Разрушение конструкционных материалов и композитов при высокоскоростном соударении

УДК 531.66; 539.3

РАЗРУШЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОМПОЗИТОВ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ СОУДАРЕНИИ

© В.Ф. Толкачев, В.В. Жейков

Ключевые слова: ударник; преграда; композиты; высокоскоростное деформирование; разрушение; фрагментация. Исследованы физические особенности деформирования и разрушения ударников из композиционных материалов при высокоскоростном взаимодействии с комбинированными преградами. Установлено, что за счет интенсивного дробления СВС-ударников за пластинами можно ожидать высокую эффективность воздействия осколочного потока на конструктивные элементы последующей защиты и особенно приборные отсеки.

Возможности разработки и модернизации образцов высокоэффективных ударников из традиционных высокопрочных сталей и высокоплотных сплавов при функционировании их в условиях высокоскоростного удара к настоящему времени исчерпаны. Перспективным направлением усиления проникающей способности ударников кинетического действия является применение материалов комбинированного строения на основе тугоплавких соединений либо неклассических материалов, например, пористого материала с низкой удельной плотностью [1].

В статье представлены результаты исследования физических особенностей деформирования и разрушения ударников из композиционных материалов при высокоскоростном взаимодействии с комбинированными преградами, которые направлены на достижение эффективности проникания в преграды и повышения характеристик потока осколков за преградой.

Ударники изготовлены из материалов с отличающимися физико-механическими характеристиками: из стали марки ШХ-15 (плотность - р = 13,3 г/см3, твердость по Роквеллу - HRC = 82); из штатного спеченного сплава ВК-15 (р = 14,5 г/см3, HRC = 90); литые твердосплавные на основе вольфрама (р = 13,3 г/см3, HRC = 82), изготовленные методом самораспространяюще-гося высокотемпературного синтеза (СВС-метод). Оптимизированный состав реагентов исходной шихты включал; вольфрамовый ангидрид WOз; кобальта закись-окись CoзO4; алюминий А1; графит и др.

Метание ударников производилось из гладкоствольной пороховой установки. В качестве преград использовались стальные пластины (НВ 400) толщиной Ь = 21 мм и Ь = 40 мм. Динамика высокоскоростного взаимодействия ударника с преградой (угол подхода в нормаль и под углом 60°, характер деформирования и разрушения материалов, формирование и разлет потока осколков за тыльной поверхностью пластин и т. д.), угловые и кинематические параметров потока осколков регистрировались контактными и безконтактными датчиками, и рентгеноимпульсной съемкой [2].

Выявлены закономерности процесса деформирования и разрушения ударников и преград при различных условиях высокоскоростного соударения. В опытах установлено, что при пробитии пластин толщиной

21 мм в нормаль для ударника ШХ-15 предельная скорость пробития (ПСП) составляет 1050 м/с, а для СВС-ударника 610 м/с, а для ВК-ударников - 480 м/с (рис. 1). Эта тенденция сохраняется и при ударе под углом а = 60°.

• вк 1

А СВС

о ШХ15 У ДҐ 3 сг''

/ К /У /

ПСП У А /пси

О 500 1000 V,,, м/с

Рис.1. Предельная и остаточная скорость ударников за пластиной толщиной 21 мм от скорости удара

Динамика деформирования и разрушения ударников и тыльных слоев стальных пластин исследовалась по рентгенограммам, полученным в различные моменты реального времени. На рис. 2 представлена характерная рентгенограмма разрушения тыльной поверхности пластины при пробитии ударником ШХ-15 при скорости V,) = 1370 м/c в момент времени 90 мкс.

Рис. 2. Рентгенограмма разрушения тыльной поверхности стальной пластины и ударника из стали ШХ-15; справа - вид отверстия в пластине и «пробки»

Головная часть ударника значительно деформирована, что отчетливо просматривается на рентгенограмме. Разрушение преграды происходит по типу «срезания пробки» (адиабатический сдвиг) и зона разрушения соизмерима с диаметром ударника [3]. Запреградный

1741

поток включает относительно крупный фрагмент плиты (пробка) и остаток сработавшегося сердечника. На рис. 2 (справа) представлена фотография характерного разрушения пластины по типу «срезания пробки» при ударе стальными ударником. Отмечены значительные различия в характере разрушения как пластин, так и ударников. Стальной ударник срабатывается хрупко в головной части при скоростях удара, близких к предельным скоростям пробития пластин, однако остаток ударника, как правило, остается цельным.

Анализ результатов исследований показал, что твердосплавные СВС-ударники имеют заметное преимущество перед стальными ШХ-15-ударниками (рис. 1). СВС-ударник после пробития пластин разрушается на множество мелких осколков, образующих эффективный поток осколков за преградой с высокой пространственной плотностью. Кроме того, установлено, что СВС-ударники лучше «закусывают» материал преграды при больших углах встречи, что способствует понижению начальных условий рикошетирования. На рис. 3 приведена рентгенограмма осколочного потока за преградой при пробитии пластины СВС-ударником при скорости У0 = 916 м/с. Разрушение пластин характеризуется тыльным отколом, проявляющимся в отрыве слоя материала по окружности в 2,0...3,0 раза больше диаметра отверстия. Фрагменты «откольной тарелочки» представлены на рис. 3 - справа.

Рентгенограммы процесса взаимодействия и визуальное наблюдение преград после взаимодействия с ВК-ударниками свидетельствуют о разрушении по типу срезания пробки и отрывного откольного разрушения, причем отделение с тыльной поверхности пластины откольной «тарелочки» происходит после выхода ударника за тыльный срез пластины. В результате взаимодействия с ударниками откольная «тарелочки» перфорирована по центру.

Рис. 3. Рентгенограмма потока осколков за пластиной при ударе СВС-сердечником, и вид тыльного откольного разрушения пластины

т1 = 90 мкс

т2 = 130 мкс

Рис. 4. Рентгенограммы потока осколков за стальной пластиной при ударе ВК-ударником

С увеличением скорости взаимодействия усиливается интенсивность дробления ВК-ударников и разрушение откольных тарелочек за счет радиальных разры-

вов. За преградой формируется мощный запреградный поток вторичных осколков высокой пространственной плотности. Рентгенограммы, представленные на рис. 4, иллюстрируют динамику развития потока осколков в моменты времени т = 90 мкс и т2 = 130 мкс от начала взаимодействия за пластиной толщиной 21 мм при ударе по ней ВК-ударником со скоростью Vo = 898 м/с. Фрагменты раздробренной откольной тарелки подобны приведенным на рис. 3.

Анализ результатов исследований свидетельствует о том, что разрушение пластин как под действием ВК-ударников, так и СВС-ударников первоначально во времени происходит по типу выбивания пробки - сдвиговому механизму, и с некоторой задержкой во времени завершается процессом отрыва откольного разрушения. При относительно низких скоростях удара в области предельных скоростей сквозного пробития пластин процесс отрыва откольного слоя запаздывает во времени относительно времени внедрения ударника в преграду, в результате чего откольные тарелки перфорированы по центру вследствие срезания ее центральной части материала (выбивание пробки), а сами тарелочки деформированы в центральной части в направлении вектора скорости. При высоких скоростях удара усиливается интенсивность разрушающих напряжений, и откольные тарелочки подвергаются интенсивным радиальным разрывам, разрушаются на отдельные фрагменты, количество которых увеличивается с ростом скорости соударения. В исследованном диапазоне скоростей взаимодействия ударников с преградами диаметр откольного разрушения в пластинах изменяется слабо Ботк = (2,4-2,8)dc, а глубина откола изменяется в широком диапазоне йотк = (0,2-0,6)dc из-за неравномерного слияния микроразрушений при переходе в макротрещины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Афанасьева С.А., Белов Н.Н., Козорезов К.И. и др. Особенности высокоскоростного проникания сильно пористого ударника в мишени конечной толщины // Докл. РАН. 1997. Т. 355. № 2. С. 192-195.

2. Коняев А.А., Толкачев В.Ф., Зорин А.Ф., Назаров А.Г. Измерительно'-вычислительный комплекс для регистрации динамических характеристик материалов // Математическое моделирование процессов с синергетических материалах. Улан-Удэ; Томск, 1999. С. 206-208.

3. Горельский В.А., Радченко А.В., Толкачев В. Ф., Хорев И.Е. Кинетические механизмы перфорации пластин // Проблемы прочности. 1988. № 11. С. 77-80.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 13-08-00509_а).

Поступила в редакцию 1 0 апреля 201 3 г.

Tolkachev V.F., Zheykov V.V. DESTRUCTION OF CONSTRUCTION MATERIALS AND COMPOSITES AT HIGH VELOCITY IMPACT

The process of destruction and fragmentation composites at high velocity deformation is investigated. It is stated that the high effectiveness of interaction of splinter flow for bars on constructive elements of further protection and especially equipment bay can occur because of intensive fragmentation of SBS-projectiles.

Key words: projectile; targets; composites; high velocity deformation; destruction; fragmentation.

1742