85,5
78,0
93,7
6
Рис. 1. Меридиональные сечения оболочек из аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т, прошедших сферическое
взрывное обжатие по первому (а, б) и второму (в, г) режимам нагружения при отсутствии и наличии сдерживающего разлет
продуктов взрыва наружного корпуса соответственно.
Меридиональная разрезка проведена электроэрозионным способом при ширине реза ≤0,15 мм.
7
Рис. 2. То же, для оболочек из стали 30ХГСА в состоянии поставки.
Наличие ярко выраженной текстуры в материале исходной заготовки обуславливает характерную “звездчатую” форму
образуемых в оболочке откольных и сдвиговых разрушений.
8
Рис. 3. Меридиональные сечения оболочек из закаленной до HRc 35…40 единиц стали 30ХГСА, прошедших сферическое
взрывное обжатие по первому (а, б) и второму (в, г) режимам нагружения. В оболочке из закаленной стали 30ХГСА при
реализованных режимах нагружения образуется только один откольный слой, который в процессе сферического схождения
начинает фрагментироваться, разрушаясь по сдвиговому механизму. Высокая сдвиговая прочность закаленной стали
30ХГСА препятствует собиранию в шар разгруженной на высоких радиусах оболочки.
9
Рис.4. Меридиональное сечение оболочки из высокочистого нелегированного крупнозернистого железа, претерпевшей
сферическое взрывное обжатие по первому режиму нагружения. В оболочке сформировались три откольных слоя.
3. Обсуждение результатов
Полученные систематические результаты экспериментальных исследований убедительно свидетельствуют
о сильном влиянии на зарождение, развитие и залечивание откольных и сдвиговых повреждений в материале
обжимаемых взрывом оболочек
– исходной чистоты и размера зерна изучаемого материала;
– содержания легирующих элементов, наличия исходной текстуры, зависящей от технологии получения заготовок;
– предварительной термомеханической обработки (закалка, отпуск).
Необходимость контроля исходного химического состава (железо, сталь 30ХГСА или 12Х18Н10Т), структуры (морфология и размер зерна, наличия возможной текстуры), возможного содержания вторых фаз, режимов термомеханической обработки и др. обусловлены возможными отличиями в ударной сжимаемости (за счет
наличия в α-Fe и стали 30ХГСА α−ε–фазового превращения и его отсутствия в аустенитной стали
12Х18Н10Т, за счет существенного (в разы) отличий упругого предела Гюгонио закаленной стали 30ХГСА
HRc35-40 по сравнению с нелегированным железом), заметными отличиями в сдвиговой и откольной прочности исследуемых материалов.
Отличия в ударной сжимаемости исследованных материалов, как показано в [12-15], обуславливают отличия в
отборе энергии шарами из 12Х18Н10Т и α-Fe в 8 % для реализованных в [5, 12] постановок в сферических взрывных
экспериментах. Систематические закономерные отличия зафиксированы и в остаточных энергиях обжатых по двум
режимам оболочек из различных исследованных материалов в данной работе.
Повышенные остаточные энергии обжатых оболочек из закаленной стали 30ХГСА связаны с переходом в
тепло работы пластической деформации этого материала с высокой сдвиговой прочностью. Кинетической
энергии основной части оболочки из закаленной стали 30ХГСА HRc 35-40 оказалось недостаточно в условиях
реализованных и описанных в данной работе взрывных экспериментов для полного компактирования в шар
разрушенной на высоких радиусах оболочки, в отличие от оболочек из стали 12Х18Н10Т или нелегированного
железа.
Для систематического изучения влияния на симметрию, динамику и устойчивость схождения оболочек
10
ударной и изэнтропической сжимаемости, сдвиговой и откольной прочности, вязкости материала изучаемых
оболочек, кинетических закономерностей протекания в ударных волнах и волнах разрежения полиморфных и
фазовых превращений, включая плавление и испарение, высокоскоростной деформации в различных фазах и
агрегатных состояниях, а также ряда конструктивных особенностей используемых взрывных устройств, представляют интерес эксперименты, аналогичные описанным в данной статье, но выполненные с использованием
более тонких ( ε =
Δ об
= 5 − 10% ) оболочек.
R нар
Исследования с оболочками из нелегированного железа и закаленной до HRc 35…40 единиц стали 30ХГСА
для изучения безоткольного устойчивого схождения, откольного схождения со смыканием и без смыкания отколов запланированы, а с оболочками из стали 12Х18Н10Т ( ε = 5 − 50% ) уже в значительной части проведены. Результаты этих исследований (с использованием сферических взрывных систем с RBB=40 и 110 мм) будут
изложены в отдельной работе вместе с основными данными расчетно-теоретического моделирования экспериментально изучаемых явлений.
Выводы
1. Представлены постановки сферических взрывных экспериментов (при отсутствии и наличии сдерживающего свободный разлет продуктов взрыва наружного корпуса) по обжатию загерметизированных оболочек
примерно равной массы и идентичной исходной геометрии из нелегированного железа технической чистоты со
средним размером зерна 125 мкм, из нелегированного высокочистого крупнозернистого (250-315 мкм) железа,
стали 30ХГСА, в состоянии поставки и в закаленном до HRc 35-40 единиц состоянии, а также из аустенитной
нержавеющей стали 12Х18Н10Т.
2. Продемонстрирован ярко выраженный различный характер откольных и сдвиговых разрушений оболочек из исследованных материалов на высоких радиусах. При идентичном режиме взрывного нагружения в
оболочках из нелегированного высокочистого железа и железа технической чистоты образовалось по три развитых откольных слоя. Двойной откол “звездчатой формы” образовался в оболочке из стали 30ХГСА, изготовленной из стержневой заготовки ∅180 мм с ярко выраженной продольной (в направлении прокатки) текстурой.
Закалкой на максимальную твердость исходную текстуру заготовки удалось разрушить. В оболочке из закаленной стали образовался один откольный слой, который в процессе схождения начал разрушаться по сдвиговому механизму.
3. Отмечен существенно различный характер компактирования разрушенных оболочек в процессе схождения. Разрушенные на высоких радиусах оболочки из нелегированного Fe и стали 12Х18Н10Т при реализованном режиме взрывного нагружения компактируются в шар. В оболочках же из стали 30ХГСА, особенно закаленной до HRc 35-40 единиц, наблюдаются зоны непрожатия материала.
4. По методу гидростатического взвешивания для всех реализованных условий нагружения измерены объемы и остаточные деформации обжатых оболочек, а методом твердотельной калориметрии – остаточные энергии на момент попадания обжатых сборок в калориметр.
5. Полученные экспериментальные данные отражают закономерные отличия и будут использованы для верификации прочностных моделей и многофазных уравнений состояния в современных 1D-, 2D- и 3D- программных комплексах.
6. Отработанные постановки сферических взрывных экспериментов с гарантированным сохранением претерпевших нагружение оболочек и их калориметрированием непосредственно после нагружения с последующими измерениями остаточных деформаций и комплексом металлографических, электронномикроскопических и других исследований, представляют несомненный интерес с точки зрения периодического
контроля стабильности динамических механических свойств и характеристик – сдвиговой и откольной прочности материала и деталей при возможном изменении технологий их получения или в процессе сверхдлительного хранения ранее изготовленных оболочек.
7. Представляют интерес аналогичные описанным эксперименты по сферическому взрывному обжатию и
существенно более тонких оболочек. Такие эксперименты с оболочками из стали 12Х18Н10Т и закаленной
сталью 30ХГСА запланированы.
Литература
1.
2.
Козлов, Е.А., Бричиков, С.А., Горбачев, Д.М., Бродова, И.Г., Яблонских, Т.И. Особенности зарождения, развития и залечивания откольных и сдвиговых разрушений в оболочках из нелегированного железа и ряда сталей при их сферическом взрывном нагружении / Е.А.Козлов, С.А.Бричиков,
Д.М.Горбачев, И.Г.Бродова, Т.И.Яблонских // Препринт РФЯЦ-ВНИИТФ, № 229 от 26.02.2007. - 26 с.
Kozlov, Е.А., Tarzhanov, V.I., Vildanov, V.G., El’kin V.M. Explosive experiments for studying dynamic
properties of transition metals, some actinides, and alloys on their basis. / Е.А.Kozlov, V.I.Tarzhanov,
V.G.Vildanov, V.M.El’kin // In: 6th US-Russian Workshop on Fundamentals of Pu Science, Lawrence Liv11
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
ermore National Laboratory, University of California, Livermore, CA, USA, July 14-15 2006, UCRL-PROC222407. - pp. 26-30.
Banсroft, D., Peterson, E.L., Minshall F.S. Polymorphism of iron at high pressure / D.Banсroft, E.L.Peterson,
F.S.Minshall // J.Appl. Phys., 1956. - V. 27, № 3. - pp. 291-298.
Barker, L.M., Hollenbach, R.E. Shock wave study of the α → ε phase transition in iron / L.M.Barker, R.E .
Hollenbach // J. Appl. Phys., 1974. - V. 45, № 11. - pp. 4872-4887.
Kozlov, E.A. Shock Adiabat Features, Phase Transition Macrokinetics, and Spall Fracture of Iron in Different
Phase States / E.A.Kozlov // High Pressure Research, 1992. - V.10. - pp. 541-582.
Hallouin, M. Estimation du temps de relaxation de la transition de phase α→ε du fer sous choc / M. Hallouin
// 4e Symphosium International Hautes Pressions Dynamiques (IV–HDP), Tours, France, 1995. - pp. 289-292.
Boettger, J.C., Wallace, D.C. Metastability and dynamics of the shock-induced phase transition in iron /
J.C.Boettger, D.C.Wallace // Phys. Rev. B. 1997. - V. 55, № 5. - pp. 2840-2849.
Arnold, W. Dynamisches Werkstoffverhalten von Armco-Eisen bei Stoβwellenbelastung / W.Arnold //
Fortschr.-Ber. VDI Reihe 5 Nr.247. Düsseldorf: VDI–Verlag 1992.
Козлов, Е.А., Теличко, И.В., Горбачев, Д.М., Панкратов, Д.Г., Добромыслов, А.В., Талуц, Н.И. К вопросу о
метастабильности, неполноте протекания α−ε-фазового превращения в нелегированном железе при пороговых импульсах нагрузки. Особенности деформационного поведения и структуры армко-железа / Е.А.Козлов,
И.В.Теличко, Д.М.Горбачев, Д.Г.Панкратов, А.В.Добромыслов, Н.И.Талуц // ФММ, 2005. - Т.99, № 3. - C.83–
97 [Phys.Met.&Metallog. (Engl.trans.), 2005. - V. 99, No. 3. - pp. 300–313].
Chhabildas, L.C., Reimhart, W.D. Dynamic Properties of AerMet 100 Steel to 25 Gpa / L.C.Chhabildas,
W.D.Reimhart // In: 7th International Conference on Mechanical and Physical Behaviour of Materials under
Dynamic Loading, Septemder 8-12, 2003.- Porto, Portugal.- pp.767-771.
Dremin, A.N., Molodets, A.M., Melkumov, A.I., Kolesnikov, A.V. On Anomalous Increase of Steel Spall Strength
and Relationship to Martensitic Transformation / A.N.Dremin, A.M.Molodets, A.I.Melkumov, A.V.Kolesnikov //
In: SHOCK-WAVE AND HIGH-STRAIN-RATE PHENOMENA IN METALS (EXPLOMET-1990).
Meyers, M.A., Murr, L.E., Staudhammer, K.P. (eds), Marcel Dekker, / M.A.Meyers, L.E.Murr,
K.P.Staudhammer (eds), Marcel Dekker, // Inc. New York • Basel • Hong Kong, 1992. - pp.751-757.
Kozlov, E.A., Zhukov, A.V. Phase Transitions in Spherical Stress Waves / E.A.Kozlov, A.V.Zhukov // In:
HIGH PRESSURE SCIENCE AND TECHNOLOGY, 1993. Schmidt, S.C., Shaner, J.W., Samara, G.A.,
Ross, M. (eds) / S.C.Schmidt, J.W.Shaner, G.A.Samara, M.Ross (eds) // American Institute of Physics, New
York, 1994. - pp.977-980.
Коваленко, Г.В., Козлов, Е.А., Петровцев, А.В. Явление кумуляции сферически сходящейся ударной
волны в металлах. Влияние упругопластических свойств, фазовых превращений и разрушения. Особенности численного моделирования / Г.В.Коваленко, Е.А.Козлов, А.В.Петровцев // VIII Харитоновские тематические научные чтения по проблемам физики высоких плотностей энергии, г.Саров, 21-24
марта 2006. - C.129-136.
Дремов, В.В., Коваленко, Г.В., Козлов, Е.А., Петровцев, А.В., Брагов, А.М., Ломунов, А.К., Добромыслов, А.В., Талуц, Н.И., Juanicotena, A., Gatulle, M., Voltz, Ch. Фазовые превращения и особенности
высокоскоростной деформации и разрушение железа при сферическом взрывном нагружении /
В.В.Дремов,
Г.В.Коваленко,
Е.А.Козлов,
А.В.Петровцев,
А.М.Брагов,
А.К.Ломунов,
А.В.Добромыслов, Н.И.Талуц, A.Juanicotena, M.Gatulle, Ch.Voltz // Сб. тезисов докладов IX Харитоновские научные чтения, 12-16 марта 2007. - Изд-во РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров, 2007. - C. 148-151.
Вильданов, В.Г., Горшков, М.М., Козлов, Е.А., Ткачев, О.В., Юсупов, Д.Т. Методика твердотельного
калориметра для измерений остаточной энергии претерпевших взрывное обжатие шаров и оболочек /
В.Г.Вильданов, М.М.Горшков, Е.А.Козлов, О.В.Ткачев, Д.Т.Юсупов // VII Забабахинские научные чтения, 8-12 сентября 2003. - РФЯЦ – ВНИИТФ, г.Снежинск.
12