CC BY
85
Гидродинамические неустойчивости в средах с прочностью — от объекта исследований к инструменту исследований
А.Л. Михайлов
ФГУП РФЯЦ Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров, 607188, Россия
Осуществимость проектов инерциального термоядерного синтеза: газодинамического, лазерного, магнитогидродинамического, как и многих других импульсных систем с высокими плотностями энергии, зависит, в частности, от ограничений в кумуляции энергии, накладываемых гидродинамическими неустойчивостями. В данном случае рассматриваются три типа неустойчивостей: Рэлея-Тейлора, Рихтмайера-Мешкова и Кельвина-Гельмгольца. Развитие этих неустойчивостей, помимо динамики системы, зависит от фазового состояния и динамических физико-механических свойств вещества в конкретных условиях воздействия. Следовательно, изучение гидродинамических неустойчивостей может быть косвенным инструментом изучения структурных и фазовых превращений в материалах и их динамической прочности.
В обзоре на примере нескольких типов экспериментов демонстрируется применение «метода возмущений» для изучения ударно-волнового плавления металлов, построения широкодиапазонных определяющих уравнений материала, изучения мезоме-ханики деформирования и разрушения. В результате исследований установлен факт термического разупрочнения металлов под действием ударных волн до достижения параметров ударно-волнового плавления; определены параметры ударно-волнового плавления ряда металлов; установлен факт кратковременного «мгновенного» атермического разупрочнения металлов за фронтом ударных волн за счет формирования плоскостей адиабатического сдвига; продемонстрирована гетерогенность деформирования металлов на мезоуровне; установлен факт и определены количественные показатели динамического упрочнения металлов при их квазиизэнт-ропическом нагружении, по сравнению с ударноволновым; построены широкодиапазонные определяющие уравнения металлов; установлен факт смены механизмов разрушения металлов в условиях объемного расширения; изучены обобщенные зависимости развития сдвиговой неустойчивости, ее проявлений в неисследованных ранее режимах и способы ее подавления.
Hydrodynamic instabilities in strong media — from the object of investigation to the investigation tool
A.L. Mikhailov
Russian Federal Nuclear Center — All-Russian Research Institute of Experimental Physics (VNIIEF), Sarov, 607188, Russia
The implementation of inertial thermonuclear fusion, such as gas-dynamic, laser or magnetohydrodynamic, as well as of many other pulse systems with high energy densities particularly depends on energy cumulation limitations imposed by hydrodynamic instabilities. In this case, three types of instabilities are considered: Rayleigh-Taylor, Richtmayer-Meshkov and Kelvin-Helmholtz. The development of these instabilities, along with system dynamics, depends on the phase state and dynamic physico-mechanical properties of matter under specific action. Consequently, the investigation of hydrodynamic instabilities can be an indirect tool of studying structural and phase transformations in materials and their dynamic strength.
In the given review, we consider several types of experiments to demonstrate the application of the "perturbation method", which is used to study the shock-wave melting of metals, derive wide-range constitutive equations of the material and investigate the mesomechanics of deformation and fracture. The investigations have shown that there occurs thermal softening of metals under the action of shock waves up to the achievement of shock-wave melting parameters. The latter have been determined for some metals. Short-term "momentary" athermal softening of metals takes place behind the shock-wave front owing to the formation of adiabatic shear planes. The inhomogeneity of metal deformation at the mesolevel is revealed. The dynamic hardening of metals and its quantitative indicators are found under quasi-isentropic loading of metals as compared to shock-wave loading. Wide-range constitutive equations of metals are derived. The fracture mechanisms of metals are found to change at volumetric expansion. The generalized dependences of shear instability development, its manifestation in the modes not considered before and the ways of instability suppression are studied.
1. Введение лизуемость управляемого термоядерного синтеза. Идеи
Одна из наиболее амбициозных и важных научно- инерциального термоядерного синтеза без использо-практических проблем XX, а теперь и XXI века — реа- вания для его зажигания энергии деления тяжелых ядер
в Михайлов А.Л., 2007
возникли независимо еще в 40-х годах XX века в самом начале работ над ядерно-оружейными проектами в США и в СССР, а по некоторым данным и в Германии. Осуществимость этих идей оказалась принципиально зависящей, среди прочего, от одной «малости» — гидродинамических неустойчивостей и турбулентного перемешивания веществ на границах раздела разнородных сред в условиях высокоскоростных течений. Эти явления развиваются в термоядерных мишенях при любой достижимой ныне прецизионности конструкции и, по-видимому, принципиально неизбежны в силу корпус-кулярности (гетерогенности) самого вещества. Как следствие, энергетические потери и ограничения в достигаемой плотности кумулируемой в мишени энергии, необходимой для достижения зажигания. Весь вопрос, достаточен ли запас вводимой в систему энергии для преодоления энергетических потерь, в том числе из-за неустойчивостей?
Но еще до начала реализации проектов мирного инерциального термоядерного синтеза проблемы гидродинамических неустойчивостей оказались одними из ключевых для ядерно-оружейных систем. Таким образом, побудительными мотивами исследований неустой-чивостей в твердых телах послужили как практические задачи разработки ядерного оружия, так и фундаментальные исследования систем инерциального термоядерного синтеза: вначале газодинамического термоядерного синтеза (Козырев, 1947 г. [1, 2]), с начала 70-х годов лазерного (Басов, Кормер и др.), затем магни-тогидродинамического (Мохов и Чернышев) и тяжелоионного.
Здесь мы коснемся трех видов неустойчивостей [3]:
- гравитационная неустойчивость, или неустойчивость Рэлея-Тейлора, в стационарном поле ускорения, направленного по нормали к границе;
- неустойчивость в нестационарном поле ускорения под действием нормально падающей ударной волны, или неустойчивость Рихтмайера-Мешкова;
- сдвиговая неустойчивость, или неустойчивость Кельвина-Гельмгольца.
В реальных ситуациях эти неустойчивости проявляются совместно: при развитии неустойчивостей Рэ-лея-Тейлора или Рихтмайера-Мешкова турбулизация течения идет через развитие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, и наоборот, в системах синтеза неустойчивость Кельвина-Гельмгольца развивается обычно под действием косых ударных волн, создающих не только тангенциальный разрыв скорости, но и нормальное к границе раздела ускорение.
Неустойчивости в газах и жидкостях изучены достаточно хорошо, и развита их теория (см., например, [4]). Все сложнее в случае твердых тел. Прочность — вот то их качество, которое до некоторых пор позволяло считать, что нет проблем с неустойчивостью в твердых телах. Однако стабилизирующее свойство прочности
ограничено умеренными ускорениями или тангенциальными разрывами скорости, пока возмущения не превысят силы прочности. (Нечто подобное известно и для жидкостей, где подобную стабилизирующую роль играет поверхностное натяжение.) Более того, известно, что величина прочности в динамических нестационарных процессах не является константой для конкретного материала, а существенно зависит от условий деформирования материала — давления, температуры, скорости деформации. А если в веществе под действием интенсивных динамических воздействий происходят структурные и фазовые превращения, тем более его прочность меняется в процессе воздействия.
Из этих рассуждений следует, что гидродинамические неустойчивости могут быть не только объектом исследований с конечной целью их подавления или минимизации, но и инструментом исследований прочностных свойств и фазовых состояний вещества в экстремальных условиях.
2. Гравитационные неустойчивости
Под этим общим названием мы понимаем оба вида неустойчивостей под действием нормальных ускорений: неустойчивости Рэлея-Тейлора и Рихтмайера-Мешкова.
Первые экспериментальные исследования неустойчивостей Рэлея-Тейлора в твердых телах в СССР были начаты в конце 50-х - начале 60-х годов во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики и связаны с именами А.Д. Сахарова, Р.М. Зайделя, А.Г. Олейника, В.Н. Минеева, А.Л. Глад-ченко и др. Подавляющая часть полученных ими результатов не была опубликована в открытой печати, за исключением цикла работ [5].
С временным сдвигом в 3-4 года после начала в середине 60-х годов Е.Е. Мешковым с сотрудниками «классических» модельных исследований неустойчи-востей Рэлея-Тейлора в газах и других средах с пренебрежимо малой прочностью, приведших, в частности, к экспериментальному открытию неустойчивости Рихт-майера-Мешкова [6], Р.С. Осиповым, А.Л. Михайловым и А.И. Паленовым в 1968 г. были начаты систематические исследования гидродинамических неустойчивостей в металлах под действием сильных (10ГПа< Рув < <100 ГПа) ударных волн с применением методики постопытного металлографического анализа образцов, сохраняемых в герметичных капсулах. Некоторые результаты этих исследований были опубликованы в общедоступной литературе с задержкой в 10-20 лет [7, 8].
В исследованиях неустойчивости Рихтмайера-Меш-кова авторами [8] особое внимание уделялось ожидавшемуся эффекту скачкообразного падения устойчивости границы раздела слоев разнородных металлов с заданными на ней гармоническими возмущениями (или
Р, = 30 ГПа Р, = 25 ГПа
Рис. 1. Неустойчивость Рихтмайера-Мешкова в металлах: а — заданные возмущения на границе раздела; б — заданные возмущения на фронте ударной волны
Р, = 23.5 ГПа
с регулярными возмущениями на фронте ударной волны, падающей на невозмущенную границу раздела) при достижении интервала давлений ударно-волнового плавления более тугоплавкого металла из исследовавшейся пары. Предполагалось, что при приближении снизу амплитуды ударной волны к параметрам ударно-волнового плавления более тугоплавкого металла будет наблюдаться резкое падение сдвиговой прочности системы в целом и разнодинамичность за фронтами пришедших и отраженных ударных волн и волн разрежения вызовет развитие заданных регулярных возмущений, а затем, вследствие замкнутости объема капсулы, в которой заключены исследуемые металлы, турбулизацию течения и интенсивное перемешивание металлов.
Этот эффект действительно был зафиксирован (рис. 1) и послужил предметом ряда публикаций и патентов на изобретения (пороговые индикаторы амплитуды ударных волн).
Однако зафиксированные значения амплитуд ударных волн, вызывающих развитие гравитационной неустойчивости границы раздела «металл - металл», коррелируют, но не вполне совпадают с расчетными пара-
Sn-Cd Х0 = 1.1 ММ, Оо = 0.2 мм
метрами диапазона ударно-волнового плавления более тугоплавкого металла, оцениваемыми либо исходя из закона Линдемана, либо по опубликованным параметрам эмпирической формулы Симона [9] (табл. 1). В таблице в обозначении исследуемой пары металлов идет индекс металла, со стороны которого в систему входит падающая ударная волна. Геометрия системы соответствует рис. 1: X0, а0 — геометрические длина и амплитуда начальных регулярных возмущений на границе раздела (рис. 1, а) либо на фронте ударной волны (рис. 1, б); Р8 — минимальное значение проходящей ударной волны, при которой теряется устойчивость границы раздела; р — интервал давлений ударной волны, в котором зафиксировано развитие начальных возмущений до полного визуального перемешивания металлов; Рт — давление начала ударно-волнового плавления металла, оцениваемое по формуле Симона.
Из отмеченной корреляции, но не совпадения Р8 и Рт, следовало два предположения.
1. Скачкообразное падение устойчивости границы раздела несколько ниже расчетных параметров ударно-волнового плавления связано с резким термическим
РЬ^
Ао = 1.6 мм, Оо = 0.2 мм
Р, = 18.5 ГПа
Таблица 1
Исследуемая пара Геометрия (рис. 1) X о, мм а о, мм Рц, ГПа Рь ГПа Рт, ГПа
Sn-Bi а а б 1.6 1.6 3.2 0.5 0.2 0.2 20.0-21.5 18.0-21.5 20.0-21.5 20.0-21.5 Bi — 16 Sn — 32
РЬ^ б 1.1 0.2 18.5 18.5-22.0 РЬ — 34
Cd-Bi а 1.6 0.5 25-28 25-28 Cd — 47
Sn-Pb а 1.6 0.5 23 21.5-23.0 РЬ — 34
Sn-Cd а а 1.6 1.6 0.2 0.5 29-30 28 29-30 Cd — 47
Zn-Bi а 1.6 0.5 > 30 > 30.0 Zn — 60
В^п а 1.6 0.5 > 30 > 30 Zn — 60
разупрочнением металлов при ударно-волновом разогреве ниже точки плавления (спадающая ветвь зависимости динамического предела текучести Yd = /(Р, Т)).
2. Развитие неустойчивости происходит после плавления металлов в волне разрежения, которое для веществ с «нормальной» кривой плавления ^Тш/<1Р > 0) наступает при меньших давлениях, чем плавление на фронте ударной волны.
Более физично первое объяснение, поскольку ускорения в волне разрежения при разгрузке образца в данной постановке экспериментов существенно ниже, чем в ударной волне. Тем не менее, не исключено, что работают оба механизма. Роль волн разрежения может быть выяснена, скажем, путем подбора различных соотношений динамических жесткостей (импедансов) исследуемых металлов и материала капсулы, либо в капсулах осесимметричной «скользящей» геометрии с нагруже-нием исследуемой пары «маховской перемычкой» на оси симметрии капсулы. Эти исследования еще ждут своего автора.
Объединение же изложенной «методики возмущений» с последующим металлографическим анализом соединений, образовавшихся после турбулентного перемешивания металлов (интерметаллиды, твердые растворы) все же позволило однозначно выявить параметры ударно-волнового плавления ряда металлов [10].
Исследования с постопытным металлографическим анализом не дают ответа на вопрос о динамике развития неустойчивости Рихтмайера-Мешкова в металлах. Применение импульсной рентгенографии в сочетании с развитыми в настоящее время двумерными методами численного моделирования позволило В.А. Раевскому, А.И. Лебедеву и П.Н. Низовцеву с сотрудниками перейти в 90-х годах к систематическим исследованиям рас-четно-экспериментальным методом гравитационных возмущений динамической сдвиговой прочности металлов в диапазоне давлений ударно-волнового и квази-изэнтропического нагружения амплитудой до ~ 100 ГПа [11, 12].
Типичная постановка эксперимента, получаемый результат и пример численного моделирования приведены на рис. 2.
Основные этапы технологии «динамического метода возмущений». Исследуется развитие заданных регулярных начальных возмущений с фиксированными длиной Xо и амплитудой а 0 на границе раздела, как правило, «исследуемый металл - продукты взрыва химического взрывчатого вещества». Развитие возмущений определяется динамикой ускорения границы раздела «продукты взрыва - металл», параметрами X0, а0 начальных возмущений и их формой, прочностными свойствами металла в заданных условиях воздействия. Задавая ту или иную модель прочности (определяющего уравнения) металла, путем описания двумерными численными расчетами экспериментальных данных по развитию возмущений подбираются параметры модели.
Наиболее проработанной для численного моделирования сейчас является феноменологическая релаксационная модель динамической прочности, учитывающая релаксацию упругих напряжений в материале, его деформационное и компрессионное упрочнение, термическое разупрочнение (рис. 3). (Формы моделей прочности, используемые в численном моделировании, не являются предметом данной статьи, см., например, [13].)
Строго говоря, «метод возмущений» в таком виде не является методом определения прочности материала в общепринятом смысле — он не определяет численного значения какого-то физического параметра как фиксированной величины. Это и не требуется и даже в определенном смысле неверно, поскольку прочность материала имеет вид многофункциональной зависимости от параметров воздействия и меняется в процессе этого воздействия. Достоинство метода — путем варьирования темпа и амплитуды воздействия, длины волны и амплитуды возмущений авторам удается получать параметры определяющего уравнения материала Fd = = /(а, Т, е, е,...) в широком диапазоне давлений
2
1 — источник рентгеновского излучения;
2 — экспериментальная сборка;
3 — рентгенопленка, расположенная в бронекассете
Схема проведения эксперимента
Эксперимент
Исследование неустойчивости Рэлея-Тейлора в твердых веществах — новый метод для определения динамической прочности материалов при высоких давлениях 2иии о р ~ 10-100 ГПа
детонационной волны;
2 — шашка взрывчатого вещества;
3 — исследуемая пластина;
4 — герметизирующий стакан
Рис. 2. Гравитационные неустойчивости на границе раздела «продукты взрыва - металл». Метод возмущений
(Р ~ 10-100 ГПа), скоростей деформирования (е ~ 105109 с-1) и температур (от нормальных до плавления металла).
Этот метод свободен от недостатков, связанных с необходимостью сохранения образцов и ограничениями по этой причине по верхнему достижимому интервалу
импульсных давлений (ударно-волновых или квази-изэнтропических). С использованием цилиндрических осесимметричных устройств сходящейся геометрии нам удалось продвинуться в последние годы на пути изучения динамической прочности металлов до давлений = 300 ГПа. Сейчас этот метод взят на вооружение
Рис. 3. Описание развития неустойчивости Рэлея-Тейлора в металлах двумерными расчетами. Алюминий
Микроструктура меди после опытов
Ударно-волновое нагружение
— ...г
Полосы сдвига
Рис. 4. Механизмы деформирования металлов в ударных и квазиизэнтропических волнах сжатия на мезоуровне
многими лабораториями мира, имеющими дело с экстремальными состояниями вещества [14, 15].
Одним из принципиальных результатов, полученных методом возмущений, стало обнаружение заметного превышения динамического предела текучести ряда металлов при квазиизэнтропическом нагружении (е ~ 105106 с-1, Р ~ 30-50 ГПа) по сравнению с ударно-волновым (е ~ 108 с-1). Сразу за фронтом ударной волны металл как бы теряет прочность на время ~0.1-0.5 мкс с последующим быстрым ее восстановлением. Объяснение этому видится сейчас в «мгновенной потере прочности» в узких (I ~ 1 мкм) полосах локализованного сдвига (рис. 4) с периодом между ними ~ 10 мкм с последующей релаксацией течения и восстановлением прочности материала за время ~ 1 мкс. Интенсивность (период) полос локализованного сдвига и объем материала, захваченного этим процессом, зависят от интенсивности и темпа нагружения [16, 17], а также от микроструктуры материала — с уменьшением исходного размера зерна и переходом на субмикронный уровень формирование плоскостей сдвига затрудняется.
Гетерогенность деформирования металлов на фронте ударной волны с периодом 10 мкм зарегистрирована в ряде металлов методом лазерной доплеровской интерферометрии по схеме Фабри-Перо по различию формы и амплитуды упругого предвестника в разных зонах пят-
на зондирования размером ~ 100 мкм (рис. 5). Там же последующий металлографический анализ выявил наличие двойников и полос сдвига, подобных обнаруженным ранее в меди [18].
Частный случай гравитационной неустойчивости Рихтмайера-Мешкова — неустойчивость свободной границы ускоряемых ударной волной лайнеров — также представляет практический интерес и проявляется в микрокумулятивном выбросе опережающего облака мелкодисперсных частиц. Основные причины этого эффекта — шероховатость свободной поверхности, структурные неоднородности материала, неоднородность (разнодинамичность) течения за фронтом ударной волны и отмеченная выше гетерогенность деформирования материала (сдвиговое деформирование) [19, 20].
Гравитационные неустойчивости начинают играть доминирующую роль при эксплозивном (разлет вовне) объемном расширении, разрушении и диспергировании материала, если металл плавится в ударной волне или в последующей волне разрежения. Этот эффект иллюстрирует рис. 6. Слева вверху показано взрывное разрушение металлической трубки при детонации внутри нее заряда взрывчатого вещества с «классическим» разделением трубки на фрагменты через стадию магистральных трещин, если металл находится в твердой фазе. Справа вверху—разрушение водяной трубки при взры-
Интерферограмма опыта
Схема постановки опытов
Характерные профили упругого предвестника, зарегистрированные в одном опыте
1, не
Рис. 5. Гетерогенность деформирования на мезоуровне.
Асинхронность выхода упругого предвестника на разных интерферометрических линиях
А1 ~ 50 не
Дисперсия скорости свободной поверхности
Рис. 6. Механизмы разрушения при взрывном объемном расширении
ве внутри нее газо-взрывчатой смеси идет через формирование максимально неустойчивой моды гравитационных возмущений (Мешков). Внизу—разрушение трубки из расплавленного ударной волной металла идет по тому же механизму: развитие максимально неустойчивой моды и следующее за этим кавитационное разрушение (Смирнов, Жиембетов, Михайлов) [21, 22].
В этих исследованиях неустойчивость опять играет роль инструмента для определения фазового состояния вещества и мезомеханики разрушения. Регистрируя интегральную динамику деформирования образца, динамику развития неустойчивости Рэлея-Тейлора через максимально неустойчивую моду, формирование кластеров пузырьков, далее пеноподобной структуры, можно извлечь информацию о мезомеханике материала в широком диапазоне фазовых состояний и динамики разрушения (динамический предел текучести в расплавленном состоянии, вязкость, поверхностное натяжение и др.) [23].
3. Сдвиговая неустойчивость
Следующий классический вид неустойчивости — сдвиговая неустойчивость, или неустойчивость Кельви-на-Гельмгольца, при тангенциальном разрыве скоростей. В металлах в чистом виде (чистое скольжение) она описана впервые, по-видимому, в [7]. Гораздо чаще и даже прежде всего в металлах она регистрируется в так называемых режимах сварки взрывом — при косом соударении пластин с характерной фазовой скоростью точки соударения (контакта) Ц < С0, где С0 —объемная скорость звука в свариваемых металлах.
Рис. 7. Сдвиговая неустойчивость в режиме сварки взрывом, Al-Al: Х100, у - 13.8°, Uc = 2.4 мм/мкс, а - 0.25_мм, X = 0.55 мм (а); х50, Y = 13.5°, Uc = 7.8 мм/мкс, а - 0.25 мм, Х - 1.1 мм (б)
0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2
М
Рис. 8. Зависимость амплитуды сдвиговых возмущений от числа Маха M = Uc/C0 , у = 13.5o
Нами проведены систематические исследования развития сдвиговой неустойчивости в широком диапазоне величин Uc, включая сверхзвуковые режимы.
На рис. 7, а, б приведены фотографии характерных шлифов, демонстрирующих развитие сдвиговой неустойчивости при косом соударении пары Al-Al в дозвуковом и сверхзвуковом режимах соответственно, а на рис. 8 — зависимость амплитуды возмущений на контактной границе ряда пар однородных металлов от фазовой скорости точки контакта (от числа Маха, M = Uc/ C0) с тем различием, что метаемая с помощью взрыва вещества пластина до соударения уже претерпела динамический разогрев и деформирование [24]. Наиболее интенсивное развитие возмущений наблюдается при сверхзвуковой фазовой скорости точки соударения при значении Uc = Ucr > C0, соответствующей переходу течения от режима с отсоединенными ударными волнами (конфигурация течения с кумулятив-
Рис. 9. Волнообразование при сварке взрывом бериллия, Be-Be, у ~ ~ 13.5°, Uc = 8.75 мм/мкс: 1 — приварившийся слой Be (верхний диск); 2 — медное гальваническое покрытие ~10 мкм; 3 — Be (нижний диск), медное покрытие на Be отсутствует
0.3 -
0.2
0.1
0.0
а i . РС| Yd| aj Pq \ O Al □ Mg д Cu ж Fe <> Be
\ Xi
ж/ \
\
\
ж \
V
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Рис. 10. Обобщенная зависимость а(М). Опорный материал — медь
ной струей) к режиму с присоединенными ударными волнами (бесструйная конфигурация). Дальнейший рост ис ведет к снижению амплитуды возмущений.
В этих исследованиях, вызванных прежде всего практическими задачами сварки взрывом, есть еще загадочные вещи, например высокая склонность к пластическому деформированию и волнообразованию бериллия, известного своей исключительно малой пластичностью и высокой хрупкостью в статических условиях. На рис. 9 приведена фотография поверхности берил-лиевой пластины после симметричного косого соударения с параметрами у с = 13.5°, Ц = 8.75 км/с [25].
Описание зависимостей рис. 8 также находит свое объяснение в кратковременном разупрочнении металлов за фронтом ударной волны.
Анализ восходящих ветвей зависимостей рис. 8 приводит к соотношению РМ
где а — амплитуда возмущений; Pc — давление в точке
Рис. 11. Неустойчивость границы раздела плотноупакованных слоев металлов при косом падении ударной волны
Рис. 12. Поверхность контакта «продукты взрыва - сталь Ст10»
соударения; М — фазовая скорость точки контакта (число Маха); У й — динамический предел текучести металла.
Отсюда сравнение амплитуд сдвиговых возмущений для «опорного» и исследуемого металла может служить для оценки динамического предела текучести последнего.
Обработанные подобным образом зависимости а = = у(М) рис. 8 для разных металлов ложатся на единую обобщенную зависимость а = у(М), рис. 10 («опорным» металлом здесь служит медь марки М1).
С позиций кратковременного (т ~ 0.1-0.5 мкс) разупрочнения материалов за фронтом ударной волны может быть объяснено развитие сдвиговых возмущений на границах плотноупакованных слоев металлов при падении
Рис. 13. Стабилизация сдвиговых возмущений покрытиями, Cu-Cu: Uc = 2.5 мм/мкс, у — 13.5°, без покрытия, а ~ 0.33 мм, X ~ 0.6 мм, Х50 (а); Uc ~ 2.5 мм/мкс, у ~ 13.5°, покрытие — Cu толщиной 25 мкм, а ~ 0.07 мм, X ~ 0.4 мм, Х30 (б); покрытие — Zn толщиной 22 мкм, а - 0.03 мм, X = 0.3 мм, х30 (в)
косой ударной волны (рис. 11) [26], на границе «металл - продукты взрыва конденсированного взрывчатого вещества» (рис. 12) [27]. Пока не объяснен обнаруженный нами эффект подавления сдвиговых возмущений с помощью тонких (5 ~ 10 мкм) гальванических или электронно-лучевых покрытий, выполненных даже из того же материала (рис. 13, см. также рис. 9) [28]. Не исключено, что причина—в микроструктуре покрытия. Известно, что формирование локализованных полос сдвига, а следовательно, и кратковременное разупрочнение металлов затрудняются по мере уменьшения исходного размера зерна, что должно приводить к стабилизации неустойчивости.
В нашем беглом обзоре мы постарались продемонстрировать, как гидродинамические неустойчивости из объекта исследований превращаются в инструмент исследований динамических свойств вещества. Развитие этих исследований, по нашему мнению, еще впереди.
Автор благодарит всех сотрудников Института экспериментальной газодинамики и физики взрыва (ИФВ) РФЯЦ-ВНИИЭФ, чьими трудами и в сотрудничестве с которыми получены результаты, упомянутые в этом обзоре.
Литература
1. Козырев А.С. Газодинамический термоядерный синтез / Переиздание оригинального отчета 1947 г. - Саров: Изд-во ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2005. - 144 с.
2. Тимонин Л.М. Принцип имплозии // Атом. - 2006. - № 30. - С. 2526.
3. Михайлов А.Л. Гидродинамические неустойчивости // Атом. -2006.- № 30. - С. 18-22.
4. Chandrasekhar S. Hydrodynamic and hydromagnetic stability. - Oxford: Claredon Press, 1961. - 652 p.
5. СахаровА.Д., Зайдель P.M., МинеевB.H., Олейник А.Г. Экспериментальное исследование устойчивости ударных волн и механических свойств вещества при высоких давлениях // ДАН СССР. - 1964. -Т. 159. - № 5. - С. 1019-1022.
6. Мешков Е.Е. Неустойчивость границы раздела двух газов, ускоряемых ударной волной // Изв. АН СССР. Серия МЖГ. - 1969. -№ 5. - С. 151-158.
7. Михайлов А.Л. Сдвиговая неустойчивость в металлах // ФГВ. -1979. - № 2. - С. 158-161.
8. MikhailovA.L., OsipovR.S. Interface instabilities between shock-com-
pressed metal layers // Proc. of Conf. of Am. Phys. Soc., SCCM-1995, Seattle, Washington, 1995. - New York: Woodbury, 1995. - P. 985988.
9. Babb S.E. Parameters in the Simon equation relating pressure and melting temperature // Rev. Mod. Phys. - 1963. - V. 35. - No. 2. -P. 400-413.
10. German V.N., Mikhaylov A.L., Osipov R.S., Tsyganov V.A. Structural transitions in solids under shock-wave loading // Proc. of Conf. of Am. Phys. Soc., SCCM-1999, Snowbird, USA, 1999. - New York: Melville, 1999. - P. 247-250.
11. Друкер Д. Тейлоровская неустойчивость поверхности упруго пластической пластины // Механика деформируемых твердых тел. Направления развития. - М.: Мир, 1983. - C. 151-162.
12. Lebedev A.I., NizovtsevP.N., Rayevsky V.A. Rayleigh-Taylor instability in solids // 4-th Int. Workshop on the Physics of Compressible Turbulent Mixing, Cambridge, 1993. - Cambridge: Cambridge Univ. Press. -P. 81-93.
13. Bat'kov Yu.V, Glushak B.L., Ignatova O.N., Rayevsky V.A., Sali-shchev G.A., Zocher M.A. Influence of intensive plastic strain and shock-wave loading on copper strength // Abstr. of Int. Conf. «New Models and Hydrocodes for Shock wave Processes in Cond. Matter», April 9-14, 2006, Dijon, France. - P. 17-19.
14. Батьков Ю.В., Давыдов Н.Б., Игнатова О.Н. и др. Исследование динамической прочности тантала методом возмущений с сохранением образцов // Сб. тезисов межд. конф. «IX Харитоновские тематические научные чтения «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны», Саров, 12-16 марта 2007 г. -Саров: Изд-во РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2007. - С. 495-502.
15. Kaul A.M., Fael R.J. Effect of material strength model parameter variation on prediction of perturbations growth in copper at high pressures // Труды межд. конф. «V Харитоновские тематические научные чтения «Вещества, материалы и конструкции при интенсивных динамических воздействиях», Саров, 2003. - Саров: Изд-во РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003. - С. 327-330.
16. Раевский В.А., Подурец А.М., Ханжин В.Г. и др. Двойниковые структуры в меди после ударного и безударного высокоскоростного нагружения // Труды межд. конф. «IX Харитоновские тематические научные чтения «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны», Саров, 2007. - Саров: Изд-во РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2007. - С. 424-429.
17. Petit J., Deguiedt J.-L. Constitutive relations for copper with two mechanisms including twinnings for a use under shock wave loading // J. Phys. IV France. - 2003. - V. 110. - P. 105-110.
18. Федоров А.В., Михайлов А.Л, Меньших А.В. и др. Регистрация дисперсии скорости ударной волны в природном уране // Труды межд. конф. «VII Харитоновские тематические научные чтения «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны», Саров, 2005. - Саров: Изд-во РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2005. -С. 408-415.
19. Cheret R., Charpon P., Ellis P., Martinson J. Mass ejection from the free surface of shock loaded metallic samples // Proc. of 4-th Topical Conf. SCCM, Spocane, Washington, July, 1985.
20. Огородников В.А., Иванов А.Г., Михайлов А.Л. О выбросе частиц со свободной поверхности металлов при выходе на нее ударной волны // ФГВ. - 1998. - Т. 34. - С. 103-107.
21. Zhiembetov A.K., Mikhailov A.L., Smirnov G.S. Experimental method to determine fragmentational properties of materials // J. Phys. IV France. - 2003. - V. 11. - P. 589-596.
22. Жиембетов А.К., Михайлов А.Л, Смирнов Г.С. Кавитационный способ определения параметров плавления ударно-сжатых веществ // Хим. физика. - 2005. - Т. 24. - № 10. - С. 57-65.
23. Zhiembetov A.K., Mikhaylov A.L., Smirnov G.S. Fragmentation properties of cerium and copper M1 on dynamic volumetric expatiation // Proc. of the APS Conf. SCCM-2005. - New York: Melville, 2005. -P. 694-697.
24. Drennov O.B., Mikhaylov A.L., Nizovtsev P.N., Rayevski V.A. Growth of perturbations on metals interface at oblique collision with supersonic velocity of contact point motion // Proc. of the APS Conf. SCCM-2001, Atlanta, 2001. - New York: Melville, 2001. - P. 595-598.
25. Дреннов О.Б., Михайлов А.Л. О деформировании бериллия при высокоскоростном косом соударении // ПМТФ. - 2002. - Т. 43. -№ 1. - С. 18-21.
26. Дреннов О.Б., Михайлов А.Л. Соединение алюминиевых пластин по беззазорной схеме при сверхзвуковом режиме ударно-волнового нагружения // Физика и химия обработки материалов. - 1995. -№ 3. - С. 84-87.
27. Дреннов О.Б., Давыдов А.И., Михайлов А.Л, Раевский В.А. Развитие сдвиговой неустойчивости на контактной границе «продукты взрыва - металл» при скользящей детонации заряда взрывчатого вещества // ПМТФ. - 2002. - Т. 43. - № 6. - С. 160-169.
28. Дреннов О.Б., Михайлов А.Л. Стабилизация возмущений на контактной границе слоев металлов при развитии неустойчивости Кельвина-Гельмгольца // Хим. физика. - 1993. - Т. 12. - № 8. -С.1150-1154.
Поступила в редакцию 24.08.2007 г.
