СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
METHOD OF STUDY OF MATERIAL PROPERTIES UNDER DYNAMIC LOADING

Изобретение относится к области испытания материалов, к исследованиям поведения веществ при динамическом воздействии на них и может быть использовано в любой области техники, где необходимо знание, например, прочностных свойств перспективных конструкционных материалов, жидкостей, газов при динамических нагрузках.
Одной из актуальных задач, стоящих в рассматриваемой области техники, является обеспечение верификации моделирования поведения веществ при динамических нагрузках. Это напрямую связано с созданием необходимых полей напряжений сжатия, воздействующих на объект исследования.
Известны из предшествующего уровня техники способы исследования свойств материала при динамическом нагружении, например способ испытания материала на разрыв в условиях сложнонапряженного динамического нагружения по патенту RU 2221233 (публик. 10.01.2004). Способ заключается в воздействии на образец исследуемого материала ударной волной, создаваемой контактным взрывом заряда ВВ, размещенного в виде слоя на поверхности образца и инициируемого с одной стороны заряда, нахождении расстояния по линии инициирования до места зарождения откольной трещины, расчетном определении после нагружения давления в ударной волне в месте зарождения откольной трещины, по которому судят о прочности материала на разрыв, при этом нагружению подвергают образец цилиндрической формы, заряд ВВ размещают на его боковой поверхности в виде слоя возрастающей по длине образца толщины, инициирование осуществляют параллельно основанию образца, после нагружения образец разрезают вдоль оси и анализируют картину откольного разрушения, определяя расстояние до места зарождения трещины от оси образца.
Однако данный способ не обеспечивает создание требуемых полей напряжений сжатия на поверхности образца.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату от его использования является известный способ исследования свойств материала при динамическом нагружении цилиндрических образцов исследуемого материала из статьи «О некоторых эффектах, возникающих при взрывном обжатии вязкой цилиндрической оболочки» / журнал «ПМТФ», 1978 г., №3/. Способ включает выполнение образца исследуемого материала в форме полого цилиндра, окруженного слоем взрывчатого вещества (ВВ), размещение образца внутри металлической оболочки, которую выполняют в форме кругового усеченного конуса, окруженного также слоем ВВ, в котором со стороны торца меньшего диаметра инициируют детонацию, распространяющуюся в скользящем режиме по поверхности оболочки, обеспечивая продуктами взрыва ВВ ее перемещение в сторону образца. При столкновении оболочки со слоем ВВ, который окружает образец, ударно-волновой импульс усиливается и динамическое нагружение образца осуществляют усиленным импульсом. Далее по деформации образца определяют свойства исследуемого материала.
Недостатком ближайшего аналога является, прежде всего, то, что ударное воздействие приводит к откольному разрушению трубки, при этом имеют место очень высокие скорости деформации образца. Кроме того, имеет место неодновременный выход фронта ударной волны на поверхность образца. Все это дает возможность осуществить только рентгенографические исследования материалов и не позволяет сохранять образцы для других видов исследования, например для металлографии. Кроме того, динамическое нагружение образца ударно-волновым импульсом позволяет исследовать только сплошные среды.
Технический результат, получаемый в результате реализации предлагаемого изобретения, состоит в расширении функциональных возможностей способа, обеспечивающего возможность как для рентгенографических исследований, так и для металлографии, кроме того, нет ограничений на агрегатное состояние исследуемого материала. Способ позволяет осуществить динамическое нагружение не только сплошных сред, а также жидкостей и газов.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе исследования свойств материала при динамическом нагружении, включающем размещение образца исследуемого материала внутри металлической оболочки, которую выполняют в форме кругового усеченного конуса, окруженного слоем взрывчатого вещества (ВВ), в котором инициируют детонацию, распространяющуюся в скользящем режиме по поверхности оболочки, обеспечивая продуктами взрыва ВВ ее перемещение с последующим динамическим нагружением образца, по поведению которого определяют свойства исследуемого материала, при этом формируют взрывную волну на поверхности инертных слоев, которыми окружают образец, обеспечивая при их прохождении трансформацию ударно-волнового импульса в квазиизэнтропический импульс, которым воздействуют на образец, осуществляя его динамическое нагружение, причем толщину и материал инертных слоев подбирают исходя из условия обеспечения вдоль поверхности образца одновременности прихода импульса с требуемым для данного опыта распределением его интенсивности.
При исследовании сплошных сред образец из исследуемого материала может быть выполнен в виде сплошного цилиндра.
При исследовании жидких или газообразных сред их закачивают в инертную трубку, по деформации которой определяют свойства исследуемого материала.
Трансформация ударно-волнового импульса в квазиизэнтропический импульс за счет формирования взрывной волны на поверхности инертных слоев, которыми окружают образец, обеспечивает сохранность образца за счет снижения скоростей сжатия, дает возможность исследовать газы, исключить откольное разрушение образца.
Подбор толщины и материала инертных слоев, исходя из условия одновременности прихода импульса к поверхности образца или инертной трубки с требуемым распределением его интенсивности вдоль поверхности, дает возможность проводить исследования с заданным градиентом скоростей сжатия, получить динамическую картину изменения микроструктуры образца вследствие нагружения, например, при металлографических исследованиях.
Пример конкретного выполнения устройства, позволяющего осуществить заявляемый способ, представлен на фиг. 1, где: 1 - образец, 2 - инертные слои, 3 - металлическая оболочка, 4 - заряд ВВ, 5 - высокоскоростной инициатор, 6 - средство инициирования с детонационными каналами.
Рентгенограммы процесса динамического нагружения образца на различные моменты времени показаны на фиг. 2-6 (фиг. 2 на начальный момент времени; фиг. 3 - на момент времени 31 мкс; фиг. 4 - на момент времени 65 мкс; фиг. 5 - на момент времени 80 мкс; фиг. 6 - после воздействия).
0
Металлографирование образца после опыта было осуществлено в двух сечениях: в плоскости продольной оси (фиг. 7 и фиг. 8) и в кольцевом сечении (фиг. 9 и фиг. 10, 11). На фиг. 7 показана микроструктура образца в начальной стадии деформаций (изгиб). На фиг. 8 и фиг. 11 показаны зоны максимальных деформаций. На фиг. 9 показана форма зерен в сечении у внешней поверхности образца (деформация ε=ln(R/R)≈0,6), на фиг. 10 у внутренней границы (ε≈1,7).
Примером конкретного выполнения устройства, позволяющего осуществить заявляемый способ, может служить устройство для динамического нагружения образца из меди, который выполнен в виде трубки диаметром 35 мм и толщиной стенки 3,5 мм. Трубка окружена двумя слоями инертного материала, выполненными, начиная с наружного, из: фторопласта (3 мм) и пенопласта (7 мм). Между пенопластовым слоем и трубкой есть зазор 5 мм. Трубку с инертными слоями размещают в оболочке из меди толщиной 0,5 мм, выполненной в виде кругового усеченного конуса, на которую нанесен слой ВВ толщиной 2 мм. Оболочка выполняет роль ударника. Средство инициирования, установленное со стороны большего основания усеченного конуса, представляет собой сеть детонационных каналов, выполненных в пенопластовом основании, начальные участки которых объединены в общую начальную точку инициирования, детонационно связанную с высокоскоростным инициатором. Концевые участки каналов выходят на кольцевую поверхность, образованную по торцу металлической оболочки слоем ВВ. Высокоскоростной инициатор совмещен с начальной точкой инициирования и представляет собой капсюль-детонатор, выполненный, например, по патенту RU 2413166 (публик. 27.02.2011).
Заявляемый способ можно осуществить следующим образом.
При подаче электрического импульса на капсюль-детонатор 5 он срабатывает и задействует начальную точку инициирования детонационных каналов средства инициирования 6. Детонационный импульс по сети каналов, распространяясь к концевым участкам, передается слою ВВ 4 одновременно по всей кольцевой поверхности, задействуя его. Такое одновременное задействование позволяет задать требуемое направление движения взрывной волны. Инициирование ВВ осуществлялось скользящей детонационной волной по поверхности металлической оболочки 3. Продукты взрыва ВВ разгоняют металлическую оболочку 3, с помощью которой формируют ударную волну на поверхности инертных слоев 2, проходя которые осуществляется трансформация ударно-волнового импульса в квазиизоэнтропический импульс, которым обжимают образец 1. Инертные слои позволяют формировать требуемый фронт распространения воздействующего на образец импульса. Указанная выше толщина инертных слоев и выбранный материал обеспечивают вдоль поверхности образца одновременность прихода импульса с требуемым для данного опыта распределением его интенсивности.
Рентгенографирование образца проводилось до опыта (фиг. 2), во время (фиг. 3-5) и после проведения опыта (фиг. 6). Металлографирование образца было осуществлено после опыта (фиг. 7-11).
Параметры воздействующего импульса и исследуемая деформация образца, показанная на фиг. 3-6 (процесс деформации) и на фиг. 7-11 (деформация после проведения опыта),  позволяют наиболее точно определить характеристики исследуемого материала.
Таким образом, способ позволяет обеспечить воздействие на образец импульса с такими характеристиками, которые дают возможность наиболее точно проанализировать картину деформации образца при динамическом нагружении и более точно определить характеристики исследуемого материала в одном эксперименте.