CC BY
51
УДК 621.7.044.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1365-1367
СВЕРХГЛУБОКОЕ ПРОНИКАНИЕ В СВЕТЕ АНАЛИЗА РАЗМЕРНОСТЕЙ
© В.С. Трофимов, Е.В. Петров, М.И. Алымов
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: [email protected]
Рассматривается основное предположение, на котором базируется большинство попыток объяснить явление, называемое сверхглубоким прониканием. Это предположение состоит в том, что внутри твердой сплошной среды могут двигаться мелкие, но макроскопические инородные частички. Показано, что это предположение не согласуется с экспериментальными данными. Поэтому предлагается альтернативное объяснение сверхглубокого проникания, согласно которому инородное вещество движется в преграде не в виде макроскопических частичек, а в виде групп разрозненных молекул внутри ударных фронтов под действием градиентов давления, т. е. посредством бародиффузии.
Ключевые слова: ударный фронт; размер частиц; сверхглубокое проникание; бародиффузия.
которых ударно-волновых процессах в конденсированных средах.
После указанных экспериментов на шлифах преграды удается проявить картину тонких следов, которые обычно заканчиваются образованиями, похожими на частички. Соответственно, среди исследователей возобладало мнение, что такие следы прочерчивают частички, которые во время опыта движутся в преграде. Много лет теоретики ищут объяснение такому движению макроскопических частичек [2]. Все объяснения явно или неявно опираются на предположение о том, что у мелких частичек предел текучести много выше, чем у сплошной среды, в которой они движутся. Кроме того, в каждом объяснении обнаруживаются внутренние противоречия. Например, утверждается, что твердая частичка, двигаясь в твердой среде без трения, тем не менее, может прочертить в ней след своим веществом [2].
Опираясь на анализ размерностей, рассмотрим возможность указанного движения макроскопических частичек сквозь твердую среду.
АНАЛИЗ РАЗМЕРНОСТЕЙ
Этот анализ проведем в предположении, на котором основаны уравнения механики сплошных сред [3]. А именно, будем предполагать, что разные по размеру, но одинаковые по химическому составу и внутреннему кристаллическому состоянию макроскопические физические тела при одинаковых внешних условиях характеризуются одинаковыми значениями интенсивных параметров.
Временно предположим, что при сверхглубоком проникании сквозь сплошную среду действительно движутся мелкие макроскопические твердые частички, и это движение описывается обычными уравнениями механики сплошных сред [3]. Рассмотрим трансформацию этих уравнений при изменении основных единиц измерения.
ВВЕДЕНИЕ
В семидесятых годах прошлого века С.М. Ушерен-ко открыл явление, названное сверхглубоким прониканием [1]. Это явление состоит в том, что при бомбардировке монолитной металлической преграды скоростным потоком (1-3 км/с) мелких (10-100 мкм), но макроскопических частичек их вещество внедряется в преграду на большую глубину, которая во много раз превосходит их размеры. На рис. 1 показана одна из простых схем постановки соответствующих экспериментов.
С момента открытия данное явление успешно используется при обработке материалов для придания им новых необычных свойств. Однако его природа все еще не выяснена. Можно рассчитывать, что изучение сверхглубокого проникания прольет свет на механизм сверхскоростного переноса вещества, наблюдаемого при не-
Рис. 1. Схема эксперимента по реализации сверхглубокого проникания: 1) детонатор; 2) заряд взрывчатого вещества; 3) воздушный зазор; 4) направляющий канал; 5) фиксирующее кольцо; 6) частицы порошка; 7) образец
ISSN 1810-0198. Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки
Сначала допустим, что диссипативные процессы отсутствуют.
Уменьшим единицы измерения длины [L] и времени [T] в одно и то же число - n раз, а единицы измерения массы [M] - в n3 раз. Тогда все величины, входящие в уравнения движения сплошной среды [3] не изменят своих значений. Это - скорость [L/T], плотность и объемные концентрации химических компонентов [M/L3], компоненты тензора напряжений и пределы текучести [M/(T3L)], а также безразмерные компоненты тензора деформаций. Соответственно, указанные уравнения в целом не изменятся. При этом численно в n раз увеличатся размеры рассматриваемых частичек.
Отсюда заключаем, что движение мелких и крупных макроскопических тел в одинаковых средах могут быть подобными. Поэтому, если возможно сверхглубокое проникание в сплошную среду мелких макроскопических частичек, то возможно такое же проникание в такую среду крупных тел.
Теперь учтем, что диссипативные процессы всегда существуют.
При уменьшении единиц измерения длины [L] и времени [T] в n раз, а единицы измерения массы [M] - в n3 раз численно увеличатся в n раз величины, определяющие интенсивность диссипативных процессов в сплошной среде. Это - коэффициенты диффузии [L2/T], вязкости [M/LT] и теплопроводности [ML/(T30)] (где 0 -размерность температуры), а также поверхностные натяжения [M/T2] на границах частичек, пор и трещин в сплошной среде, если они возникают. Отсюда следует, что движение в сплошных средах крупных тел и мелких частичек может быть подобным, если крупные тела будут двигаться в среде, у которой величины, определяющие интенсивность диссипативных процессов, в n раз больше, чем у среды, в которой движутся мелкие частички. Отсюда, в свою очередь, заключаем, что при движении в одной и той же сплошной среде диссипация механической энергии у крупных тел относительно меньше, чем у мелких частичек. Поэтому, если возможно сверхглубокое проникание в сплошную среду мелких макроскопических частичек, то тем более возможно такое же проникание в такую среду крупных тел.
Этот вывод явно противоречит данным эксперимента. Многие исследователи отмечают, что существует критический размер d = 10-4 м) проникающих частиц. Для частиц с d > явление сверхглубокого проникания не наблюдается [1-2; 4]. Следовательно, предположение о сверхглубоком проникании макроскопических частичек в сплошную среду противоречит основам механики сплошных сред [3].
В данной связи рассмотрим модель движения макроскопической частички в сплошной среде [2; 4], на доработку которой, по-видимому, рассчитывают многие исследователи сверхглубокого проникания. В этой модели предполагается, что каждая частичка за счет своей кинетической энергии пробивает себе дорогу в преграде. При этом сзади нее возникает канал. При его схлопывании возникает кумулятивная струя. Она догоняет частичку, подталкивает ее и возвращает ей затраченную энергию. Согласно [2; 4], такое движение возможно при определенном пространственном распределении давления, которое возникает в преграде в процессе ее бомбардировки потоком частичек.
Авторы данной модели не учитывают, что любое распределение давления, порождаемое в преграде по-
током бомбардирующих частичек, не является стационарным. Зона, в которой существует то распределение давления, которое предположительно необходимо для только что описанного движения частички, заведомо перемещается в преграде, как минимум, с местной скоростью звука, например, в стальной преграде она равна приблизительно 4 км/с. С такой скоростью должна двигаться в преграде рассматриваемая частичка, чтобы не выйти из этой зоны.
Согласно несложной оценке, при такой скорости перед частичкой в стальной преграде возникает ударная волна с амплитудой около 200 ГПа. Она в несколько раз превосходит теоретическую прочность аТ любого твердого тела. Например, в случае частички из вольфрама аТ = Е/(2п) = 60 гПа, где Е - модуль Юнга. Известные теоретические оценки показывают [5], что в частичках размером Ю^-10-4 м существуют дислокации, как во всех макроскопических твердых телах. Временное сопротивление (предел прочности) таких частичек ав на порядки меньше их теоретической прочности аТ. Поэтому при указанной скорости движения в сплошной среде эти частички заведомо разрушатся.
ВЫВОД
Согласно вышеизложенному, картину следов, возникающих в преграде при сверхглубоком проникании, необходимо объяснять принципиально по-другому. Такое объяснение предложено в работах [6-7]. Оно состоит в том, что сверхглубокое проникание инородного вещества в преграду происходит не в виде макроскопических частичек, а в виде разрозненных атомов или молекул, которые захватывают и переносят ударный фронт, распространяющийся в преграде. Эти атомы или молекулы движутся внутри ударного фронта по его ортогональным траекториям под действием существующего в нем градиента давления. Если ударный фронт захватывает сразу группу близко расположенных атомов или молекул примеси, то они движутся по близким траекториям как единое целое, подобно твердой частичке. Отдельные атомы или молекулы, выпадая из данной группы, образуют след. При уменьшении амплитуды ударного фронта до некоторого уровня из него выпадает сразу вся захваченная им группа атомов или молекул. Они путем обычной диффузии собираются в частичку.
Как известно [3], перенос примесных атомов или молекул в сплошной среде под действием градиента давления называют бародиффузией. Соответственно, описанный здесь механизм сверхглубокого проникания естественно называть бародиффузионным механизмом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ушеренко С.М. Сверхглубокое проникание частиц в преграды и создание композиционных материалов: монография. Минск: НИИ ИП с ОП, 1998. 210 с.
2. Роман О.В., Андилевко С.К, Карпенко С.С., Романов Г.С., Шил-кин В.А. Эффект сверхглубокого проникания. Современное состояние и перспективы // ИФЖ. 2002. Т. 75. № 4. С. 187-199.
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Наука, 1988. 736 с.
4. Альтшулер Л.В., Андилевко С.К., Романов Г.С., Ушеренко С.М. Обработка металлической преграды потоком порошковых частиц. Сверхглубокое проникание // ИФЖ. 1991. Т. 61. № 1. С. 41-45.
5. Алымов М.И. Порошковая металлургия нанокристаллических материалов. М.: Наука, 2007. 169 с.
6. Трофимов В.С., Петров Е.В. Бародиффузия как возможный единый механизм перемешивания компонентов смесевых реагирующих составов, скоростной диффузии в ампулах сохранения и явления сверхглубокого проникания // Сборник Взрывное дело.
7. Trofimov V.S. On the Nature of Shock-Induced Ultra deep Penetration of Matter into Solids // International Journal of Self Propagating High-Temperature Synthesis. 2013. V. 22. № 2. P. 125-128.
2Q12. № 1Q8/65. С. 51-65.
Поступила в редакцию 1Q апреля 2Q16 г.
UDC 621.7.044.2
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1365-1367
OVER-DEEP PENETRATION INTO THE LIGHT OF THE DIMENSIONAL ANALYSIS
© V.S. Trofimov, E.V. Petrov, M.I. Alymov
Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chemogolovka, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
The basic assumption on which is based the majority of attempts to explain the phenomenon called over-deep penetration is considered. This assumption is that inside the solid continuous medium can move small but macroscopic foreign particles. It is shown that this assumption is not consistent with the experimental data. Therefore, we propose an alternative explanation for over-deep penetration, according to which the foreign substance moves in the obstacle is not in the form of macroscopic particles, as well as groups of isolated molecules in the shock fronts by pressure gradients, i. e. by barodiffusion. Key words: shock front; particle size; over-deep penetration; barodiffusion.
1. Usherenko S.M. Sverkhglubokoe pronikanie chastits v pregrady i sozdanie kompozitsionnykh materialov. Minsk, Research Institute of Pulse Processes with Pilot Production, 1998. 210 p.
2. Roman O.V., Andilevko S.K., Karpenko S.S., Romanov G.S., Shilkin V.A. Effekt sverkhglubokogo pronikaniya. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal—Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2002, vol. 75, no. 4, pp. 187-199.
3. Landau L.D., Lifshits E.M. Mekhanika sploshnykh sred. Moscow, Nauka Publ., 1988. 736 p.
4. Al'tshuler L.V., Andilevko S.K., Romanov G.S., Usherenko S.M. Obrabotka metallicheskoy pregrady potokom poroshkovykh chastits. Sverkhglubokoe pronikanie. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal — Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 1991, vol. 61, no. 1, pp. 41-45.
5. Alymov M.I. Poroshkovaya metallurgiya nanokristallicheskikh materialov. Moscow, Nauka Publ., 2007. 169 p.
6. Trofimov V.S., Petrov E.V. Barodifiuziya kak vozmozhnyy edinyy mekhanizm peremeshivaniya komponentov smesevykh reagiruyush-chikh sostavov, skorostnoy diffuzii v ampulakh sokhraneniya i yavleniya sverkhglubokogo pronikaniya. Sbornik Vzryvnoe delo - Explosion technology, 2012, no. 108/65, pp. 51-65.
7. Trofimov V.S. On the Nature of Shock-Induced Ultra deep Penetration of Matter into Solids. International Journal of Self Propagating High-Temperature Synthesis, 2013, vol. 22, no. 2, pp. 125-128.
Received 10 April 2016
Трофимов Владимир Сергеевич, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Trofimov Vladimir Sergeevich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Leading Research Worker, e-mail: [email protected]
Петров Евгений Владимирович, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Petrov Evgeniy Vladimirovich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Technics, Senior Research Worker, e-mail: [email protected]
Алымов Михаил Иванович, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, профессор, член-корреспондент РАН, директор, e-mail: [email protected]
Alymov Mikhail Ivanovich, Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Professor, Correspondent Member RAS, Director, e-mail: [email protected]
REFERENCES
