Исследование методом компьютерного моделирования защитных свойств конструкций, содержащих слой металлокерамики*

УДК 539.3

Н.Н. БЕЛОВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

Н.Т. ЮГОВ, докт. физ.-мат. наук, профессор,

А.Н. ТАБАЧЕНКО, канд. физ.-мат. наук, ст. научный сотрудник,

С.А. АФАНАСЬЕВА, канд. физ.-мат. наук, ст. научный сотрудник,

А.А. ЮГОВ, канд. техн. наук,

И.Н. АРХИПОВ, аспирант,

ТГАСУ, Томск

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИЙ, СОДЕРЖАЩИХ СЛОЙ МЕТАЛЛОКЕРАМИКИ*

В рамках механики сплошной среды в трехмерной постановке численным методом конечных элементов, модифицированным на решение задач удара и взрыва, приведено решение задачи об ударном взаимодействии сферического стального ударника массой 2 г с защитными многослойными конструкциями, содержащими слой металлокерамики на основе диборида титана и карбида бора. В диапазоне скоростей удара до 2 км/с исследовано влияние толщины и местоположения металлокерамического слоя на защитные свойства многослойной защитной конструкции.

Возможности традиционных высокопрочных сталей и сплавов для применения в качестве эффективных средств защиты и ударников с высокой проникающей способностью в условиях высокоскоростного соударения практически исчерпаны. Перспективным в данном направлении является создание металлокерамических материалов комбинированного строения на основе тугоплавких соединений методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Простота СВС-технологии позволяет получать материалы более высокого качества с высокой экономичностью и производительностью. Применение деформационного компактирования к разогретому за счет химической реакции продукту синтеза открывает путь к получению принципиально новых материалов с повышенными прочностными и специальными свойствами: высокопористых, слоистых, градиентных, градиентно-слоистых комбинированного строения и т. д., в том числе с высокотвердой керамической составляющей. Методика получения металлокерамических материалов методом СВС приведена в [1]. В ней также представлены полученная методом СВС-технологии металлокерамика на основе дибарида титана и карбида бора и результаты экспериментальных исследований её динамической прочности. Некоторые физико-механические характеристики металлокерамики на основе TiB2+B4C при различных долях металлической связующей, что проявляется в изменении плотности, приведены в табл. 1.

В таблице приняты следующие обозначения: р0 - плотность материала; С/, Ct - скорости распространения поперечных и продольных волн; с0 - объ-

* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 07-01-00414-а.

© Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, А.Н. Табаченко, С. А. Афанасьева, А.А. Югов, И.Н. Архипов, 2008

емная скорость звука; К - модуль объемного сжатия; ц0 - модуль сдвига; V -коэффициент Пуассона.

Таблица 1

Р0 , г/см3 /с м/ и С , км/с 1 Сй , км/с К, ГПа ^0 , ГПа V

3,18 10,5 5,81 8,13 204 104 0,28

3,5 10,5 6,89 6,9 167 166 0,12

3,8 11,1 7,82 9,5 160 160 -

Отличительной особенностью этого материала является его повышенная трещиностойкость по сравнению с керамикой оксида алюминия, карбида кремния или карбида бора. Это достигается путем введения в состав шихты пластической металлической составляющей с высокой адгезионной способностью. Введение металлической связки при сохранении высокой твердости, тугоплавкости, сравнительной легкости и износостойкости делает материал более пластичным, вязким, препятствует росту трещин при сжатии и особенно при растяжении, когда разрушение идет в основном по границам зерен. При распространении ударной волны в металлокерамике не наблюдается ярко выраженного упругого предвестника, что косвенно указывает на наличие вязкой составляющей.

Металлокерамика на основе Т1В2+В4С характеризуется также высокими защитными свойствами при ударе. На рис. 1 приведены рентгенограммы пробивания алюминиевой пластины (слева) стальном ударником диаметром 5,8 мм и массой 3,5 г с оживальной головной частью при скорости удара 763 м/с и тем же ударником металлокерамической пластины на основе Т1В2+В4С (справа) со скоростью 766 м/с [1].

Рис. 1. Пробивание алюминиевой и металлокерамической пластин стальным ударником

Разрушение алюминиевой пластины при внедрении ударника происходит по типу прокола, а сам ударник остается недеформированным. Остаточ-

ная скорость 724 м/с. При пробитии металлокерамической пластины формируется полусферический купол из разрушенной металлокерамики, вне зоны контакта пластина сохраняет целостность. Ударник интенсивно срабатывается в процессе взаимодействия, его остаток приобретает грибообразную форму. Остаточная скорость 552 м/с.

В табл. 2 представлены экспериментальные данные по пробитию слоистых конструкций, содержащих карбидную керамику А1203 и металлокерамику на основе Т1Б2+Б4С средней плотностью 3,5 г/см3.

Таблица 2

У0, км/с Тип преграды Ь, мм Ьк, мм Ьк экв, мм

1 2 3

1,37 Ст.30 П/б 48 48,0

1,381 А1203+ Ст.30 7,2 П/б 47 51,4

1,393 Ст.3+ А1203+Ст.30 3,3 7,2 П/б 42 48,7

1,369 Ст.3+ (Т1Б2+Б4С)+ Ст.30 3,3 9,7 П/б - 36,2

Лабораторные испытания проводились со стержневыми ударниками из высокоплотного сплава ВНЖ-90 длиной 60 и диаметром 6 мм. Преграда состоит из цилиндра из стали Ст.30 диаметром и высотой 120 мм - полубеско-нечная преграда (П/б), на которую с лицевой стороны приклеивается керамическая или металлокерамическая пластина, а также с лицевой стороны сборки располагается пластина из стали Ст.3. Экспериментальные данные Ьк - глубина кратера в стальной полубесконечной преграде и Ьк экв - глубина кратера в массовом стальном эквиваленте усреднены по нескольким опытам.

В [2-3] приведена математическая модель, позволяющая рассчитывать в данной металлокерамике напряженно-деформированное состояние и разрушение при взрывном и ударном нагружениях. В [3] решена задача о проникании ударника из металлокерамики в алюминиевую полубесконечную преграду. Ударник, имеющий форму параллелепипеда высотой 30 мм, в основании которого находится квадрат со стороной 9,3 мм, соударяется с алюминиевой полубесконечной плитой по нормали со скоростью 870 м/с. Различие расчета и эксперимента по глубине кратера составляет 3 %, по входному диаметру кратера - 30 %.

Защитные свойства металлокерамики исследовались на примере решения следующей задачи проектирования: разработать защитную конструкцию, способную эффективно противостоять удару стального поражающего элемента (ПЭ) сферической формы массой 2 г в диапазоне скоростей до 2 км/с. Защитная конструкция может состоять из слоев различных материалов, но по удельному весу не должна превышать эталонную преграду, состоящую из 10-миллиметрового дюралюминиевого слоя и 4-миллиметровой стальной подложки.

На рис. 2, а в момент времени 50 мкс приведена конфигурация стального элемента и эталонной преграды при соударении со скоростью 2 км/с. При данной скорости удара ПЭ пробивает эталонную мишень. Масса элемента после пробивания составляет 1 г, скорость - 407 м/с. На рис. 2, б в момент времени 19 мкс приведены конфигурации ПЭ и монолитной мишени из рассмотренной выше металлокерамики толщиной 14 мм. Скорость удара в данном варианте расчета и во всех последующих фиксирована и составляет 2 км/с. Как и следовало ожидать, вследствие высоких прочностных характеристик металлокерамики в первые микросекунды процесса соударения происходит сильная пластическая деформация элемента и его растекание по лицевой поверхности мишени. Как уже указывалось выше, металлокерамика разрушается хрупко.

Рис. 2. Конфигурации на момент окончания расчета стального сферического ударника и преград при соударении со скоростью 2 км/с:

а - преграда - алюминиевая мишень со стальной подложкой

Распространяющийся по мишени ударно-волновой фронт приводит к росту микротрещин. При выходе его на тыльную поверхность в мишени формируется волна разгрузки достаточно высокой интенсивности, которая приводит к фрагментации поврежденного материала и откольному разрушению. В момент времени 10 мкс область откольного разрушения в мишени достигает кратера. Образуется сквозное отверстие. После пробития мишени элемент имеет массу 0,9 г и остаточную скорость 150 м/с.

Для устранения откольного эффекта на тыльную поверхность мишени помещалась 3-миллиметровая титановая подложка. Для того, чтобы не выйти за пределы весового эквивалента, толщина металлокерамического слоя была уменьшена до 7 мм (рис. 3, а). Титановая подложка исключила тыльный откол в металлокерамике и заставила металлокерамический слой работать на сопротивление внедряющемуся элементу. В результате этого ПЭ не пробил данную сложную преграду, а застрял в ней. Остаточная масса ПЭ составила 0,6 г.

Рис. 3. Конфигурации на момент окончания расчета стального сферического ударника и металлокерамической мишени с титановой подложкой:

а - толщина металлокерамического слоя - 7 мм, титановой подложки - 3 мм; б -толщина металлокерамического слоя - 10 мм, титановой подложки - 2 мм

Таким образом, введение 3-миллиметровой титановой подложки приводит к тому, что ударник не пробивает преграду. Вместе с тем из рисунка видно, что к моменту времени 22 мкс, когда ударник остановился, металлокерамический слой под ударником разрушен, а ударник застрял в титановой подложке. Кроме того, отмечается достаточно большое выпучивание тыльной поверхности титановой подложки.

На рис. 3, б представлена двухслойная мишень, у которой толщина титановой подложки 2 мм, а высота металлокерамического слоя увеличена до 10 мм ( = 21 мкс). Вес рассматриваемой конструкции не превышает эталонного, составляя 0,74 части от него. Остаточная масса застрявшего ПЭ составила 0,7 г. В данной конструкции полностью отсутствует выпучивание в тыльной подложке.

Кроме того, были проведены численные исследования различных конструкций слоистых преград, в состав которых наряду с металлокерамикой

и титаном входила сталь, используемая в качестве материала как для лицевых накладок, так и для тыльных подложек. Рассматриваемые конструкции преград незначительно превышают весовой эквивалент, но для понимания физики происходящих ударно-волновых и деформационных процессов в соударяющихся телах представляют большой интерес.

На рис. 4, а в момент времени 24 мкс приведена мишень, состоящая из 10-миллиметрового слоя металлокерамики и 4-миллиметровой стальной накладки.

Рис. 4. Конфигурации на момент окончания расчета стального сферического ударника и двухслойных мишеней при соударении со скоростью 2 км/с: а - толщина стальной накладки - 4 мм, металлокерамического слоя - 10 мм; б -толщина стальной подложки - 4 мм, металлокерамического слоя - 10 мм

ПЭ при взаимодействии с данной защитной конструкцией сильно деформируется и в момент времени 10 мкс полностью останавливается в стальном слое. Остаточная масса ПЭ составляет 0,8 г. Отсутствие тыльной подложки приводит к сильнейшему отколу, осколки которого по эффективности действия сравнимы с самим ПЭ при пробитии подобных преград. Вес преграды в данном случае составляет 1,12 часть относительного весового эквивалента. На рис. 4, б стальная пластина использована в качестве подложки. Данный случай представляет собой усиленный вариант преграды, в которой титановый слой заменен стальным. Пробитие конструкции не происходит. Остаточная масса ударника 0,8 г.

Рис. 5 иллюстрирует особенности ударного взаимодействия сферического поражающего элемента с трехслойными мишенями.

Рис. 5. Конфигурации на момент окончания расчета стального сферического ударника и трехслойных мишеней при соударении со скоростью 2 км/с

Во всех приведенных ниже вариантах расчета толщины слоев зафиксированы. Толщина стального слоя - 4, титанового - 2 , металлокерамического -8 мм. Вес конструкции при данных габаритах превышает вес эквивалентной мишени в 1,15 раза. В расчете исследовалось влияние местоположения слоев на защитные свойства конструкции.

Если в качестве первого защитного слоя использовать стальной лист, то сферический ударник застревает в нем (рис. 5, а). Масса оставшейся части -0,8 г. На рис. 5, б приведена защитная конструкция, в которой в качестве первого слоя используется титановый лист, а в качестве подложки - стальной. Принципиальным отличием данного расчета от всех предыдущих является то, что периодическое отражение волн сжатия и разгрузки от стальной подложки и титановой накладки приводит к интенсивному разрушению металлокерамического слоя. Остаточная масса ПЭ в данном случае меньше, чем в предыдущем варианте, и составляет 0,6 г.

При использовании в качестве подложки одновременно титанового и стального листов происходит сильное разрушение металлокерамического слоя на границе с титановым листом (рис. 5, в). Пробитие защитной конструкции не происходит, остаточная масса ударника 0,7 г.

Таким образом, проведенное исследование показывает, что разработанная на основе диборида титана и карбида бора металлокерамика может быть

успешно использована при проектировании защитных конструкций от ударно-волновых воздействий.

Библиографический список

1. Особенности деформирования и разрушения металлокерамических материалов при высокопрочном соударении / С.А. Афанасьева, Н.Н. Белов, А.А. Коняев [и д.р.] // Механика композиционных материалов и конструкций. - 2002. - Т.8. - № 3. - С. 323-324.

2. Математическое моделирование процессов деформирования и разрушения металлокерамики в условиях динамического нагружения / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, А.Н. Табаченко [и д.р.] // Изв. высш. учеб. заведений. Физика. - 2002. - Т. 44. - Вып. 8. - С. 54-62.

3. Динамика высокоскоростного удара и сопутствующие физические явления / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница [и др.]. - Northampton; Томск: : STT, 2005. - 356 с.

N.N. BELOV, N.T. YUGOV, A.N. TABACHENKO, C.A. AFANASJEVA,

A.A. YUGOV, I.H. ARHIPOV

COMPUTER MODELING METHOD OF THE RESEARCH OF PROTECTIVE PROPERTIES OF CONSTRUCTIONS CONTAINING THE METAL-CERAMICS LAYER

The task solution on impact interaction of spherical steel projectile (mass 2 g) with protective sandwich structures containing the layer of cermets on basis of diboride titan and boron carbide was carried out within the framework of the continuum mechanics. The influence of thickness and position of metal-ceramics layer on the protective property of multy-layer protective structure in velocity range of impact 2 m/s are investigated.