Analysis of impact resistance for two groups of ceramic and composite materials.pdf Введение Возможности модернизации высокоэффективных защитных конструкций из традиционных материалов (сталь, титан, алюминий и их сплавы) при функционировании в условиях высокоскоростного удара к настоящему времени практически исчерпаны. В качестве дополнительных элементов конструктивно-компоновочных схем конструкций используются различные виды керамических и композитных материалов комбинированного строения (керметы, наноструктурные материалы) [1-5], которые обладают высокими прочностными характеристиками и являются одним из перспективных средств индивидуальной (человека) и локальной (технических средств) защиты от проникающего и разрушительного действия различных видов высокоскоростных ударников. К настоящему времени продолжаются активные комплексные экспериментальные и теоретические исследования ударно-волновых характеристик и параметров проникания с целью разработки физико-математических моделей деформирования и разрушения керамических и композитных материалов в условиях высокоскоростного нагружения. Применяемыми методами оценки характеристик 86 Зелепугин С.А., Толкачев В.Ф., Тырышкин И.М. Анализ эффективности противоударной стойкости высокоскоростного соударения являются экспериментальные исследования, аналитические расчеты, а также численное моделирование проникания ударников в преграды и конструкции, содержащие слои из металлов, керамик и композитов [3-7]. Следует отметить значительные успехи в численном моделировании поведения материалов при динамическом нагружении. Это обусловлено быстрым развитием вычислительных мощностей, созданием эффективных численных комплексов, разработкой новых методов и подходов. К эффективным программным комплексам следует отнести коммерческие пакеты ANSYS LS-DYNA/AUTODYN, ABAQUS и другие, уровень развития которых позволяет квалифицированному специалисту решать задачи повышенной сложности. Среди новых методов и подходов можно отметить методы подвижных клеточных автоматов [8], SPH [9], молекулярной динамики [10, 11]. Из подходов необходимо выделить многоуровневый подход с учетом структуры материала, в том числе на мезоуровне [12], а также вероятностный подход [13], который позволяет учитывать влияние структуры материала через варьирование прочностных характеристик на макроуровне. Однако эксперимент был и остается наиболее важным методом исследования поведения материалов при динамическом нагружении. Экспериментальные данные являются основой для валидации и верификации численных и аналитических моделей, методик и программных комплексов. Так, экспериментальные исследования подтверждают необходимость использования вероятностного подхода при анализе прочностных характеристик материалов [14]. Также в эксперименте удается зафиксировать уникальные особенности поведения материалов, которые не укладываются в общепринятые теоретические модели. К таким можно отнести асимметрию разрушения керамики при высокоскоростном ударе [15, 16], которая до сих пор не описана численно. При отборе наиболее эффективных керамик в составе комбинированных конструкций из имеющихся и вновь разрабатываемых материалов возникает задача сравнения их противоударной стойкости при варьировании начальных условий высокоскоростного удара компактными и стержневыми ударниками. При выявлении противоударной стойкости керамических материалов наиболее эффективны тесты на глубину проникания [17-19] или определение остаточной скорости ударника за преградой [20]. Цель данной работы - исследование разрушения керамических и композитных преград и их эффективности в составе керамикосодержащих конструкций. Эксперименты проводились на баллистическом стенде НИИ прикладной математики и механики Национального исследовательского Томского государственного университета. Метание ударников осуществлялось из пороховой и легкогазовой установок калибром 8 и 23 мм [21]. Скорость метаемых тел измерялась электромагнитным датчиком перемещений с точностью порядка 0.5%. Эксперименты осуществлялись в диапазоне скоростей взаимодействия 0.5-6.5 км/с. В специально выполненных опытах проводилось рентгенографирование процесса взаимодействия для оценки характера разрушения преград (пластин). Испытуемые образцы представляли собой плоскопараллельные керамические и композитные пластины толщиной 2-25 мм поперечным размером более 50 х 50 мм. В экспериментах исследованы следующие материалы: оксид алюминия Al2O3, оксид алюминия марки КВП-98 (корунд), диоксид циркония ZrO2, карбид кремния SiC, композитные материалы TiC-NiCr и T1B2-B4C. Некоторые физико-87 Механика / Mechanics механические характеристики испытуемых материалов приведены в таблице. Здесь ро - плотность материала, Е - эффективный модуль Юнга, Нм - микротвердость, Hd - динамическая твердость, ое - предел упругости, ot - предел текучести, с0 - объемная скорость звука. Физико-механические характеристики исследованных материалов Материал ро, г/см3 Е, ГПа Нм, ГПа Hd, ГПа Oe, ГПа OT, ГПа C0, см/мкс AkO3 3.8 407 18 20-25 6.5 59.3 0.88 Корунд КВП-98 3.7 - - 20-24 8.3 - 0.95 ZrO2 6.0 - - - 13.1 - - SiC 3.0 330 27 25-30 6.5 55.9 0.69 TiC-NiCr 7.0 310 - - - - - TiB2-B4C 3.5 167 - 90 HRA 6.7 - 0.71 Ударники из стали ШХ-15 имели форму шара диаметром 3.5 мм, 5.5 мм, также использовался компактный ударник диаметром и высотой по 8 мм и удлиненный ударник диаметром 6.2 мм и длиной 28.2 мм. Анализ динамики разрушения керамических пластин Для оценки скорости деформирования ударника и степени разрушения керамических пластин выполнена серия опытов, в которой проводилось рентгенографирование процесса высокоскоростного взаимодействия стержневых ударников с керамическими пластинами. На рис. 1 представлена рентгенограмма процесса разрушения пластины из керамики SiC толщиной 20 мм в момент времени 30 мкс при ударе компактным стальным цилиндрическим элементом 8 х 8 мм со скоростью 1 270 м/с. Рис. 1. Рентгенограмма разрушения керамической пластины SiC толщиной 20 мм в момент времени 30 мкс Fig. 1. X-ray diffraction pattern for a 20 mm SiC ceramic plate at a time instant of 30 ps Динамика разрушения керамической пластины характеризуется следующим образом. На начальной стадии формируется ударная волна, которая распространяется вглубь пластины. Ударная волна выходит на тыльную поверхность преграды и отражается от нее вглубь преграды в виде волны разгрузки, после чего в преграде начинается процесс формирования областей микроразрушений. Поскольку структура материала крупнозернистая и тыльная поверхность пластины шероховатая (технология изготовления), на первом этапе микроразрушение проявляется в виде микрокумуляции [22], т.е. формирования и отделения микроструй мелких частиц с тыльной поверхности керамической пластины. На рентгенограмме это отражено в виде купола слабого затемнения впереди основного фрагмента тыльной поверхности пластины. 88 Зелепугин С.А., Толкачев В.Ф., Тырышкин И.М. Анализ эффективности противоударной стойкости С течением времени, в зависимости от структуры материала, процесс микроразрушения переходит в мезо- и макроразрушение [23], на тыльной поверхности преграды формируется откольный слой (аналог откольной «тарелочки», характерной для откольного разрушения металлических пластин при высокоскоростном ударе), диаметр которого больше диаметра ударника. На рентгенограмме отражен момент смещения откольного слоя относительно плоскости тыльной поверхности пластины. Основной каркас керамической пластины сохраняет целостность вне зоны контакта на данный момент времени. Под действием сдвиговых и растягивающих напряжений процесс разрушения преграды продолжается, и в конечном итоге преграда разрушается на осколки различных размеров. На рис. 2, а приведена характерная рентгенограмма пробивания пластины из оксида алюминия Al2O3 стальным ударником диаметром 6.2 мм и длиной 28.2 мм при начальной скорости удара 760 ± 3 м/с в момент времени 30 мкс после начала взаимодействия. Толщина керамической пластины составила 9.2 мм. Можно отметить, что разрушение пластины наблюдается в центре, в месте контакта с ударником, а периферийные области сохраняют целостность. На рис. 2, b приведена рентгенограмма пробивания пластины из карбида кремния SiC толщиной 12 мм для тех же условий нагружения. Вследствие относительно низких прочностных характеристик данного материала наблюдается более интенсивное разрушение пластины по сравнению с предыдущим случаем. Можно отметить, что в обоих случаях ударник в головной части претерпел значительную пластическую деформацию вследствие взаимодействия с керамикой с высоким пределом упругости и представляет собой форму «гриба». а Рис. 2. Рентгенограмма разрушения керамических пластин AI2O3 (а) и SiC (b) в момент времени 30 мкс Fig. 2. X-ray diffraction pattern of (a) AI2O3 and (b) SiC ceramic plates at a time instant of 30 ps b 89 Механика / Mechanics Рис. 3. Фотографии осколков керамической пластины из корунда AI2O3 марки КВП-98 (а) и карбида кремния SiC (b) после опыта Fig. 3. Photo of ceramic plate fragments made of (a) AI2O3 corundum (KVP-98) and (b) silicon carbide SiC after the experiment На рис. 3, а приведена фотография уловленных осколков разрушенной керамической пластины из оксида алюминия марки КВП-98 (корунд) толщиной 7 мм. Условия нагружения аналогичны предыдущему случаю. Наиболее разрушен материал в месте контакта (крупные частицы пыли), и от центра контакта к периферии размеры осколков увеличиваются. На фотографии уловленных осколков керамической пластины из карбида кремния SiC толщиной 12 мм (рис. 3, b) видно, что степень разрушения материала повышена в сравнении с предыдущим случаем. Это свидетельствует о влиянии физико-механических и динамических характеристик прочности материала керамик на процесс разрушения при высокоскоростном ударе. Анализ эффективности противоударной стойкости Проведенные ранее исследования свидетельствуют об эффективности расположения керамических пластин на лицевой поверхности основной конструкции [24]. При этом в процессе ударно-волнового нагружения керамические образцы, как показано выше, разрушаются на фрагменты и в большинстве случаев после опыта восстановлению не подлежат, поэтому определить глубину проникания ударников в керамические преграды оказывается невозможным. Эффективность образцов из керамических материалов принято определять косвенным методом, в частности по глубине проникания ударника в массивную металлическую плиту-свидетель с керамической пластиной на лицевой поверхности и без нее. В [25] предложена простая формула для оценки эффективности противоударной стойкости е керамики: s = 1_P^rlP*£ Pm * ’ где r - глубина проникания в металлическую плиту с керамической пластиной на лицевой поверхности, х - глубина проникания в плиту при отсутствии керамической пластины, с - толщина керамической пластины, рт - плотность материала плиты, pk - плотность керамики. В качестве массивной плиты обычно использу-90 Зелепугин С.А., Толкачев В.Ф., Тырышкин И.М. Анализ эффективности противоударной стойкости ется алюминиевый сплав Д16М. Параметр эффективности е конструкции меньше или равен нулю, если пластина из керамики не дает выигрыша по массе на единицу площади преграды. Рост е от нуля до 1 означает рост эффективности. Такой подход к оценке эффективности хрупко разрушающихся материалов активно используется в настоящее время [17-19], однако диапазон исследуемых скоростей соударения, как правило, ограничен сверху несколькими сотнями метров в секунду. В данной работе проведен анализ серии экспериментов по высокоскоростному соударению стальных сферических ударников с керамическими и металлокерамическими пластинами в диапазоне скоростей соударения 0.5-6.5 км/с. Путем обработки статистическими методами ранее полученных экспериментальных данных и компьютерного моделирования [7, 20, 24], а также анализа результатов выполненных опытов выявлено наличие двух групп керамик по их эффективности в качестве дополнительных элементов защиты основной конструкции. На рис. 4 представлены зависимости параметра эффективности керамик и металлокерамики, выполненные по описанной выше методике с использованием приведенного соотношения. Ударник - шар диаметром 3.5 и 5.5 мм. 0.25 0 -0.25 8 0.50 -0.50-1-1-1-1-1-1- 0 1 2 3 4 5 6 но, км/с Рис. 4. Параметр эффективности керамических и композитных материалов при высокоскоростном ударе: 1 - Z1O2, 2 - SiC, 3 - TiC-NiCr, 4 - ТІВ2-В4С, 5 - AI2O3, 6 - КВП-98 Fig. 4. Efficiency parameter for ceramic and composite materials under a high-velocity impact: (1) ZrO2, (2) SiC, (3) TiC-NiCr, (4) TiB2-B4C, (5) AI2O3, and (6) KVP-98 В левом верхнем углу рисунка сплошной линией представлена экспериментальная усредненная зависимость параметра эффективности керамики Al2O3 при ударе стальным стержнем диаметром 6.2 мм и длиной 28.2 мм при скорости удара до 1.5 км/с [20]. При данных условиях взаимодействия максимальное значение параметра эффективности керамики соответствует низким скоростям удара и с увеличением скорости соударения до 1.5 км/с эффективность снижается. Штриховые линии соответствуют результатам исследования эффективности керамических и композитных материалов при ударе сферическими элементами при высоких и сверхвысоких скоростях нагружения. Верхняя кривая соответ-91 Механика / Mechanics ствует группе керамических материалов с повышенным параметром эффективности противоударной стойкости к удару, нижняя кривая - с пониженным параметром эффективности. Можно выделить их общее объединяющее свойство - первоначальное понижение параметра эффективности с увеличением скорости удара, достижение им минимального значения в диапазоне скоростей удара 3.0-4.5 км/с и увеличение его значения с дальнейшим повышением скорости удара. Спад кривых эффективности исследуемых материалов на первом этапе, по-видимому, связан с деформированием и разрушением материала преград во фронте ударной волны. Можно предположить, что при скоростях удара свыше 4.5 км/с наблюдаются ветвление микротрещин и интенсивное разрушение материала на микрофрагменты в ударной волне. На более поздней стадии взаимодействия осуществляется поджатие разрушенного материала деформированным ударником, как следствие, наблюдается процесс компактирования материала. Это способствует усилению сопротивления внедрению ударника в керамику, снижению начальной скорости внедрения в плиту-свидетель и повышению параметра эффективности. Заключение Экспериментально исследованы процессы деформирования и разрушения керамических (оксид алюминия Al2O3, оксид алюминия марки КВП-98 (корунд), диоксид циркония ZrO2, карбид кремния SiC) и композитных материалов (TiC-NiCr и ТІВ2-В4С) в диапазоне скоростей удара 0.5-6.5 км/с. Проведен анализ динамики разрушения керамических пластин на примере карбида кремния и оксида алюминия. Показаны уловленные осколки разрушенных пластин и их распределение по размерам. Результаты исследования эффективности противоударной стойкости рассмотренных керамических и композитных образцов выявили две группы материалов с существенно различным уровнем эффективности. Для обеих групп зависимость параметра эффективности от скорости удара демонстрирует падение для скоростей от 0.5 до 3.0-4.5 км/с и последующий рост при росте скорости удара до 6.5 км/с.

Скачать электронную версию публикации