Природа образования полос локализованной деформации при динамических нагрузках Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

ПРИРОДА ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛОС ЛОКАЛИЗОВАННОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

© А.Ф. Беликова, С.Н. Буравова, Ю.А. Гордополов, И.В. Сайков

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г.Черноголовка, Россия, e-mail: [email protected]

Ключевые слова: откол; интерференция; ударная волна; деформация.

Сопоставление волновой картины процесса с локализованными полосами пластической деформации на металлографических шлифах позволяет высказать гипотезу - причиной локализации деформации является интерференция волн разгрузки, когда напряжение в зоне растяжения не достигает откольной прочности материала.

ВВЕДЕНИЕ

Полосы локализованной деформации возникают во многих динамических явлениях. Такие полосы являются источником разрушения материала при эксплуатации, поэтому изучению этого явления посвящены многочисленные исследования [1-6]. Согласно распространенному мнению, причиной локализации деформации является термическое разупрочнение из-за нагрева материала в процессе неустойчивого пластического деформирования. По разным оценкам, максимальная температура в полосе достигает 450-550 °С [3]. Известно, что толщина сдвиговой полосы составляет 5-20 мкм [6]. Равноосные зерна внутри адиабатических полос сдвига имеют размер 0,05-0,2 мкм [4, 5]. Несмотря на детальный характер структурных исследований, причина его возникновения до сих пор оказывается не ясной.

В работе выдвигается гипотеза: полосы локализованной деформации (адиабатические полосы сдвига) являются результатом интерференции волн разгрузки, в зоне растяжения которых напряжение не превышает откольной прочности материала.

ДЕФОРМИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА УДАРНОЙ ВОЛНОЙ

Основным механизмом деформации при ударном нагружении является двойникование. Это связано, видимо, с нарушением симметрии кристаллической решетки. Толщина фронта ударной волны й, где происходит образование двойников, определенная методом отражения света [7], оказалась равной 0,01-0,001 длины волны видимого света X. Считая X ~ 500 нм, а ~ 0,5 нм, где а - параметр кристаллической решетки металла, можно оценить толщину фронта. Ударная волна одновременно деформирует около 10 атомных слоев. При этом структура материала характеризуется высокой степенью однородности распределения дефектов [2].

ОДНОМЕРНЫЙ ОТКОЛ

Повреждаемость материала при одномерном отколе возникает в результате интерференции торцевых волн разгрузки, когда влияние боковых волн исключено. На рис. 1 приведена фотография множественного откола. Видно, что в сопутствующих отколу микротрещинах (они же полосы локализованной деформации, адиабатические полосы сдвига, ножевые границы) нарушение сплошности не происходит, т. к. напряжение растяжения в зоне интерференции оказывается ниже откольной прочности. Ветвление микротрещин объясняется образованием блочной структуры с большеугловыми границами [8], поскольку ветвление призвано согласовать ориентацию субзерен с матричным материалом.

НЕОДНОМЕРНОЕ ОТКОЛЬНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ПРИ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

Разрушение поверхности при кавитационной эрозии представляет собой глубокие раковины, на дне которых наблюдаются одна или несколько колотых трещин. Повреждаемость от ударников ограниченных размеров отличается от одномерного откольного разрушения, поскольку возникает в результате фокусировки или интерференции боковых волн разгрузки. Рис. 2 иллюстрирует возникновение канальной продольной трещины в модельных экспериментах [9, 10]. При взаимодействии сферической ударной волны с поверхностью волна разгрузки появляется, когда скорость границы контактной поверхности становится меньше скорости звука. Фокусировка волн разгрузки создает канальную зону растягивающих напряжений. Перерождение микротрещин в канальный откол происходит в режиме динамической усталости. При повторных нагрузках вокруг канальной трещины формируются коаксиальные цилиндрические трещины. Координата точки возникновения волны разгрузки определяет размер зоны разрушения, формирующей будущую раковину.

Рис. 1. а) Одномерный откол; б) канальный откол

Рис. 2. Волновая картина, поясняющая образование цилиндрической откольной (микро, макро) трещины. 1 - ударная волна в снаряде, 2 - ударная волна в мишени, 3 - канальная откольная трещина, 4 - внутренняя волна разгрузки, 5 - цилиндрическая зона интерференции внутренней и боковой волн разгрузки, 6 - боковая

Адиабатические полосы сдвига при внедрении снаряда в преграду.

Впервые адиабатические полосы сдвига наблюдали при пробивании брони, где они формируют пробку, которая выбивается из преграды [1]. Однако образование полос локализованного сдвига за счет термического разуплотнения не может объяснить, почему интенсивные сдвиговые напряжения локализуются в однородном материале в очень тонких слоях. Процесс проникания снаряда в преграду, рассмотренный с учетом интерференции боковых волн разгрузки, оказался периодическим. Контактная поверхность подвергается динамическому воздействию неоднократно. При первом нагружении фокусировка боковых волн разгрузки создает канальную откольную трещину на оси симмет-

рии. При последующем импульсе канальная трещина становится источником внутренней волны разгрузки, и вокруг нее начинает генерироваться полоса сдвига в форме цилиндра. Экспериментальное моделирование подтверждает возникновение продольной откольной трещины вокруг искусственного канального отверстия в образце. Подробно процесс формирования цилиндрической трещины рассмотрен в [9, 10].

ЛИТЕРАТУРА

1. Мейерс М.А., Мурр Л.Е. Ударные волны и явления высокоскоростной деформации металлов. М.: Металлургия, 1984. С. 121-151.

2. Губарева Н.В., Соболенко Т.М., Тесленко Т.С. // ФГВ. 1977. № 4. С. 36-40.

3. Wang Xue-binTrans. Nonferrous Met. Soc. China. 2004. V. 14. No. 6, Dec. Р. 1062-1067.

4. Hwang B., Lee S., Kim Y.C., Kim N.J., Shin D.H. // Materials Science and Engineering: A. 2006, V. 441. Р. 308-320.

5. Lins J.F.C., H.R.Z, Kestenbach H.J., Raabe D., Vecchio K. S. // Materials Science and Engineering: A. 2007. V. 457. Р. 205-218.

6. Бондарь М.П., Первухина О.Л., Нестеренко В.Ф. // ФГВ. 1998. № 5. С. 122-129.

7. Буравова С.Н. //ПМТФ. 1964. № 6.

8. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Металлургия, 1986.

9. Буравова С.Н., Гордополов Ю.А. Природа образования полос адиабатического сдвига // ДАН. 2007. Т. 417. № 6. С. 1-4.

10. Буравова С.Н., Гордополов Ю.А., Петров Е.В., Полетаев А.В., Рихтер Д.В. // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 7. С. 7-12.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Belikova A.F., Buravova S.N., Gordopolov Yu.A., Saikov I.V. The nature of occurrence of localized deformation strips.

Comparison of a wave picture of process to the localized strips of plastic deformation on the metallographic sections allows stating a hypothesis - the reason of deformation localization is the rarefaction wave interference when the pressure in a stretching zone does not reach spall strength of a material.

Key words: spall; inference; focus ring; shock; deformation.