Analysis of impact resistance for two groups of ceramic and composite materials | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics. 2022. № 80. DOI: 10.17223/19988621/80/8

Analysis of impact resistance for two groups of ceramic and composite materials

Complex experimental and theoretical studies of shock-wave characteristics and penetration parameters are conducted to develop physical and mathematical models of deformation and fracture of ceramic and composite materials under high-velocity loading. The purpose of this work is to investigate the fracture of ceramic and composite targets and their efficiency in ceramic-containing structures. The experiments are performed using a ballistic test stand (Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics, National Research Tomsk State University). The deformation and fracture of ceramic (aluminum oxide Al₂O₃, aluminum oxide (KVP-98, corundum), zirconium dioxide ZrO₂, silicon carbide SiC) and composite (TiC-NiCr and TiB₂-B₄C) materials are studied experimentally in the impact velocity range of 0.5 - 6.5 km/s. The dynamics of the fracture of ceramic plates (silicon carbide and aluminum oxide) is analyzed. The fragments of the plates and their size distribution are given. The study of the impact resistance of ceramic and composite samples reveals two groups of materials with essentially different levels of efficiency. For both groups, the dependence of the efficiency parameter on the impact velocity demonstrates a decrease in the velocity range from 0.5 to 3.0 - 4.5 km/s and a subsequent increase when the impact velocity tends to 6.5 km/s. The obtained experimental results may be used during the validation and verification of numerical and analytical models, approaches, and software packages.

Download file

Counter downloads: 37

Keywords

ceramics, composite, high-velocity impact, fracture, efficiency parameter

Authors

Name	Organization	E-mail
Zelepugin Sergey A.	Tomsk State University; Tomsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences	szel@yandex.ru
Tolkachev Vladimir F.	Tomsk State University	tolk@niipmm.tsu.ru
Tyryshkin Il’ya M.	Tomsk State University	tyryshkin@niipmm.tsu.ru

Всего: 3

References

Румянцев Б.В., Павлов С.И. Высокоскоростное взаимодействие металлической струи с керамикой // Письма в Журнал технической физики. 2020. Т. 46, вып. 17. С. 10-13. doi: 10.21883/PJTF.2020.17.49885.18363

Черепанов И.А., Савиных А.С., Разоренов С.В. Откол в сапфире при ударном сжатии в различных кристаллографических направлениях // Журнал технической физики. 2020. Т. 90, вып. 6. С. 961-964. doi: 10.21883/JTF.2020.06.49283.368-19

Дульнев А.И. О применении керамики в составе композитных конструкций защиты // Труды Крыловского государственного научного центра. 2021. Т. 2 (396). С. 52-66. doi: 10.24937/2542-2324-2021-2-396-52-66

Zelepugin S.A., Mali V.I., Zelepugin A.S., Ilina E. V. Failure of metallic-intermetallic laminate composites under dynamic loading // AIP Conference Proceedings. 2012. V. 1426. P. 11011104. doi: 10.1063/1.3686471

Промахов В.В., Коробенков М.В., Шульц Н.А. и др. Моделирование накопления повре ждений и разрушения керамических композитов AhO3-ZrO2, полученных по аддитивным технологиям, при высокоскоростном нагружении // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2021. № 72. С. 140-157. doi: 10.17223/19988621/72/12

Zelepugin S.A., Zelepugin A.S., Khristenko Yu.F.Computational modelling of brittle fracture under dynamic loading // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. V. 11 (24). P. 14560-14565.

Горельский В.А., Зелепугин С.А., Толкачев В.Ф. Экспериментальное и численное иссле дование разрушения керамики при высокоскоростном ударе // Химическая физика. 1999. Т. 18. С. 104-107.

Smolin A.Yu., Eremina G.M. Refinement of the model for iron oxide friction based on movable cellular automata // AIP Conference Proceedings. 2020. V. 2310. Art. 020320. doi: 10.1063/5.0034150

Ivanova O.V., Cherepanov R.O., Zelepugin S.A. Numerical simulation of solid-phase chemical transformations in thermite mixtures under shock-wave loading // Journal of Physics: Conference Series. 2022. V. 2154 (1). Art. 012005. doi: 10.1088/1742-6596/2154/1/012005

Branicio P.S., Zhang J., Rino J.P. et al. Shock-induced microstructural response of mono- and nanocrystalline SiC ceramics // Journal of Applied Physics. 2018. V. 123 (14). Art. 145902. doi: 10.1063/1.5023915

Ramesh K.T., Graham-Brady L., Goddard W.A. et al. Models for the behavior of boron carbide in extreme dynamic environments // Journal of the American Ceramic Society. 2021. V. 105 (1). doi: 10.1111/jace. 18071

Микушина В.А., Смолин И.Ю. Численное моделирование деформирования и разрушения пористой алюмооксидной керамики на мезоуровне // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2019. № 58. С. 99-108. doi: 10.17223/19988621/58/8

Pashkov S.V., Zelepugin S.A. Probabilistic approach in modelling dynamic fracture problems // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2022. V. 236 (21). P. 10681-10689. doi: 10.1177/0954406220939116

Зимина В.А. Экспериментальное исследование структуры, упругих и прочностных характеристик пористой корундовой керамики // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2020. № 67. C. 117-126. doi: 10.17223/19988621/67/11

Хорев И.Е. Ударно-откольная асимметрия в проблеме высокоскоростного соударения твердых тел // Письма в Журнал технической физики. 2005. Т. 31, вып. 4. С. 71-75.

Зелепугин С.А., Толкачев В.Ф., Зелепугин А.С. Асимметрия разрушения керамики при высокоскоростном ударе // Письма в Журнал технической физики. 2017. Т. 43, вып. 23. С. 48-54. doi: 10.21883/PJTF.2017.23.45275.16974

Carton E.P., Johnsen B.B., Rahbek D.-B. et al. Round robin using the depth of penetration test method on an armour grade alumina // Defence Technology. 2019. V. 15. P. 829-836. doi: 10.1016/j.dt.2019.07.014

Savio S.G., Madhu V. Ballistic performance evaluation of ceramic tiles with respect to projectile velocity against hard steel projectile using DOP test // International Journal of Impact Engineering. 2018. V. 113. P. 161-167. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2017.11.020

Savio S.G., Rao A.S., Reddy P.R.S., Madhu V. Microstructure and ballistic performance of hot pressed & reaction bonded boron carbides against an armour piercing projectile // Advances in Applied Ceramics. 2019. V. 118 (5). P. 264-273. doi: 10.1080/17436753.2018.1564416

Tolkachev V.F., Konyaev A.A., Zheikov V.V. Experimental study of impact resistance of ceramics and composites // Composites: Mechanics, Computations, Applications: An International Journal. 2012. V. 3 (3). P. 253-262. doi: 10.1615/CompMechComputApplIntJ.v3.i3.40

Khristenko Yu.F., Zelepugin S.A., Gerasimov A.V. New light-gas guns for the high-velocity throwing of mechanical particles // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017. V. 12 (22). P. 6606-6610.

Михайлов А.Л., Огородников В.А., Сасик В.С. и др. Экспериментально-расчетное моделирование процесса выброса частиц с ударно-нагруженной поверхности // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2014. Т. 145 (5). С. 892-905. doi: 10.7868/S0044451014050127

Григорьев М.В., Бурлаченко А.Г., Буякова С.П., Кульков С.Н. Деформация и разрушение корундовой керамики с многоуровневой поровой структурой // Журнал технической физики. 2019. T. 666 (12). C. 1898-1902. doi: 10.21883/JTF.2019.12.48489.255-18

Tolkachev V.F., Konyaev A.A., Pakhnutova N.V. The efficiency of ceramic-faced metal targets at high-velocity impact // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 919. Art. 012007. doi: 10.1088/1742-6596/919/1/012007

Bless S.J., Rosenberg Z., Yoon B. Hypervelocity penetration of ceramics // International Journal of Impact Engineering. 1987. V. 5 (1-4). P. 165-171. doi: 10.1016/0734-743X(87)90036-4