Физика металлов и металловедение, 2021, T. 122, № 6, стр. 608-613

Деформация оболочек

В ранее выполненной работе [7] было показано, что медная оболочка таких же размеров как в настоящей работе при слабой интенсивности нагружения (при толщине слоя ВВ 2 мм) разделилась при отколе на два кольца, и внутреннее кольцо не сошлось. Этот результат аналогичен полученному при схождения откольных слоев в стальных оболочках [8].

В оболочке № 1 разделение на кольца не произошло, но образовались большие откольные полости, расположенные под выступами (рис. 1а). В центральной части оболочки высокоскоростная деформация привела к возникновению выбросов, аналогичных описанным в [7]. Выбросы имеют гидродинамическое происхождение [7, 9], но медь в выбросах не испытывала плавления. Микроструктура на участке выброса состоит из субзерен размером 200–400 нм. Субзерна бывают как равноосные (рис. 2а), так и удлиненные (рис. 2б). Полученная структура свидетельствует о том, что произошла большая пластическая деформация, как, например, в пластических струях при сварке взрывом, описанных Рыбиным [10].

Рис. 1.

Макроструктура оболочек в поперечном сечении. Оболочка № 1 (а), № 2 (б), № 3 (в), № 4 (г).

Рис. 2.

Электронно-микроскопические снимки структуры в участке выброса. Равноосные (а) и удлиненные (б) субзерна.

В оболочках № 2 и № 3, нагруженных по оптимальному режиму, разделение на кольца также не произошло, но возникли кольцевые зоны откольных повреждений, которые разделили оболочки на внутреннюю и наружную зоны (рис. 1б, 1в). В оболочке № 3 схождение внутренней зоны закончилось формированием фигуры в виде цветка (рис. 1в), как описано в [7]. Очевидно, что эта правильная фигура получилась в результате смыкания выбросов. В оболочке № 2 из-за нарушения симметрии вместо цветка возникли беспорядочные локализованные течения (рис. 1б). Заметим, что в центре оболочки № 3 осталась небольшая полость. При схождении оболочки № 4 (на участке оболочки, где не было разлета) полость отсутствовала (рис. 1г). В центре образовалась небольшая округлая зона, в которой началась рекристаллизация. Значит, температура в центре этой оболочки повысилась до ~500°С. Очевидно, что такая разница в схождении оболочек № 3 и № 4 связана с увеличением интенсивности нагружения. В остальном структура в приведенных поперечных сечениях хорошо воспроизводится.

Процесс схождения данных оболочек можно разделить на четыре стадии, как показано на схеме (рис. 3). В исходной оболочке (позиция 1) под действием ударной волны образуется зона откольных повреждений (позиция 2). Поры и трещины откольного происхождения располагаются в средней части по толщине оболочки. При дальнейшем инерционном схождении происходит высокоскоростная деформация меди (позиции 3–5). Оболочка становится толще, поэтому зона откольных явлений расширяется. Поры и трещины залечиваются при деформации, при этом формируется средняя зона хаотической деформации. Внутренняя и наружная поверхности оболочки теряют форму круга, возникают выступы и вмятины (позиция 3), происходит гофрирование. Это означает, что теряется устойчивость гладкого фронта деформации. Авторы [11] наблюдали такое явление при нагружении металлических труб с помощью высокого гидростатического давления. В нашем случае деформация является высокоскоростной, вследствие чего при схождении оболочек наблюдаются эффекты, связанные с высокой скоростью деформирования. В местах вмятин образуются полосы локализованной деформации, расположенные под углом 45 градусов к поверхности (позиция 3). При дальнейшем схождении указанные процессы продолжаются. Потеря устойчивости фронта деформации “усиливается”, на внутренней поверхности оболочки возникают выбросы – пластические струи (позиция 4). На последней стадии схождения выбросы сливаются (позиция 5), но сохраняются границы их соприкосновения, похожие на трещины. В центре полученного цилиндра температура повышается до температуры рекристаллизации меди, ~500°С (позиция 5). В центральной части цилиндра деформационная картина имеет вид цветка. Таким образом, потеря устойчивости фронта радиальной деформации осуществляется по двум структурным механизмам; назовем их деформационный и гидродинамический.

Рис. 3.

Схема процессов при схождении оболочки, представленная на секторе поперечного сечения.

На внешней поверхности первых трех оболочек образуются выступы и вмятины (рис. 1а–1в). Число выступов увеличивается с увеличением интенсивности нагружения (см. табл. 1), но их высота уменьшается. Эффект зависимости числа выступов от величины давления при гидростатическом обжатии металлических труб обсуждался в работе [12]. В оболочке № 4 выступы “сглаживаются”. При схождении массивной медной оболочки, при толщине слоя ВВ 40 мм, гофрирование поверхности не наблюдалось [5]. Следовательно, при достаточно большой интенсивности нагружения фронт деформации на внешней поверхности сходящейся оболочки не теряет устойчивость [9]. Из табл. 1 следует, что отношение числа выступов (1 : 1.5 : 2) приблизительно такое же, как отношение квадратов толщин слоев ВВ (1 : 1.4 : 1.8). Значит, число выступов при гофрировании данных оболочек приблизительно прямо пропорционально квадрату энергии, сообщенной оболочке при взрыве, и, следовательно, квадрату ее кинетической энергии. Этот результат важен для анализа устойчивости фронта деформации в процессе высокоскоростного схождения оболочек.

Рассмотрим, как происходит деформация при избытке подводимой энергии. На рис. 4а представлен внешний вид нагруженной оболочки № 4. Видно, что по длине оболочки возникло два участка разрушения (разлета), разделенных участками схождения. Положение центров участков разлета указано стрелками. Расстояние между центрами этих участков равно половине длины оболочки, 100 мм. В оболочке № 5 разлет привел к полному разрушению и распаду оболочки на части. Значит, на начальной стадии разлета процесс носит периодический (пульсирующий) характер, при котором участки полного схождения чередуются с участками разлета. На рис. 4б представлена макроструктура в поперечном сечении оболочки № 4 на участке разлета (сравн. с рис. 1г). Разлет происходит под действием растягивающих напряжений при отражении волн от центра схождения. Разрушение при разлете не имеет центральной симметрии, как могло быть при строгой симметрии нагружения в изотропном материале. Очевидно, что трещины возникают на ослабленных участках микроструктуры, в частности в средней зоне хаотической деформации, и в определенной степени наследуют картину схождения.

Рис. 4.

Внешний вид нагруженной оболочки № 4 (а) и макроструктура в поперечном сечении в месте разлета (б). Зоны разлета указаны стрелками.

Пульсирующий характер деформации при схождении цилиндрической оболочки под действием скользящей детонации в режиме нагружения с избытком энергии может быть объяснен попеременным возрастанием и сбросом напряжений в продольном (осевом) направлении. Существование таких напряжений приводит к деформации вдоль оси оболочки; эта деформация показана в [3]. Напряжения в продольном направлении складываются с радиальными, и повышают общий уровень напряжений. Таким образом проявляется потеря устойчивости фронта осевой деформации.

Откольные явления

В оболочках, нагруженных с недостатком и избытком подводимой энергии, были обнаружены особенности откольных явлений, не наблюдавшиеся ранее. В оболочке № 1 под выступами образовались большие откольные полости (рис. 1а). Данный эффект объясняется разной степенью деформации вдоль разных радиусов. Вдоль радиуса, соответствующего вмятине, скорость и степень деформации больше, чем вдоль радиуса, соответствующего выступу. Это приводит к тому, что в одних участках откол залечивается, а в других “растягивается”.

В оболочке № 4 были найдены три случая залечивания откольных пор, представленные на рис. 5. На рис. 5а показана вихревая деформация вокруг поры, которая приводит к “затеканию” материала в пору и ее заполнению. Такой способ залечивания описан в [7]. Другой случай показан на рис. 5б. При залечивании поры образовалась округлая область, заполненная столбчатыми кристаллами. Область обведена штриховой линией. Полученная структура указывает на то, что при залечивании происходило плавление и последующая кристаллизация меди. При локализации высокоскоростной деформации вокруг поры энергия деформирования перешла в теплоту, и залечивание (захлопывание) поры привело к повышению температуры до температуры плавления меди, 1083°С. Третий случай показан на рис. 5в. Круглая область, обведенная штриховой линией, заполнена по краям столбчатыми кристаллами. В центральной части области присутствует большое количество мелких пор размером от нескольких микрометров до десятков микрометров. Происхождение мелких пор может быть связано с усадкой при кристаллизации. Однако возможна другая причина. Столбчатые кристаллы по краям большой поры свидетельствуют о том, что медь плавилась. Температура расплава была выше температуры плавления меди. Так как внутри поры был вакуум, то на внутренней поверхности поры могло происходить кипение жидкой меди. Образовавшиеся при кипении пузырьки зафиксировались в материале в виде микропор при быстрой кристаллизации расплава. Таким образом, повышение температуры при захлопывании откольных пор может быть гораздо больше, чем в центре цилиндра при схождении оболочки.

Рис. 5.

Микроструктуры, образующиеся при залечивании откольных пор. Вихревая деформация (а), столбчатые кристаллы (б), столбчатые кристаллы и мелкие поры (в).