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 p₀ до 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 130kbar идет 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 при достаточно высоких значениях давления.                      

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.

Методы реализации высокопараметрических нагрузок.

Существование мощных источников импульсного нагружения твердых, жидких и газообразных сред определяет возможность решения большого класса задач, специфика которых заключается в нестационарности процесса движения сплошных и пористых, гомогенных и гетерогенных сред при экстремальных значениях концентрации энергии. Такие ситуации реализуются в ближней зоне действия взрыва, при высокоскоростном соударении твердых тел, при взрывном испарении различных материалов под действием лазерного излучения, а также некоторых других ситуациях.

Традиционные методы исследования свойств вещества в статических условиях (сосуды высокого давления, термокамеры) ограничиваются давлениями порядка 100ГПа (алмазные наковальни) и температурами порядка 3000 К в силу ограничений по условиям прочности установки и появления эффектов термического разупрочнения. Поэтому в настоящее время единственным способом исследования явлений, сопровождающих поведение различных сред при давлениях 10⁴ ГПа, температурах до 10⁶ К и временах 10^-3...10^-9с, являются экспериментальные методы импульсного нагружения.

Импульсные методы получения высоких плотностей энергии можно условно разбить на два направления: методы, основанные на использовании ударных волн, и методы, использующие высокие плотности электромагнитной энергии. К первой группе методов можно отнести нагружение: продуктами детонации, формирующимся при взрыве конденсированных взрывчатых веществ в газообразных, жидких и твердых средах; различного типа ударных трубах; ударниками, разгоняемыми в легкогазовых пушках, электромагнитными и некоторыми другими методами. Ко второй группе методов можно отнести процессы, имеющие место при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом (при котором достигаются электромагнитные поля до 10⁸ В/см и плотности потока излучения порядка 10¹⁷ Вт/см²) и при кумуляции электромагнитной энергии различными способами, среди которых особый интерес представляет кумуляция электромагнитной энергии с помощью взрывных магнитокумулятивных генераторов, позволяющих создавать магнитные поля порядка нескольких десятков МЭ.

1.2. Законы сохранения.  

Математически физические явления, сопровождающие импульсные высокоскоростные процессы, обычно задаются нестационарными уравнениями механики сплошной среды, записанными в классической дифференциальной форме и выражающими законы сохранения массы, импульса и энергии. При этом физические и механические свойства среды описываются термодинамическими и реологическими моделями, т.е. уравнениями состояния и физическими соотношениями. В подавляющем большинстве случаев весьма сложно описать теоретически термодинамические свойства вещества в условиях сильной неравновесности и нестационарности, поэтому столь широкое распространение получило использование экспериментальных данных для определения численных параметров в функциональных зависимостях.

Преобладающим в последнее время стало направление, главной задачей которого было построение эмпирических и полуэмпирических уравнений состояния на основе результатов серийных экспериментов. Особенно ярко такая тенденция проявлялась в области исследований воздействия на вещество импульсных нагрузок, связанных с распространением в изучаемой среде ударных волн.

Под ударной волной (УВ) будем понимать распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью тонкую переходную область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества. Величина изменений этих параметров зависит от теплопроводности, вязкости, а также от размера зерен и степени однородности материала.

Используя представления механики сплошных среды, зону ударного перехода можно представить как геометрическую поверхность, на которой терпят разрыв функции параметров, характеризующие состояние и движение этой среды. В этом случае говорят о разрыве нулевого порядка. Если сами функции и их производные до (n-1)-го порядка непрерывны, а n-е производные терпят разрыв, то говорят о разрыве n-ого порядка.

Прохождение ударной волны через вещество может приводить к изменению его физического состояния. 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 большинство явлений (за исключением фазовых превращений) можно объяснить в терминах микроскопической пластической деформации, произведенной ударной волной. Увеличение давления и температуры при прохождении ударного фронта может помогать или препятствовать производству данных эффектов.

Если поверхность разрыва является гладкой, а скорость ее распространения - непрерывная и дифференцируемая функция времени и координат, то параметры среды перед и за волной и их производные должны удовлетворять определенным соотношениям, которые называют условиями совместимости. Различают геометрические, кинематические и динамические условия совместимости. Если условия совместимости не выполняются, то произойдет распад разрыва на два или большее количество разрывов.

Используя законы сохранения массы, импульса и энергии в интегральной форме, для невязкого газа в системе координат, связанной с ударной волной, можно записать условия совместимости на ней в форме Ренкина-Гюгонио:

D² = V₀² (p - p₀)/(V₀ - V) ,                                                          (1.1)

v = (p - p₀)/(р₀D) = {(p - p₀)(V₀ - V)}^1/2 ,                                    (1.2)

E - E₀ = 0,5(p + p₀)(V₀ - V) ,                                                       (1.3)

где D - скорость УВ; p₀ - давление, V₀ - удельный объем, р₀ - плотность, E₀ - удельная внутренняя энергия среды перед фронтом УВ; p, v, E - то же, за фронтом УВ; v - скорость частиц среды. Эти соотношения позволяют определить параметры среды за фронтом УВ, если известны состояние среды перед волной и ее скорость распространения.

Третьему уравнению (1.3) соответствует кривая, называемая адиабатой ударного сжатия или адиабатой Гюгонио; первому уравнению (1.1) для заданной скорости УВ соответствует линия Релея. Точка пересечения линии Релея с кривой Гюгонио определяет конечное состояние среды за фронтом УВ, соответствующее закону сохранения энергии.