Микроструктура железноникелевых сплавов, подвергнутых

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ МИКРОСТРУКТУРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ
УДАРНЫХ ВОЛН ПРИ КВАЗИКУБИЧЕСКОМ И КВАЗИСФЕРИЧЕСКОМ
ВЗРЫВНОМ НАГРУЖЕНИИ
И.В. ХОМСКАЯ, А.Э. ХЕЙФЕЦ
Институт физики металлов Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия
М.А. ЛЕБЕДЕВ, Н.П. ПУРЫГИН
Российский федеральный ядерный центр  Всероссийский НИИ технической физики
им. акад Е.И. Забабахина, Снежинск, Россия
Нагружение металлов и сплавов сходящимися сферическими ударными волнами позволяет создавать в образцах сверхвысокие давления, недоступные при других типах динамического воздействия. Альтернативные (мене симметричные) схемы нагружения с использованием относительно
небольшого числа точек инициирования заряда, в свою очередь, позволяют изучать особенности
несферической кумуляции энергии, наблюдать эффекты взаимодействия ударных волн и связанную
с ними локализацию пластической деформации нагружаемых образцов.
Целью данной работы было исследование взаимосвязи между геометрией квазикубического
и квазисферического (додекаэдрического) ударноволнового нагружения и микроструктурными изменениями нагружаемого материала, а также изучение механизма образования центральной полости
в твердофазном состоянии за счет концентрации растягивающих напряжений в точке фокусировки
ударных волн.
Основой для настоящей работы послужили два ударноволновых эксперимента. В первом опыте
шаровой образец из латуни диаметром 60 мм подвергли квазисферическому импульсному нагружению. Ударные волны создавали за счет взрыва сферического заряда взрывчатого вещества толщиной
10 мм. Взрыв инициировали в 12 точках, равномерно расположенных на поверхности заряда,
с несинхронностью, не превышающей 10 –7 с [1]. Давление на поверхности шара составляло 50 ГПа.
Для предохранения образца от разрушения растягивающими напряжениями, возникающими в процессе разгрузки, образец и заряд были помещены в массивный металлический корпус. Известно, что
скорость разгрузки в таких условиях лимитируется скоростью разрушения и разлета корпуса, уровень растягивающих напряжений в образце существенно снижается [1]. В результате взрывного нагружения шар был слегка деформирован и представлял собой квазидодекаэдр. Центры граней квазидодекаэдра совпадали с проекциями точек инициирования [2]. Шар был разрезан пополам для исследования структуры. Диаметральная плоскость разреза проходила через центры четырех граней квазидодекаэдра, совпадая с высотами граней, и через два ребра. Исследование структуры проводили
стандартными металлографическими методами.
Во втором опыте шаровой образец из стали диаметром 80 мм был помещен внутрь кубического
заряда взрывчатого вещества. Длина ребра куба составляла 100 мм. Взрыв инициировали с поверхности заряда в 6 точках, расположенных в центрах граней куба [3]. По сравнению с нагружением латунного образца, в данном эксперименте использовался существенно менее мощный заряд взрывчатого вещества, так как опыт проводился в условиях «быстрой разгрузки», без использования предохраняющего корпуса.
На рис. 1 представлен вид плоскости разреза латунного шара. Все протяженные трещины распространяются в радиальных направлениях, проходящих через центры граней (1) и вершины (2)
квазидодекаэдра. По-видимому, трещины зарождаются в местах максимальных растягивающих напряжений вследствие взаимодействия ударных волн. Вблизи трещин часто наблюдаются участки
Исследование изменений микроструктуры и распространения ударных волн при взрывном нагружении
сильного локализованного течения (продольные каналы деформации), ориентированные также в радиальном направлении (рис. 2). Видно, что трещины зарождаются в шаровом слое на расстоянии
~ 15 мм от центра шара и ближе к центру (рис. 3). Распространяясь к центру шара, они соединяются
с внутренней полостью.
В стальном шаре корреляция между микроструктурными (либо деформационными) изменениями и геометрией опыта выражена еще более явно. Так же как в латунном шаре, все протяженные
трещины распространяются в радиальных направлениях, проходящих через центры граней (А, В)
и ребра (1, 2, 3, 4) квазикуба (рис. 3). Вблизи трещин наблюдаются участки локализованного течения
(рис. 4) Возможно, что их возникновение предшествует зарождению трещин. На рис. 5, а показано
зарождение трещины в зоне локализованной деформации. Особый интерес в данном опыте представляет центральная полость, так как по ее форме можно полностью воссоздать картину ударноволнового движения в образце.
Рис. 1. Вид плоскости разреза латунного шара диаметром 60 мм (схема)
Рис. 2. Двойная радиальная трещина, образовавшаяся в результате взаимодействия волн
И.В. Хомская, А.Э. Хейфец
Рис. 3. Вид плоскости разреза (а) и поверхности (б) стального шара диаметром 80 мм после нагружения; A, B,
C, D  проекции точек инициирования (центры граней квазикуба)
1, 2, 3, 4  линии столкновения детонационных волн
Рис. 4. Зоны локализованного течения вблизи трещин у центральной полости стального шара диаметром 80 мм
Исследование изменений микроструктуры и распространения ударных волн при взрывном нагружении
Рис. 5. Зарождение радиальной трещины в зоне локализованной деформации и рекристаллизация (а) и следы
α→ε→α (б) в феррите (стальной шар)
Микроструктурные исследования показали, что существенного повышения давления вблизи центров фокусировки ударных волн не происходит. Структурные изменения выявлены в основном
в центральной части: в узкой зоне вокруг полости и областях «перемычек» толщиной 0,51,5 мм,
образовавшихся при слиянии нескольких полостей в центральную (см. рис. 1), а так же в слоях, прилегающих к трещинам. В областях перемычек наблюдали дисперсную (α+β) структуру (рис. 6, а)
и рекристаллизацию α−фазы и начальные стадии β→α превращения (рис. 6, б). В стальном шаре
в центральной зоне и в областях примыкающих к трещинам наблюдали следы локализованного течения (см. рис. 3), рекристаллизацию феррита (см. рис. 5, а) и пластинчатые кристаллы, претерпевшие цикл α→ε→α превращений (см. рис. 5, б). Отсутствие следов плавления и кристаллизации
в рассматриваемых образцах (так же, как и кольцевых зон, описанных нами в предыдущих работах)
указывает на отсутствие заметной кумуляции энергии. Давление, оцененное по результатам расчетов
изэнтроп разгрузки, сопоставленных со следами фазовых (α→β→α и α→ε→α) превращений в
центральных областях стального и латунного шаров, не превышает 120 и 40 ГПа, соответственно.
Рис. 6. Дисперсная (α+β) структура (а), рекристаллизация α−фазы и начальная стадия распада β−фазы (б) в центральной области латунного шара
Сравнение исследуемых образцов указывает на то, что при формировании центральной полости
важную роль играет скорость разгрузки. В стальном образце эта скорость выше, и полость имеет более крупные размеры по сравнению с латунным шаром, несмотря на относительно низкое давление
и более высокую прочность материала. Мы объясняем этот факт следующим образом. Как известно,
в случае идеальной ударной волны с бесконечной полкой в центре кумуляции образуется единственная точка с нулевой плотностью [4]. Быстрое понижение давления «на хвосте» ударноволнового импульса и разгрузка с поверхности образца увеличивают отток вещества от центра кумуляции, и точка
«превращается» в макроскопическую полость. Вещество из полости увлекается наружу ударной
И.В. Хомская, А.Э. Хейфец
волной, отраженной от центра фокусировки. Отсюда следует, что геометрия полости и форма фронта
отраженной ударной волны должны совпадать.
На рис. 3, а видно, что центральная полость в стальном образце имеет форму октаэдра. Это указывает на то, что отраженная от центра ударная волна не сферична, и по форме полости можно судить о взаимодействии ударных волн в данном образце. Геометрия фронта отраженной от центра
ударной волны представляет собой октаэдр. Фронт отраженной волны является при этом инверсией
фронта сходящейся волны относительно центра фокусировки. Это означает, что на завершающих
стадиях схождения первоначально квазикубический фронт сходящейся ударной волны преобразовался в октаэдрический. Такая ситуация возможна в случае нерегулярного взаимодействия первичных ударных волн. В местах столкновения первичных волн в вершинах квазикубического фронта
возникали имеющие более высокую скорость волны Маха. Симметрия задачи допускает единственную возможность пространственной ориентации этих волн: перпендикулярно пространственным
диагоналям куба. Волны Маха, двигаясь с более высокой скоростью, «срезали» вершины кубического фронта, в результате чего произошло так называемое «опрокидывание» фронта, и в конечном итоге сформировалась октаэдрическая ударноволновая конфигурация (рис. 7). Схема иллюстрирует
взаимодействия ударных волн в шаре, позволяя воссоздать и наглядно представить картину ударноволнового движения.
Таким образом, в работе показано, что в исследованных опытах наблюдается корреляция между
деформационными (микроструктурными) изменениями и геометрией нагружения. На основании исследования структуры сохраненных образцов показано, что заметного повышения давления вблизи
центров фокусировки ударных волн не происходит. Давление, оцененное по следам фазовых превращений в центральных областях стального и латунного шаров не превышает 40 и 120 ГПа, соответственно. Установлено, что концентрация растягивающих напряжений в центре шара происходит в
соответствие со схемой опыта. Начальные условия ударно-волнового воздействия «не забываются»
на стадии формирования полости. Это приводит к образованию несферической центральной полости
в твердофазном состоянии и геометрически правильного «закономерного» растрескивания.
Рис. 7. Схема распространения и взаимодействия ударных волн в стальном шаре.
При столкновении первичных волн АВ и А’В’ образуются головные волны Маха (волна А’А и симметричные ей волны),
движущиеся к центру с более высокой скоростью. В момент столкновения волн Маха первичные волны исчезают, и квазикубический фронт преобразуется в октаэдрический
Исследование изменений микроструктуры и распространения ударных волн при взрывном нагружении
Литература
1. Бузанов В.И., Пурыгин Н.П. Деформация металлических шаров при квазисферическом импульсном нагружении // В Сб.: Детонация. Труды 10 Симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка,
1992.  с.131132.
2. Зельдович В.И., Хомская И.В., Литвинов Б.В., Пурыгин Н.П., Бузанов В.И. Фазовые и структурные превращения в латуни при квазисферическом импульсном нагружении // ФММ.  1994. 
т. 78, вып. 3.  С. 7786.
3. Литвинов Б.В., Лебедев М.А., Лебедев Д.М. Симметрия инициирования сходящегося взрыва
и картина разрушения стального образца //
4. Забабахин Е.И., Забабахин И.Е. Явления неограниченной кумуляци.  М.: Наука, 1988. 173 с.