CC BY
47
Козлов Г.В., Григорьев Ю.А., Стаценко Г.В. О ВЛИЯНИИ СТРУКТУРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА РАЗРУШЕНИЕ СТАЛЬНЫХ КОРПУСОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
Важное значение имеет изучение закономерностей формирования трещин при взрывном нагружении корпуса с целью получения возможности управления этим процессом.
Исследовано влияние лазерной разметки корпуса на характеристики его взрывного разрушения.
Проведенные эксперименты с подрывом осколочных макетов в бронекамере, фрактографические и металлографические исследования полученных осколков позволили сделать следующие выводы, что продольная лазерная разметка предопределяет взрывное разрушение корпуса в экваториальной плоскости; естественное дробление в осевом направлении в зоне лазерной разметки полностью подавляется; развитие трещин, сформированных лазерной разметкой и превращение их в магистральные, на участки естественного взрывного разрушения не распространяются и не зависимо от последовательности взрывного нагружения, на этих участках наблюдается естественное дробление корпуса.
Научный интерес с точки зрения дополнения представлений о закономерностях процесса взрывного разрушения стальных корпусов и формирования поверхностей разрушения осколков имеет прикладное значение для обоснования конструктивных решений в процессе разработки конструкций, подвергаемых в процессе функционирования интенсивным динамическим нагрузкам [1]. Несомненно, важное значение имеет изучение закономерностей формирования трещин при взрывном нагружении корпуса с целью получения возможности управления этим процессом.
Целью работы являлось изучение влияния продольных трещин на характеристики взрывного разрушения корпуса, оценка возможности реализации искуственно сформированной продольной трещины на участке корпуса с естественным дроблением, а также возможности управления параметрами разрушения стальных корпусов на основе применения продольной лазерной разметки корпуса.
Воздействие на сталь сфокусированного лазерного излучения в течении короткого времени ^ ~
10-3...10-2 ^ c радиусом фокусировки (1...3)10-3 мм, интенсивностью q ~ 105 Вт\см2 с приводит к формированию на её поверхности зоны лазерной закалки, которая имеет мелкодисперсную мартенситную структуру повышенной твердости и хрупкости. При используемых режимах лазерного облучения корпусов скорость нагрева достигает значений 105.. 108 °С/с. Скорость охлаждения в диапазоне температур кристаллизации составляет несколько тысяч градусов в секунду, а при температурах, меньших температуры закалки, значительно превышает критические значения ^хл ~ 500°С/с, необходимые для мартенсит-ных превращений. Формируемая при этом зона лазерной закалки состоит из зоны закалки расплава и зоны закалки твердой фазы, примыкающей к основному металлу. Вследствие этого, зона лазерной закалки имеет высокую чувствительность к взрывному нагружению корпуса и является структурным концентратором растягивающих напряжений. В этой зоне происходит зарождение разрушения, дальнейшее развитие которого определяется свойствами металла, геометрическими параметрами корпуса и условиями его взрывного нагружения [2].
Структурные и динамические концентраторы могут быть использованы для изменения протекания начального этапа процесса взрывного нагружения с целью формирования искусственной продольной трещины в стенке корпуса.
При инициировании разрывного заряда в корпусе формируется ударная волна. В зоне лазерной закалки инициируется разрушение при выходе её на внешнюю поверхность корпуса. Известно [2,3], что разрушение корпусов осколочных снарядов с лазерной осколочной сеткой при толщине стенки 3..15мм всегда начинается в зоне лазерной закалки, а образование трещины в этой зоне происходит практически одновременно с отражением ударной волны от внешней поверхности. Это объясняется тем, что в зоне лазерной закалки формируется мартенситная структура металла. Вследствие её большого удельного объема в металле возникают напряжения, величина которых может достигать 30 процентов о0.2
В зоне лазерной закалки работа разрушения металла снижается примерно в 7 раз [2,3]. Вследствие этого, зона лазерной закалки имеет высокую чувствительность к взрывному нагружению корпуса и является структурным концентратором растягивающих напряжений. Трещина из области лазерной закалки развивается в радиальном направлении до встречи с областью пластического течения хрупко, а микротрещины, возникающие в результате естественного дробления, не успевают зародиться и развиться, то есть естественное дробление подавляется.
Оценка влияния длины продольной лазерной разметки на характеристики разрушения проводились экспериментально на макетных подрывом в бронекамере. В качестве улавливающей среды использовались древесные опилки.
Геометрические размеры макетов следующие: d0 = 45мм; 50 = 7,5мм; ^ 150мм; dвв = 30мм; hк =
15мм; hд = 30мм; ^в = 105мм. В качестве взрывчатого вещества (ВВ) использовался ТНТ ( рвв=1,56
Г м
—^ ; D=6700 — ). Проведено четыре варианта экспериментов, 1 вариант - на корпусе макета лазерная см с
разметка отсутствует; 2 вариант - продольная разметка нанесена по всей длине корпуса; 3 вариант -продольная разметка нанесена от верхнего торца до середины корпуса; 4 вариант - лазерная разметка нанесена от середины корпуса до дна.
Корпуса макетов изготавливается штамповкой из стали марки С-60 с последующей механической обработкой. Режим термической обработки корпуса макета (закалка и отпуск) обеспечивал сорбитно-
троститную структуру металла, вследствие чего обеспечивался сдвиговый характер взрывного разрушения корпуса. Лазерная разметка наносилась на внешней стороне макета вдоль образующей корпуса, количество линий - 14, на расстояние 10 мм .
Варианты № 3 и № 4 обеспечивали различную последовательность взрывного нагружения участков
корпуса с лазерной разметкой и без неё. Это позволило проследить распространение искусственно сформированной продольной трещины как на участки стенки корпуса, не подвергнутые, так и подвергнутые предварительному взрывному нагружению.
Фотографии осколочных спектров представлены на рис. 1, а результаты обработки осколочных спектров показаны в табл. 1
Оценивался характер разрушения корпуса, количество осколков, распределение их по массе и геометрическая форма.
Таблица 1
Вариант АТ , шт N 0.25 Шоо.25 ,г N0.5 ,шт Шо.5 ,г
1 444 1,4 228 2,83
2 214 3,1 190 3,44
Из предоставленных результатов испытаний следует, что лазерная разметка на всю длину корпуса (рис. 1б; табл. 1,вар. 2) обеспечила взрывное разрушение корпуса с образованием преимущественно
осколков удлиненной формы основного спектра длиной, соответствующей длине каморы и шириной соответствующей расстоянию между линиями лазерной разметки. Естественное дробление в осевом направлении практически полностью подавлено.
Для вариантов экспериментов с лазерной разметкой на половину длины корпуса макета, развития искусственно сформированных в зоне лазерной закалки трещин на участки естественного дробления не произошло, независимо от последовательности взрывного нагружения размеченного и неразмеченного участков.
Наличие и длина продольной лазерной разметки определяет интенсивность взрывного разрушения корпуса. При этом по сравнению с естественным разрушением корпуса при взрыве минимальная интенсивность наблюдается в случае нанесения лазерной разметки на всю длину корпуса. При нанесении лазерной разметки на 0,5 длины корпуса независимо от последовательности взрывного нагружения размеченного и неразмеченного участков интенсивность разрушения занимает промежуточное значение между вариантом без разметки и с лазерной разметкой на всю длину корпуса
На рис. 1а и рис.1б показаны осколки корпуса макетов естественного дробления и сформированные за счет лазерной разметки.
а
зя?.2
г
Рис. 1. Влияние продольной лазерной разметки на характер взрывного разрушения корпуса. а) Корпус макета без лазерной разметки; б) Корпус с лазерной разметкой по всей длине корпуса; в) Корпус с лазерной разметкой на половину длины корпуса от точки инициирования; г) Корпус с лазерной разметкой на половину длины корпуса от середины до донной части.
Фрактографическими и металлографическими исследованиями осколков установлено, что продольная лазерная разметка предопределяет взрывное разрушение корпуса в экваториальной плоскости в зоне поперечного сечения осколков. При этом в зоне лазерной разметки, прилегающей к внешней поверхности, характер разрушения корпуса с преимущественно сдвигового меняется на отрывной и насыщенность осколков декструктирующими трещинами уменьшается.
Произведена экспериментальная оценка влияния продольной лазерной разметки корпуса на характеристики взрывного разрушения. Установлена возможность управления параметрами осколочности на основе изменения длины продольной лазерной разметки корпуса. Получены данные опровергающие гипотезу о развитии магистральных трещин [4,5].. Установлено, что развитие трещин, сформированных лазерной разметкой, на участки естественного взрывного разрушения не происходит и не зависимо от последовательности взрывного нагружения, на этих участках наблюдается естественное дробление корпуса. Установлено изменение характера разрушения стенки корпуса в зоне прилегающей к внешней поверхно-
сти. Для исследуемого материала корпуса без лазерной разметки он преимущественно сдвиговый, а в месте лазерной разметки - отрывной. Применение зон лазерной закалки в различных вариациях может быть использовано для изменения протекания начального этапа взрывного нагружения непосредственно после выхода ударной волны на внешнюю поверхность корпуса.
Таким образом:
- продольная лазерная разметка предопределяет взрывное разрушение корпуса в экваториальной плоскости;
- естественное дробление в осевом направлении в зоне лазерной разметки полностью подавляется;
- развитие трещин, сформированных лазерной разметкой и превращение их в магистральные, на
участки естественного взрывного разрушения не распространяются и не зависимо от последовательности взрывного нагружения, на этих участках наблюдается естественное дробление корпуса.
Литература
1. Физика взрыва. Под редакцией Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, перераб. в 2т. Т.2. - М.; ФИЗМАТЛИТ,
2002. - 656с.
2. Средства поражения и боеприпасы. Учебник / Под общей редакцией В.В. Селиванова;.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 984с.
3. Криштал М.А. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера / М. А. Криштал, А.А. Жуков, А.Н. Кокора. - М.: Металлургия, 1973.
4. Одинцов В.А. Метание и разрушение оболочек продуктами детонации / В.А. Одинцов. - М.: ЦНИ-
ИНТИ, 1976. -144с.
5. Одинцов В.А. Развитие поврежденности в стенке цилиндра при динамическом нагружении / В.А.
Одинцов // Механика импульсных процессов: Тр. МВТУ. № 436. - М.: МВТУ, 1985. - с.30,,,40.
