Реферат: Ударные волны

Приращение внутренней энергии DE при ударном нагружении твердого тела характеризуется площадью, ограниченной кривой аb (рис.1). Часть энергии DU₀ , которой в координатах p-V соответствует площадь, ограниченная кривой «холодного» сжатия p_x (V), является упругой составляющей и не связана с изменением температуры материала. Разность DU_D = DE - DU₀ определяет приращение тепловой энергии, которая расходуется на нагрев материала при адиабатическом сжатии. В металле, сжимаемом ударной волной, выделение теплоты вызывает сжатие металла до состояния повышенной плотности и пластической деформации металла в условиях, близких к адиабатическим из-за кратковременности процесса ударного сжатия.

Рис. 1. Диаграмма ударного сжатия(p_Г – адиабата Гюгонио; p_x – кривая «холодного» сжатия при T=0К)

Аналогично внутренней энергии давление на ударной адиабате (2.3) можно представить в виде двух слагаемых: упругого («холодного») p_x и теплового p_T давлений. Так как p_x (V) = = - (dU₀ / dV) и p_T (V, T) = ГU_D / V , то

p = p_x (V) + Г(E - U₀ ) / V (2.4)

Параметр Г не зависит от температуры, а его значение можно оценить из следующих соображений. Запишем уравнение состояния (2.4) в виде

p + dU₀ / dV = Г(E - U₀ ) / V . (2.5)

Подставив в него выражение для энергии (1.3) при условиях E₀ = U₀ и при p>> p₀ получим уравнение:

V dU₀ / dV + Г U₀ = - {Г p_Г (V)V / 2}{1 + 2 / Г + V₀ / V} , (2.6)

где p(V) заменяется на экспериментальное уравнение адиабаты ударного нагружения p_Г .

Параметр Грюнайзена Г определим путем сравнения двух состояний, соответствующих ударному сжатию сплошного и пористого металлов, до одного и того же объема V₁ . Так как разность давлений Dp = p₂ – p₁ вызвана разностью тепловых энергий D U_D = E₂ - E₁ = 0,5[p₂ (V₀₀ - V₀ ) - p₁ (V₀ - V₁ )], где V₀₀ - начальный удельный объем пористого металла, то Dp = D p_Г . Тогда в соответствии с определением параметра Грюнайзена получим:

Г = V₁ D p_T / D U_D = 2 / (p₂ V₀₀ - p₂ V₀ ) / [V₁ (p₂ - p₁ )]^-1 , (2.7)

причем для металлов Г ~ 1,6 .... 2 .

Общие принципы построения уравнения состояния твердого тела по данным испытаний на динамическое сжатие основаны на следующих допущениях: а) измеряемые величины p, V, E соответствуют состоянию мгновенного термодинамического равновесия; б) деформации сжатия при данном ударном давлении и эквивалентном гидростатическом давлении тождественны. Первое условие выполняется в элементарном объеме, если термодинамическое равновесие устанавливается за время прохождения ударной волны этого объема (приблизительно 10^-7 с).

Для установления уравнения состояния недостаточно знать адиабату ударного нагружения p_Г (V), так как при умеренных температурах и давлениях до 10² ГПа уравнение состояния характеризуется нулевой изотермой p_x (V) и параметром Грюнайзена Г(V), для которых предполагается существование взаимной связи Г = Г(p_x ) .

Полная работа, сообщенная единице массы при импульсном нагружении, равна p(V - V₀ ). Половина этой работы согласно законам сохранения массы и количества движения (1.1) - (1.2) превращается в кинетическую энергию, а остальная часть идет на повышение внутренней удельной энергии:

E = 0,5p(V₀ - V) . (2.8)

Соотношение (2.8) является адиабатой ударного сжатия среды, в котором p обозначается через p_Г , чтобы отличить ударное сжатие от обычного.

Экспериментальные исследования показали, что при ударных давлениях p < 50 ГПа разогрев металла не оказывает существенного влияния на его свойства, поэтому при решении многих задач вместо уравнения (2.2) можно использовать более простое уравнение s = s(e) или s = s(p) .

Ударноволновое нагружение - частный случай динамического нагружения. Оно реализуется при взрыве и ударе, характеризуется очень быстрым приложением и кратковременным действием 10^-3 - 10^-6 с. нагрузки, а интенсивность воздействия достаточна для того, чтобы произвести большие изменения в теле вплоть до разрушения. При этом образуются изменяющиеся во времени области локальных напряжений и деформаций, способствующие инициированию процесса разрушения в одной части тела независимо от того, что происходит в другой части.

Импульсное нагружение связано с распространением в теле волн напряжений, при этом тело поглощает значительную часть энергии нагружения, большая часть которой расходуется на неупругую деформацию, реализуемую в виде пластического формоизменения или в виде разрушения. Динамика дальнейшего развития разрушения определяется типом разрушения. Хрупкое разрушение представляет собой разрыв среды без предшествующей пластической деформации или с весьма малой долей этой деформации в области излома, фронт хрупкого разрушения (или хрупкая трещина) распространяется с большой скоростью и требует мало энергии. Вязкое разрушение сопровождается интенсивной пластической деформацией, развитыми процессами скольжения и двойникования, происходящих со скоростью зависящей от условий нагружения и требует для своего развития значительных затрат энергии.

Вид макроскопических пластических деформаций тела при его импульсном нагружении определяется механическими свойствами среды, которые зависят от температуры, скорости нагружения, истории деформации и др. При деформации среды макроскопические дефекты растут и возникают новые дефекты, способствующие нарушению сплошности среды и полному разрушению тела. Состояние материала в этом случае можно охарактеризовать коэффициентом деструкции Д, причем Д = 0 в начальном состоянии и Д = 1 в момент разрушения, т.е. 0 <= Д <= 1. Это означает, что единый процесс деформации и разрушения при импульсном нагружении протекает в две стадии: первая характеризуется дроблением кристаллических блоков, вторая связана с развитием потери сплошности среды и уменьшением ее плотности. Образующиеся повреждения подразделяются на рассеянные дефекты, колонии малых дефектов и магистральные трещины, появляющиеся в финале процесса разрушения.