CC BY
35
Механика деформируемого твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (4), с. 1361-1363
УДК 539.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ КОМПОНЕНТОВ НА СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО СОУДАРЕНИЯ
© 2011 г. С.А. Афанасьева1, Ю.А. Бирюков1, В.А.Полюшко1,
А.Б. Скосырский2, А.Н. Табаченко2
'НИИ прикладной математики и механики Томского госуниверситета 2Сибирский физико-технический институт Томского госуниверситета
Поступила в редакцию 15.06.2011
Представлен комплексный экспериментально-теоретический подход к исследованию и разработке композиционных материалов для условий высокоскоростного соударения с применением нанотехнологий. Получены данные о характере высокоскоростного взаимодействия ударников, изготовленных из вольфрамовых композитов по порошковой технологии, с алюминиевыми и стальными преградами. Экспериментальные исследования проведены на ствольной метательной установке, на которой реализованы условия повышения дульной скорости за счет применения нанокомпозитного топлива.
Ключевые слова: наноразмерные порошки, композиционные материалы, высокоскоростное соударение, расчетно-экспериментальный анализ.
Проводится исследование возможности разработки перспективных материалов для условий ударно-волнового нагружения с применением высокоскоростных метательных установок для проведения испытаний в широком диапазоне скоростей и масс метаемых тел, а также разработка методов прогнозирования процессов соударения твердых тел из вновь разработанных материалов при ударно-волновом нагружении.
Для изготовления образцов поражающих элементов с сердечниками из материалов на основе вольфрама были применены наноразмерные порошки, полученные пневмоциркуляционным методом [1]. Результаты процессов измельчения порошков представлены в виде микрофотографий на рис. 1, где кадр а — исходный порошок вольф-
а)
рама '-0.8, б — полученный после измельчения.
Исследование влияния исходной пористости порошковых образцов на удельный вес сплавов на основе вольфрама, полученных методом спекания, проводили для двух систем: вольфрам — никель С—№) и вольфрам — никель — железо С — №+Бе+Со). Для лучшего смачивания при спекании образцов вводится технологическая добавка частиц кобальта Со менее 1 вес.%. Полученные образцы имели различную пористость. На рис. 2 представлена типичная заготовка для ударника проникающего типа из ВНЖ-70.
Проведены экспериментально-теоретические исследования взаимодействия ударников из разработанных композиционных материалов с разнесенными алюминиевыми преградами в диапа-
б)
1362
С.А. Афанасьева, Ю.А. Бирюков, В.А. Полюшко, А.Б. Скосырский, А.Н. Табаченко
зоне скоростей удара 1700-1800 км/с. При этом использовался расширенный состав порошков с изменением содержания вольфрама от 70 до 95 вес.%. Суммарная глубина проникания растет с ростом плотности сплава. Вместе с тем, вариант с ударником ВНЖ-70 плотностью 11.8 г/см3 показывает, что варьируя параметры твердости и пластичности материала, можно достичь величины глубины проникания, соответствующей штатному составу ВНЖ.
Рис. 2
Проведены экспериментально-теоретические исследования взаимодействия составных ударников с сердечниками из монолитных и пористых материалов со стальными преградами в диапазоне скоростей удара 2300-2700 м/с. Судя по результатам испытаний, ударники из новых композиционных материалов имеют близкую эффективность. Пористые ударники имеют показатель эффективности (отношение объема массы вещества, вытесненного из кратера, к кинетической энергии ударника) тем выше, чем выше пористость, и заметно больший по сравнению со штатным ударником из сплава ВНЖ - на 12%. На рис. 3 представлены хронограмма проникания ударника с пористым сердечником и вид лицевой поверхно-
сти бронеплиты.
Разработанный на основе программного комплекса [2] расчетно-экспериментальный метод исследования высокоскоростного взаимодействия твердых тел позволяет прогнозировать результат взаимодействия ударников с бронеплитами различных размеров и составов в диапазоне скоростей до 3000 м/с и более. Например, как показали результаты расчетов, увеличение скорости ударника из сплава ВН-91 приводит к пробитию бро-неплиты толщиной 90 мм. На рис. 4 изображено пробитие бронеплиты при различных скоростях удара. При 3000 м/с масса остатка составляет 28 г, а его скорость - 57 м/с; при 3500 м/с масса остатка равна 29.6 г, скорость - 456 м/с; при 4000 м/с масса равна 24.9 г, скорость - 641 м/с. Кинетическая энергия остатка ударников равна соответственно 0.009, 6.15, 9.98 кДж. Так, увеличение скорости существенно повышает действие ударника.
Работа выполнена при поддержке программы АВЦП Минобрнауки РНПВШ №2.1.1/12470 и РФФИ (грант №11-01-00253).
Список литературы
1. Бирюков Ю.А. и др. Ультрадисперсные и нано-размерные порошки: создание, строение, производство и применение. Томск: Изд-во НТЛ, 2009. 192 с.
2. Югов Н.Т., Белов Н.Н., Югов А.А. Расчет адиабатических нестационарных течений в трехмерной постановке (РАНЕТ-3). Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2010611042. М., 2010.
2 мс
20 мс
45 мс
Рис. 3
V = 3000 м/с, г = 300 мкс
V = 3500 м/с, г = 185 мкс
V = 4000 м/с, г = 140 мкс
Исследование влияния наноразмерных компонентов на свойства композиционных материалов
1363
RESEARCH OF THE INFLUENCE OF NANODIMENSIONAL COMPONENTS ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS UNDER HIGH-VELOCITY IMPACT
S.A. Afanasyeva, Ju.A. Birjukov, V.A. Poljushko, A.B. Skosyrskij, A.N. Tabachenko
A complex experimentally-theoretical approach to the research and development of composite materials for conditions of high-speed impact with application of nanotechnologies is described. The data on the character of high-velocity interaction of strikers made of tungsten composites using powder technology, with aluminium and steel barriers have been obtained. Experimental research was done using a gun where the increase of the muzzle velocity through the application of nanocomposite fuels were realised.
Keywords: nanodimensional powders, composite materials, high-speed impact, experiment-calculated analysis.
