Деформация и динамическая прочность керамических элементов машиностроительных конструкций при интенсивном импульсном нагружении микросекундной длительности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Скрипняк, Евгения Георгиевна

• Скрипняк, Евгения Георгиевна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скрипняк, Евгения Георгиевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДЕФОРМАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИНТЕНСИВНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ МИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

1.1. Керамические элементы конструкций, подвергающиеся импульсному нагружению.

1.2. Компьютерное моделирование высокоскоростной деформации и от-кольного разрушения элементов конструкций. Математическая постановка задач.

1.3. Модель механического поведения конструкционных керамических материалов при интенсивном импульсном нагружении.

1.4. Особенности численной реализации релаксационных моделей при расчетах деформации и откольного разрушения элементов конструкций при интенсивном импульсном нагружении.

2. ЯВЛЕНИЯ ВОЛНОВОЙ ДИНАМИКИ ПРИ РАСЧЕТАХ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ А1203) ЭЮ, Т1В2, Тг02.

2.1. Закономерности распространения ударных импульсов в пластинах из конструкционной керамики на основе А1203, БЮ, Т1В2, 2Ю2 при амплитуде, не превышающей предел упругости Гюгонио.

2.2. О формировании в плотных керамических материалах структуры ударного импульса с амплитудами, превышающими предел упругости Гюгонио

2.3. Затухание упругих предвестников в керамических материалах на основе А1203, БЮ.

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ АДЕКВАТНЫЙ УЧЕТ ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ДЕФОРМАЦИИ И ОТКОЛЬ-НОГО РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ.

3.1. Сдвиговая прочность конструкционных керамических материалов при высокоскоростной деформации.

3.2. Откольная прочность конструкционных керамических материалов на основе А1203, БЮ, Т1В2, 2Ю2при интенсивных импульсных воздействиях.

3.3. Откольная прочность рубина и сапфира при импульсном нагружении субмикросекундной длительности

4. СТОЙКОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ К ОТКОЛЬНОМУ РАЗРУШЕНИЮ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАГРУЖЕНИИИ.

4.1. Откольная прочность керамических пластин при нагружении ударными импульсами субмикросекундной длительности.

4.2. Откольное разрушение слоистых металлокерамических конструкций при интенсивном импульсном воздействии.

4.3. Откольное разрушение оксид-алюминиевых покрытий на металлических элементах конструкций при интенсивном импульсном нагружении.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Деформация и динамическая прочность керамических элементов машиностроительных конструкций при интенсивном импульсном нагружении микросекундной длительности»

Актуальность работы обусловлена потребностью многих отраслей промышленности, включая машиностроительную, оборонную и космическую, в адекватных методиках расчета и теоретического прогнозирования прочностных и эксплуатационных характеристик керамических элементов конструкций при интенсивном динамическом нагружении.

Интерес к данной проблеме возрос в последнее десятилетие в связи с быстрым развитием технологий промышленного производства керамических элементов конструкций и нанесения керамических покрытий, а также в связи с интенсивным развитием методов компьютерного моделирования и численно-аналитических методов расчета [1 -7],

Развитие численно-аналитического аппарата для прогнозирования поведения керамических материалов и элементов конструкций при высокоскоростной деформации открывает новые возможности при проведении фундаментальных и прикладных исследований в экспериментальной физике твердого тела, конструировании новых объектов авиационной, космической и военной техники, а также в теплоэнергетике и машиностроении, при разработке технологий получения новых конструкционных материалов с заданными физико-механическими свойствами.

При проектировании керамических деталей машин и конструкций, эксплуатиЛрующихся в условиях воздействий импульсных и ударных нагрузок, возникли серьезные трудности, обусловленные недостаточной для практических целей адекватностью методов расчета на прочность [8-11]. Сложность проектирования элементов конструкций, подвергающихся интенсивным импульсным нагрузкам, обусловлена слабой изученностью механического поведения конкретных керамических материалов при импульсных и динамических воздействиях, а также неадекватностью известных моделей поведения деформируемых сред, применительно к процессам высокоскоростной деформации в условиях интенсивных импульсных воздействий [1117].

В отличие от металлов и сплавов, механические свойства керамических материалов различны при сжимающих и растягивающих нагрузках, существенно зависят от условий деформации (амплитуды, длительности действия напряжений, температуры, скорости деформации и т.п. ), а также от внутренней структуры.

Механическое поведение многих классов перспективных конструкционных материалов, в том числе керамических, металлокерамических в условиях высокоскоростной деформации изучено слабо. Для ряда материалов имеются лишь отдельные уникальные экспериментальные данные, полученные в работах Канеля Г.И., Разоренова C.B. [11,18-22], Пугачева Г.С. [9 ], Кожушко A.A. [ 2,6], Долгобородова А.Ю. [16,24], Barker L.M. [12], Grady D.E. [13,25-27], Gust W.H. [28], Brar N.S., Bless S.J., Rozenberg Z. [ 29-35,66], Cagnox J., Longy F. [36-37], Munson D.E. [16], Dandekar D. [38], Winkler J. [39]. Это объясняется не только сложностью проведения и высокой стоимостью экспериментальных исследований поведения керамики при динамических воздействиях, но и тем, что в условиях динамического нагружения процесс деформации и накопления внутренних повреждений носит явный кинетический характер, который практически не изучен [2,9,13,15,40].

Имеющиеся экспериментальные данные [25-37, 55-59] свидетельствуют о том, что керамические материалы на основе оксида алюминия, карбида кремния, диоксида циркония и др. имеют характерные времена релаксации сдвиговых напряжений на 2-3 порядка больше, чем у сталей, алюминиевых, магниевых, титановых и др. сплавов. Поэтому, при скоростях деформации выше 10+2 с'1 механическое поведение указанных материалов отличается от поведения в условиях статического нагружения. Поэтому, при проектировании керамических элементов конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям, необходимо учитывать условия нагруже-ния (амплитуду действующих напряжений и время их действия), размеры элементов конструкций или толщину покрытия относительно характерных размеров зерен поликристаллического материала, размеров микротрещин, механические свойства керамического материала в конструкции.

Модели, учитывающие указанные факторы, в настоящее время интенсивно развиваются [40-79]. При создании математических моделей и численно-аналитических методик для решения задач о динамической прочности керамических элементов конструкций используется несколько подходов [55-65].

В настоящей работе развивается подход, предложенный Л. Сименом и Д. Ку-раном для описания динамического разрушения материалов и положенный в основу моделей NAG ( Nucleations And Growth) [61, 64]. В диссертационной работе приведены результаты выполненных численно-аналитических исследований высокоскоростных деформационных процессов для поликристаллических металлических, керамических и металлокерамических материалов с адекватным учетом их структурных и физико-механических особенностей [40-54].

Диссертационная работа выполнялась в соответствии : с программой фундаментальных исследований РАН на 1989-2000 гг.( раздел V Новые материалы и технологии"), государственной программой «Новые материалы» на 1996-1998 г., проект № 07.08.00400.М ; с программой развития науки СО РАН "Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий" ( задание 9.1.1.); с программой "Сибирь" СО РАН (Проект 1.1.), Федеральной Целевой Программой "Интеграция" на 1997-1998 г., проект «Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов»; научно-исследовательской темой

Математическое моделирование процессов переработки и создания материалов по экологически чистым технологиям», финансируемой из средств республиканского бюджета по единому заказ-наряду ТГУ в 1997-1998.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ являлась разработка методики компьютерного моделирования и прогнозирования механического поведения керамических элементов конструкций пластинчатого типа в экстремальных условиях нагружения. Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Проведено численно-аналитическое исследование явлений волновой динамики и особенностей протекания релаксационных процессов в конструкционных керамических материалах на основе А1203, ЭЮДВг, В4С, Тг02 при импульсном нагруже-нии с амплитудами до 40 ГПа.

2. Сформулирована физико-математическая модель механического поведения плотных конструкционных керамических материалов при интенсивном динамическом нагружении.

3. Проведены численные исследования ранее не изученных закономерностей влияния интенсивности и длительности импульсного нагружения на откольную прочность и деформацию конструкционных керамических материалов.

4. Разработана численно-аналитическая методика, алгоритмы и программы для расчета деформации и прогнозирования динамической прочности пластинчатых конструкций из керамических материалов на основе А1203, ЗЮ,Т1В2, В4С, Яс02, при интенсивном импульсном нагружении микросекундной длительности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в следующем:

1). Разработана физико-математическая модель механического поведения плотных конструкционных керамических материалов на основе А1203, БЮ, "ПВ2, Ъ[Ог, В4С при скоростях деформации от 103 до 107 с"1 и при амплитудах ударных импульсов до 40 ГПа, позволяющая прогнозировать сопротивление сдвиговой деформации в волнах нагружения и разгрузки и откольное разрушение.

2). Разработана компьютерная методика расчета и прогнозирования механического поведения керамических элементов конструкций пластинчатой конфигурации с учетом диссипативных и прочностных свойств материалов на основе А1203, ЭЮ, ~ПВ2, гг02, В4С.

3). Установлено, что элементы конструкций из а- А12Оэ и рубина сохраняют свою прочность при коротко-импульсном нагружении ( 20-40 не) вплоть до амплитуд в 2030 ГПа. В этих условиях реальная откольная прочность сравнима с теоретической прочностью на отрыв.

4). Установлено, что применение керамических элементов конструкций, экранированных металлом со стороны воздействия, эффективно лишь в случае коротких импульсов, т.е. когда в металлическом экране происходит затухание амплитуды ударного импульса до значений, меньших 1-2 ГПа. Для повышения динамической прочности слоистых металлокерамических конструкций наиболее целесообразно располагать металлическую опорную пластину за керамическим элементом относительно направления импульсного воздействия.

Практическая значимость работы заключается в ряде разработанных и внедренных численно-аналитических методик расчета и прогнозирования прочностных характеристик керамических элементов при динамическом нагружении, в установленных критериальных зависимостях прочностных характеристик и рекомендациях для проектирования керамических элементов, подвергающихся динамическим воздействиям.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Модель механического поведения керамических конструкционных материалов на основе БЮ, В4С, "ПВ2 А1203 при деформации под воздействием ударных волн интенсивностью до 40 ГПа, позволяющая прогнозировать сопротивление сдвиговой деформации в волнах нагружения и разгрузки, а также откольное разрушение.

2. Методика расчета и прогнозирования высокоскоростной деформации и определение стойкости к откольному разрушению керамических элементов конструкций пластинчатой конфигурации, с учетом диссипативных и прочностных свойств материалов.

3. Результаты исследования механического поведения конструкционных керамических материалов на основе БЮ, В4С, "ПВ2 А1203 при ударном нагружении. В частности, показано, что у керамических материалов с увеличением амплитуды и длительности импульса снижается сопротивление сдвиговым деформациям, отколь-ная прочность линейно снижается до нуля с увеличением амплитуды ударных импульсов, превышающих предел упругости Гюгонио.

4. Установленные закономерности технологического повышения стойкости пластинчатых металло-керамических конструкций к откольному разрушению при заданных интенсивностях и длительностях импульсного нагружения с помощью лицевого и тыльного экранирования.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечивается использованием в качестве научной основы для разработанных релаксационных моделей как постулатов классической механики сплошных сред, так и последних достижений в области теоретических и экспериментальных исследований механики деформируемых твердых тел, физики твердого тела, а также вычислительной математики; совпадением в предельных случаях результатов, полученных методом численного моделирования, с известными численными и экспериментальными данными других исследователей; внедрением основных новых научных результатов и разработанных методик, моделей и программ в учебный процесс в Томском госуниверситете.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Во всех работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора состоял в физико-математической постановке задач, в формулировке математических моделей, в разработке численно-аналитических методик исследований, в проведении численных расчетов и выявлении основных закономерностей и функциональных зависимостей при равноправном обсуждении результатов с соавторами.

АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на:

International Workshop «Materials Instability under Mechanical Loading», St. Petersburg, 1996; International Workshop «Shock Waves in Condensed Matter», St. Petersburg, 1998; международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды», Томск, 1995; Y International Conference «Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies», Baikalsk, 1997; International Workshop «New Models and Numerical Codes for Shock Waves Processes in Condensed Matter», Oxford, UK, 1997; «Всесибирские чтения по математике и механике», Томск, 1997; Всероссийской конференции «Механика летательных аппаратов и новые материалы», Томск, 1998.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Скрипняк, Евгения Георгиевна

Выводы

1). Повысить стойкость керамических элементов конструкции к откольному разрушению возможно путем экранирования или подкрепления металлическими пластинами. Эффект от экранирования проявляется в том случае, если в экране происходит затухание амплитуды импульса до значений, существенно ( в 5-10 раз) меньших предела упругости Гюгонио для экранируемого керамического материала.

2). Для повышения стойкости к откольному разрушению слоистых металлокерами-ческих конструкций наиболее целесообразно располагать металлическую опорную конструкцию за керамической, относительно направления импульсного воздействия. Эффект от подкрепления тыльной поверхности керамического элемента металлической опорной пластиной проявляется в том случае, если акустическая жесткость керамического материала оказывается ниже, чем у опорной пластины, а при взаимодействии волн разгрузки в зоне, расположенной в опорной пластине, не происходит разрушения.

4.3. Откольное разрушение оксид-алюминиевых покрытий на металлических элементах конструкций при интенсивном импульсном нагружении

Твердые тугоплавкие покрытия, получаемые на металлических деталях машин методом химического осаждения из газовой смеси, представляют собой тонкие (от 0.1 до 300 мкм) высокоплотные поликристаллические слои из карбидов , оксидов, силицидов и нитридов металлов [ 84 ]. Целью нанесения покрытий является повышение химической стойкости, уменьшения сопротивления износу и повышение жаростойкости.

В данной работе были рассмотрены износостойкие керамические покрытия, относящиеся к классу покрытий, устойчивых к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок. В настоящее время покрытия такого типа применяются в энергетическом машиностроении, в частности, в качестве покрытий лопаток компрессоров турбинных двигателей.( Например, ТВ 3-117).

Рассмотренные покрытия представляли собой тонкие слои БЮ , В4С, А1203, гЮ2 постоянной толщины от 10 до 300 мкм, получаемые методом осаждения из газовой фазы, и детонационные покрытия типа 1.А-2 на основе А12Оэ [ 84 ]. Для нанесения покрытий на плоские металлические поверхности применяются промышленные установки с плоским катодом ННВ 6.6 -И1, УРМ-3. При этом толщина нанесенного покрытия может достигать нескольких десятков мкм. Оксид-алюминиевые покрытия толщиной до 15-20 мкм на металлических деталях выполняются на промышленной установке «Булат» методом реактивного магнитронного распыления [ 107108].

Все указанные технологии позволяют наносить на металлические поверхности с малой кривизной достаточно однородные покрытия высокой плотности.

В данной работе была исследована откольная прочность и повреждаемость покрытий, указанных типов, на пластинчатых конструктивных элементах, изготовленных из алюминия АД-1 и стали 45.

Керамические покрытия, в отличие от металлических и металлокерамических, под воздействием коротких ударных импульсов могут не только отделяться от изделия и полностью разрушаться, но и существенно повреждаться за счет образования в нем микротрещин сдвига. В последнем случае, при сохранении покрытия, оно существенно снижает или вообще теряет эксплуатационные свойства.

Цель исследования состояла в определении стойкости к откольному разрушению керамических покрытий и в оценке повреждений покрытий при воздействии коротких ударных импульсов.

Схема нагружения элементов конструкций с оксид-алюминиевым покрытием показана на рис. 4.14. Помимо концентрации и начальных размеров трещин в исходном покрытии, амплитуда импульса и его длительность являются факторами, определяющими рост поврежденности покрытия.

На рис.4.15. представлены результаты расчетов воздействия ударных импульсов, длительностью 0.05 мкс с амплитудой, превышающей статический предел прочности при растяжении, но меньший предела упругости Гюгонио. Ударный импульс формировался в результате высокоскоростного взаимодействия с частицей корунда, имевшей размеры 100 мкм.

Направление импульсного воздействия

Керамическое покрытие

Металл а)

Керамическое покрытие б)

Рис. 4.14. Схема нагружения элементов конструкций с керамическим покрытием.

6.00 г'2°3 Алюминиевый I | сплав АД-1 го с: о> си * о; о. с го X

4.00

2.00

0.00

-2.00

-0.04

1-1-1-1-Г

0.00 0.04 0.08 '""Л Покрытие

0.12 X, СМ

Рис.4.15. Расчетные напряжения в 300 мкм оксид - алюминиевом покрытии на пластине из алюминиевого сплава АД-1. Профили напряжений показаны для моментов времени 1- 0.01, 2- 0.05, 3- 0.1 мкс, 4- 0.15 , 5- 0.2 мкс.

Из представленных результатов следует, что материал покрытия и граница покрытия испытывают действие напряжений сжатия, а с момента 0.15 мкс - растягивающие напряжения.

Время действия и уровень растягивающих напряжений недостаточен для полного разрушения покрытия, хотя незначительный рост поврежденности материала фиксируется в расчетах.

На рис. 4.16 представлены результаты расчетов воздействия на керамическое покрытие ударного импульса, имеющего амплитуду соответствующую пределу упругости Гюгонио.

Рис.4.16. Расчетные напряжения, действующие в алюминиевой пластине с оксид-алюминиевым покрытием 300 мкм толщины. Приведены эпюры напряжений для моментов времени 1-0.1 ,2- 0.05, 3-0.1, 40.15 мкс.

На рис. 4.17 показано изменение средних размеров микротрещин для соответствующего расчета.

0.004 г 0 0.003 а> о. Б а.

1 0.002 а а> 2 со СП о.

0.001 с § о. О

0.000

0.00 0.05 0.10 0.15 X, СМ

Рис.4.17. Расчетные значения средних размеров микротрещин в оксид-алюминиевом покрытии. Толщина покрытия 300 мкм. Приведены значения для моментов времени 1 - 0.0 мкс, 2 - 0.02 мкс, 3 -0.04 мкс, 4- 0.06 мкс.

При амплитуде импульса, превышающей предел упругости Гюгонио ( в 3 раза), невозможно сохранить сплошность оксид-алюминиевого покрытия, если в покрытии или на его границе возникают растягивающие напряжения. Отметим, что стойкость покрытия к откольному разрушению резко снижается за счет развития повреждений во фронте ударной волны.

При воздействии короткого ударного импульса со стороны керамического покрытия (схема 4.14.6 ), волны разгрузки могут взаимодействовать в области покрытия, вызывая его отслоение от изделия или откольное разрушение.

При уменьшении толщины покрытия уменьшается время существования растягивающих напряжений в керамическом слое. При толщине покрытия от 5 мкм до 10 мкм время действия растягивающих напряжений в покрытии не превосходит десяти наносекунд. Поэтому, относительно тонкие покрытия обладают повышенной стойкостью к откольному разрушению.

141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решена важная научно-техническая задача по созданию методик моделирования процессов деформации и разрушения, а также прогнозирования динамической прочности керамических элементов конструкций, находящихся в экстремальных условиях эксплуатации. При этом получены новые результаты, имеющие как научное, так и практическое значение: создана модель механического поведения керамических конструкционных материалов при ударно-волновом воздействии; разработан ряд численно-аналитических методик моделирования процесса деформации при коротко-импульсном интенсивном нагружении; сформулированы рекомендации по повышению динамической стойкости керамических и металлокерамических конструкций пластинчатого типа. Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем.

1. Разработана методика расчета высокоскоростной деформации и определения стойкости к откольному разрушению керамических элементов конструкций пластинчатой конфигурации с учетом диссипативных и прочностных свойств материалов.

2. Разработана модель механического поведения керамических конструкционных материалов на основе вЮ, В4С, Т'|В2 А1203 при деформации под воздействием ударных волн интенсивностью от 4 до 40 ГПа, позволяющая прогнозировать сопротивление сдвиговой деформации в волнах нагружения и разгрузки и откольное разрушение.

3. Создан и оттестирован программный комплекс для компьютерного моделирования процессов деформации и разрушениях пластинчатых конструкций при различных условиях импульсного нагружения, в интервале интенсивностей от 4 до 40 ГПа и длительностей от 50 не до 2 мкс.

4. Определены значения сдвиговой прочности и напряжения течения для конструкционных керамических материалов на основе БЮ, В4С, "ПВ2, А1203 при высокоскоростной деформации со скоростями от 103- до 107 с"1, а также значения от-кольной прочности для различных амплитуд ударных импульсов микросекундной длительности.

5. Установлено, что характерное время релаксации сдвиговых напряжений при амплитудах, превышающих предел упругости Гюгонио, существенно отличается от времени релаксации сдвиговых напряжений при меньших амплитудах волн напряжений. Показано, что характерное время релаксации сдвиговых напряжений в поликристаллических материалах на два-три порядка меньше характерного времени формирования откола.

6. Установлено, что в монокристаллах оксида алюминия ( сапфире и рубине ), а также в высокоплотной поликристаллической керамике время быстрой релаксации сдвиговых напряжений составляет десятки наносекунд. При воздействии ударных импульсов с длительностью, порядка нескольких десятков наносекунд, элементы конструкций могут испытывать упругие деформации, если амплитуды импульсов в несколько раз превышают предел упругости Гюгонио. В этих условиях реальная откольная прочность сравнима с теоретической прочностью разрушения на отрыв (~0.3 атеор).

7. С помощью компьютерного моделирования показано, что при импульсном нагру-жении микросекундной длительности с интенсивностью, превышающей предел упругости Гюгонио, в керамических материалах наблюдается рост поврежденно-сти структуры, обусловленный увеличением размеров и концентрации плоских трещин. При амплитудах ударных импульсов, не превышающих предел упругости Гюгонио, в керамических материалах на основе $¡0, "ПВ2 происходит уменьшение поврежденности исходного материала.

8. Показано, что быстрая релаксация амплитуды упругих предвестников в плотных керамических материалах на основе БЮ, В4С, "ПВ2 А1203 заканчивается за время 0.3-0.5 мкс.

9. Установлено, что уменьшение пористости и размеров зерна горячепрессованной поликристаллической керамики в исходном состоянии приводит к увеличению динамического (гюгониевского) предела упругости.

10. Показано, что оксид алюминия способен деформироваться практически упруго при сдвиговых напряжениях, сравнимых с теоретической прочностью на сдвиг при нагружении керамических материалов импульсами, длительностью в несколько десятков наносекунд.

11. Применение керамических элементов конструкций, экранированных металлом со стороны воздействия, эффективно лишь в случае коротких импульсов, т.е. когда в металлическом экране происходит затухание амплитуды ударного импульса до значений, меньших 1-2 ГПа.

12. При распространении импульсов сжатия с интенсивностью, меньшей предела упругости Гюгонио, наблюдается слабое затухание амплитуды импульса с ростом толщины элемента конструкции. Вследствие этого, увеличение толщины керамического элемента конструкции не приводит к повышению стойкости конструкции к откольному разрушению.

13. Для повышения динамической прочности слоистых металлокерамических конструкций наиболее целесообразно располагать металлическую опорную пластину за керамическим элементом относительно направления импульсного воздействия. При этом эффективность подкрепления зависит от прочностных свойств металла, от соотношения акустической жесткости, толщины опорной пластины и интенсивности воздействий.

144

14. Увеличение толщины оксид-алюминиевого покрытия свыше 150 мкм в условиях коротко-импульсного нагружения приводит к снижению динамической стойкости покрытия.

145

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скрипняк, Евгения Георгиевна, 1999 год

1. Никифоровский B.C., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твердых тел. Новосибирск : Наука, 1979. - 271 с.

2. Кожушко А.А., Рыкова И.И., Изотов А.Д., Лазарев В.Б. Прочность и разрушение керамических материалов при высокоскоростном деформировании II Изв. АН СССР. Неорганические Материалы. -1987. -Т.23. N 12. - С. 2078-2082.

3. Duffy J., Nakamura Т., Yeshurun Y. Dynamic fracture of ceramics / Proc. of IP Conf. Ser.102. Sec. 7. Oxford, N.-Y.: IP Press, 1989. P. 355- 362.

4. Yaziv D., Bless S.J., Rosenberg Z., Jorick D. Shock fracture and recompaction of ceramics // Shock waves in Condensed Matter/ Ed. by Y.M. Gupta . N-Y.: Plenum Press, 1986. - P.425-430.

5. Ruiz C. Overview of impact properties of monolithic ceramics / Proc. of IP Conf. Ser.102. Sec. 7. Oxford, N.-Y.: IP Press, 1989. - P. 337-353.

6. Кожушко A.A., Рыкова И.И., Синани А.Б. Сопротивление керамик внедрению ударяющего тела при высоких скоростях взаимодействия // ФГВ. -1992. N 1. - С.89-94.

7. Hutchinson J.W. Mechanisms of toughening in ceramics // Theoretical and Applied Mechanics / Ed. by German P., Plau M., Cailleri D. North-Holland: Elsev. Sci. Publ. B.V.- 1989.- P.139-144.

8. Horibe S., Hirahara R. Cyclic fatique of ceramic materials : influence of crack path and fatigue mechanisms //Acta Metall. Mater. -1989. -V. 39. N.6. - P.1309-1317.

9. Беллендир H., Пугчев Г.С., Синани А.Б. Динамическая прочность хрупких твердых тел при импульсном растяжении длительностью 10-10"6 с. // Проблемы прочности. -1991. N 9. - С.37-40.

10. Suresh S., Nakamura Т., Yeshurun Y. and other. Tensile fracture toughness of ceramic materials. Effects of dynamic loading and elevated temperature // J. Am. Ceram. Soc. 1990. - V. 73. - N 8. - P. 2457-2466.

11. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах.- М.: Янус, 1996. -408 с.

12. Barker L.M., Hollenbach R.E. Shock-wave studies of PMMA, fused Si02 and sapphire//J. Appl. Phys. 1970. -V. 41. - N. 10. - P.4208-4211.

13. Grady D.E. The spall strength of condensed matter // J. Mech. Phys. Solids. 1988. -V. 36. - N.3. - P. 353-384.

14. Swegle J.W. Heterogeneous deformation model for the high pressure strength of aluminum // Shockwaves in condensed matter./ Ed. by Schmidt S.C., Holmes N.C. N.Y.: Elsev. Sci. Publ. 1988. - P.255-260.

15. Стадийность процесса разрушения при квазистатических и ударно-волновых нагрузках/ Наймарк О.Б, Беляев В.В / Исследования по механике материалов и конструкций. Свердловск. 1988. - С. 68-75.

16. Долгобородов А.Ю. Затухание ударных волн в смеси окиси алюминия и плекси-гласса// Хим. Физ. 1998. - Т. 17. - № 5. - С. 102-107.

17. Forrestal M.J., Longscope D.B. Target strength of ceramic materials for high velocity penetration // J. Appl. Phys. 1990. -V.67. - N.8. - P. 3669-3672.

18. Разоренов С.В., Канель Г.И. Динамическое деформирование и разрушение пластичных и хрупких гомогенных материалов. Препринт ИХФ АН СССР. Черноголовка. -1992. 54 с.

19. Канель Г.И., Питюлин А.Н. Ударно-волновое деформирование керамики на основе карбида титана // ФГВ . 1984. - N.4. - С.85-88.

20. Канель Г.И., Разоренов С.В., Яловец Т.Н. Динамическая прочность рубина //Хим. Физика. -1993. Т. 12. - N. 2. - С. 175-177.

21. Kanel G.I., Razorenov S.V. / In High Pressure Science & Technology- N.-Y. 1993.

22. Канель Г.И., Разоренов С.В. Ударно-волновое нагружение металлов. Движение поверхности образца. Черноголовка: Преперинт ИХФ АН СССР. 1989.- 101 с.

23. Dolgoborodov A.Yu., Voskoboinikov I.M. Sound velocity in shock-compressed corundum, boron carbide and silicon carbide //Technical Physics. 1993. - V. 38. - N.2. - P. 158-160.

24. Kipp M.E., Grady D.E. Shock compression and release in high strength ceramics / SANDIA report SAND89 -1461. UC 704. -1989. - 53 p.

25. Kipp M.E., Grady D.E. Elastic wave dispersia in high-strength ceramics //Shockwaves in Condensed Matter/ Ed. by S.C. Schmidt, R.D. Dick, J.W. Forbes, D.C. Tasker. N.-Y. :Elsev. Sci. Publ., B.V. -1992. P.459-461

26. Grady D. Shock wave properties of high strength ceramics // Shock waves in Condenced Matter/ Ed. by S.C. Schmidt, R.D. Dick, J.W. Forbes, D.C. Tasker. N.-Y.: Elsev. Sci. Publ. B.V. -1992. P. 455-458.

27. Gust W.H , Royce E.B. Dynamic yield strengths of B4C, BeO and Al203 ceramics // J. Appl. Phys. -1971. V.42. - N. 1. - P.276-295.

28. Brar N.S., Rosenberg Z., Bless S.J. Applying Steinberg's model to the Hugoniot elastic limit of porous boron carbide specimens // J. Appl. Phys. -1991. V.69. - N 11. - P.7890-7891.

29. Rosenberg Z., Yeshurun Y. Determination of the dynamic response of AD-85 alumina in-material manganin gauges // J. Appl. Phys. 1985. - V.68. - N 8. - P.3077-3080.

30. Rosenberg Z., Brar N.S., Bless S.J. Elastic precursor decay in ceramics as determined with manganin stress gauges // J. de Physique Col C3. 1988. - V.49. -N.9. - P.707-771.

31. Bless S.J., Yaziv D., Rosenberg Z. Spall zones in polycrystalline ceramics // Shock waves in Condenced Matter. N-Y. Plenum Press, 1986. P. 419-424.

32. Yeshurun Y., Rozenberg Z., Brandon D.G. On dynamic shear strength of shock-loaded two phase ceramics // Proc. of IP Conf. Ser.102. Sec. 7. Oxford, N.-Y.: IP Press, 1989- P. 379-386.

33. Rozenberg Z., Shock compression of condensed matter -1991 ,/ Ed. by S.C.Schmidt,

34. R.D.Dick, J.W. Forbes, D.G. Tasker. N.-Y. Elsev. Sci. Publ. B.V. 1992. - P. 439.

35. Cagnoux J., Longy F. Spallation and shock-wave behaviour of some ceramics // J. de Physique Col C3. -1988. -V. 49. N.9. - P.3-10.

36. Cagnoux J., Longy F. Is the dynamic strength of alumina rate dependent // Shock waves in Condenced Matter. N.-Y.: Elsiev. Sci. Publ., B.V. -1988. P. 293-296.

37. Bartkowski P., Dandekar D.P. Spall strength of sintered and hot pressured silicon carbide /Shock compression of condensed matter -1995 /Eds. S.C.Schmidt, W.C. Tao. N.Y.: AIP Press. 1996. -P. 535-538.

38. Winkler J., Stilp A.J. Spallation behaviour of TiB2, SiC, B4C under planar impact tensile stresses / Shock compression of condensed matter -1991.1 Ed. by Schmidt S.C., Dick R.D., Forbes J.W., Tasker D.G. N.-Y.: Elsev. Sci. Publ. B.V. -1992. P. 475-480.

39. Скрипняк В.А., Скрипняк Е.Г. Физическая механика деформации и разрушения керамических материалов // Int. Conf. ShockWaves in Condensed Matter. 1998. St. Petersburg.: High Pressure SIC, 1998. P.143-145.

40. Skripnyak V.A., Skripnyak E.G., Karakulov V.V. About Distribution of Mechanical State Parameters of Cermets at High Strain Rates // Int. Conf. Shock Waves in Condensed Matter. 1998. St. Petersburg: High Pressure SIC, 1998. - P. 149-150.

41. Скрипняк B.A., Парватова Е.Г. Проявление деформационного упрочнения металлов во фронте ударных волн / Механика деформируемого твердого тела. Томск: ТГУ, 1992. С. 75-81.

42. Skripnyak E.G., Platova Т. M., Skripnyak V.A. Abstracts of International Workshop «Materials Instability under Mechanical Loading» St. Petersburg, 1996.- P. 20.

43. Скрипняк Е.Г. Влияние мезоструктуры конструкционной керамики на величину гюгониевского предела упругости // Известия вузов. Физика. 1999. - N.3. - С.

44. Скрипняк Е.Г., Платова Т.М. О сдвиговой прочности конструкционных керамических материалов при ударно-волновом нагружении // Механика летательных аппаратов и новые материалы.1998. Избранные доклады конференции. Томск: ТГУ, 1998. -С. 174-176.

45. Steinberg D.J. Material properties determining the resistance of ceramics to high velocity penetration // J. Appl. Phys. -1989. V.66. - N 8. - P. 3560-3565.

46. Steinberg D.J. Computer studies of the dynamic strength of ceramics /Shock compression of condensed matter-1991/ Eds. S.C.Schmidt, R.D. Dick, J.W. Forbes, D.G. Tasker. N.-Y. : Elsev. Sci. Publ. B.V,1992. P.447-450.

47. Rajendran A.M., Dietenberger M.A., Grove D.J. A void growth based failure model to describe spallation //J. Appl. Phys. -1989. -V.65. N.4. - P.1521-1527.

48. Yatom H., Ruppin R. Dynamic fragmentation model with internal damage // J. Appl. Phys. 1989.-V. 65. - N.1. - P.112-116.

49. Mashimo T. Shock Yielding properties of brittle materials // Shock waves in Condensed Matter. N.-Y. : Elsiev. Sci. Publ. B.V, 1988. P. 289-292.

50. Seaman L., Curran D.R., Murr W.J. A continuum model for dynamic tensile microfracture and fragmentation // Trans ASME J. Appl. Mech. 1985. - V.52. - N 3. -P.593-600.

51. Addessio F.L.Johnson J.N. A constitutive model for the dynamic response of brittle materials // J. Appl. Phys. -1990. -V.67. N 7. - P.3275-3285.

52. Johnson J.N., Addessio F.L. Tensile plasticity and ductile fracture // J. Appl. Phys. -1988. V. 64. - N 12. -P. 6699 - 6712.

53. Curran D.R. Application of micromechanical failure models to shock physics problem // Shockwave in condensed matter./ Ed. by Schmidt, S.C.Holmes N.C. N.-Y.: Elsev. Sci. Publ, 1988. P.321-326.

54. Tranchet J.I., Collombet F. Metallurgical and Materials Applications of Shock-Wave and High-Strain-Rate Phenomena -1994 / Ed. L.E. Murr, K.P. Staudhammer and M.A. Meyers . N.-Y.: Elsev. Sci. Publ. B.V,1995. P. 535 .

55. Murray N.H., Bourne N.K. /Rosenberg Z. Precursor decay in several aluminas // Shock Waves in Condenced Matter / Ed. S.C. Schmidt, D.P. Dandekar, J.W. Forbes.

56. Proc. APS Top. Conf. on Shock Compression of Condensed Matter. 1997. N.-Y. The American Institute of Physics 1-56396-738-3/98 . 1998. P.491-494.

57. Dorre E., Hubner H. Alumina. Processing. Properties and Application. Berlin , N.-Y. : Springer Verlag, 1984. 329 p.

58. Krajcinovic D., Sumarac D. A mesomechanical model for brittle deformation processes : Part I //Trans. ASME J. Appl. Mech. 1989. -V. 56. - P. 51 -56.

59. Krajcinovic D., Sumarac D. A mesomechanical model for brittle deformation processes : Part II // Trans. ASME J. Appl. Mech. 1989. - V. 56. - P. 57-62.

60. Nemat-Nasser S., Obata M. A microcrack model of dilatancy in brittle materials // Trans. ASME J. Appl. Mech. -1988. V.55. - P.24-35.

61. Chaboche J.L. Continuum damage mechanics : Part 1 general concepts // Trans. ASME J. Appl. Mech. -1988. - V.55. - N.3. - P.59-64.

62. Chaboche J.L. Continuum damage mechanics: Part 2 damage growth, crack initiation, and crack growth// Trans. ASME J. Appl. Mech. - 1988. -V.55. - N. 3. -P.65-72.

63. Springgs R.M., Mitchell J.В., Vasilos T. Mechanical properties of pure dense aluminum oxide as a function of temperatures and grane size// J. Am. Ceram. Soc. -1964. V.47. - N.7. - P.323-327.

64. Гнесин Г.Г. Карбидокремниевые материалы. M.: Металлургия, 1977. 300 с.

65. Белов Н.Н., Демидов В.Н., Симоненко В.Г. и др. Компьютерное моделирование динамики высокоскоростного удара и сопутствующих физических явлений// Изв. Вузов. Физика.-1992.-N8. С. 5-48

66. Афанасьева С.А., Белов H.H., Коняев A.A., Симоненко В.Г., и др. Компьютерное моделирование поведения материалов при ударно-волновом нагружении // Известия РАН. МТТ. -1998,- N. 5. С. 115-121.

67. Белов H.H., Хабибуллин М.В., Симоненко В.Г. и др. Математическое моделирование ударно-волнового разрушения пористой керамики // Исследования по баллистике и смежным вопросам техники. Сб. Статей. Вып. 2. Томск: ТГУ, 1998. -С. 111-115.

68. Белов H.H., Коняев A.A., Королев П.В. и др. Моделирование ударно-волнового прессования порошковой керамики на баллистическом стенде// ПМТФ. -1997. Т. 38. -N.1.-C. 44-50.

69. Ahrens T.J. Equation of States /High Pessure Shock Compression of Solids/ Ed. by J.R. Asay, M. Shahinpoor. N.-Y. Springer-Verlag. 1993. P.75-113.

70. Коларов Д., Балтов А., Бончева H. Механика пластических сред. М.: Мир, 1979. -302 с.

71. Кравчук A.C., Майборода В.П., Холин H.H. Скоростное деформирование конструкционных материалов .М: Машиностроение, 1986.-264 с.

72. Бывших А.И., Кирко В.И., Пак Н.И. Моделирование тепловых процессов при ударно-волновом нагружении пористых металлов // ПМТФ. 1987. №. 3. С. 133 -137.

73. Конструкционные материалы: Справочник / Под ред. Б.Н.Арзамасова. М.: Машиностроение,! 990. 688 с.

74. Ахмадеев Н.Х. Исследование откольного разрушения при ударном деформировании. Модель повреждаемой среды // ПМТФ. -1983. N 4. - С.158-167.

75. Физические величины : Справочник/А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Брат-ковский и др.; Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова . М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.

76. Munro R.G. Evaluated Material Properties for a sintered a alumina //J. Amer. Ceram.

77. Soc. 1997. - V.80. - N. 8. - P.1919-1928.

78. Harding J. The delopment of constitutive relationship for material behaviour at high rates of strain/ Proc. of IP Conf. Ser.102. Sec. 5. Oxford, N.-Y.: IP Press, 1989. P.189-203.

79. Gourdin W.H. Constitutive properties of copper and tantalum at high rates of tensile strain : expanding ring results// Proc. of IP Conf. Ser.102. Sec. 5. Oxford, N.-Y.: IP Press, 1989. P. 221-226.

80. Batsanov S.S. Effects of Explosions on Materials. Modification and Synthesis under High-Pressure Shock Compression / N.-Y., Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1994. -194 p.

81. Высокоскоростные ударные явления /Под. ред. В.Н. Николаевского М.: Мир, 1973.-533с.

82. Физика взрыва / Под ред. К.П. Станюковича М.: Наука,1975. 410 с.

83. Жерноклетов М.В., Зубарев В.Н., Трунин Р.Ф., Фортов В.Е. Экспериментальные данные по ударной сжимаемости и адиабатическому расширению конденсиро-ваннных веществ при высоких плотностях энергии.- Из-во ВНИИЭФ, НИЦ ТИВ. Черноголовка, 1996. 385 с.

84. Францевич И.Н., Воронов Ф.Ф, Бакута С.А. Упругие постоянные и модули упругости металлов и неметаллов. Справочник. Киев: Наукова Думка, 1982. 286 с.

85. Жукова Т.В., Макаров П.В., Скрипняк В.А. и др. Изучение релаксационных свойств в ударных волнах методами математического моделирования IIФГВ. -1987.-Т. 23.-N 1.-С. 29-32.

86. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. и др. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск.: Наука, 1990. -255 с.

87. Келли А. Высокопрочные материалы. М.: Мир, 1976. -261 с.

88. Bless S.J., Yaziv D., Rosenberg Z. Spall zones in polycrystalline ceramics // Shock Waves in Condenced Matter / Ed. Gupta V.M. Proc/ of 4th APS Top. Conf. on Shock Waves in Cond. Mat. 1985. Plenum Press, N.-Y. 1986. P. 419-424.

89. Frost R. D., Ashby M.F. Deformation mechanism map. Oxford, N.-Y.: Pergamon Press, 1982. -328 p.

90. Уилкинс М.Л. Расчет упруго-пластических течений // Вычислительные методы в гидродинамике. М.: Мир, 1967. С. 212-263.

91. Разностные методы решения краевых задач / Рихтмайер Р., Мортон К. М.: Мир, 1972.-270 с.

92. Роуч Р. Вычислительная гидродинамика М.: Мир, 1980. 616 с.

93. Rubin М.В. Efficient time integration of visco plastic model for shock waves // J. Appl. Phys. 1990. - V.68. - N.3. - P.1356-1358.

94. Rivere J.P., Castaing J. Compression Test and Plastic Strain of a-AI203 Single

95. Crystals //J. Am. Ceram. Soc. 1997. V.80. - P.1711-1714.

96. Cadoz J., Rivere J.P, Castaing Deformation of Ceramics II./ Ed. By R.E. Tressler and R.C. Bradt. Plenum Press. N.-Y., 1984. P. 213-222.

97. Graham R.A., Brooks W.P. //J. Phys. Chem. Sol. -1971. V.32. - P.2311.

98. Munson D.E., Lawrence R.J. Dynamic deformation of polycrystalline alumina //J. Appl. Phys. 1979. V. 50. N.10.P. 6272- 6377.

99. Dandekar D.P. Effect of Shock Re-Shock on Spallation of Titanium Diboride // / Shock compression of condensed matter -1991. / Ed. by Schmidt S.C., Dick R.D., Forbes J.W., Tasker D.G. N.-Y.: Elsev. Sci. Publ. B.V. 1992. - P.487-490.

100. Рук. проблемы "Бастион" начальник 36 лаб. к.т.н. с.н.о, fftájg^Sgg^fFgB Н.С.fa«. рук. НИ? иБаотион-Э04" jTj. научный сотрудник1. Никифоров ГЛ.1. От НИШИ:

101. Рук. НИР, зав.сектором к.Ф. -м.н. с.и.с. Ж -» Гдаздрн 6.11. К.Ф.-М.&.скршшяк В. А. ст. арэподав&тельу^ Яередврин к.в.иих. 1 категории1. Каракулов В.В.инх. i категории-—Скрипи« Е.Г.W1. Утверждаю»

102. Декан физико-технического факультета Томского государственного университета, д. ф.-м.н., профессор1. Э.Р. Шрагер

103. Зав. кафедрой теории прочности и проектиров'зиЪрг «»•» . . д. ф.-м.н., профессор --ДМ. Платова

104. Профессор, д. ф.-м.н. ^^¿О5^ СкрипнякЛ

105. Ст. преподаватель ^ г// ^ ^^ Е.Г. Скрипняк1. АКТоб использовании результатов НИР в учебном процессе

106. Декан физико-технического факультета "^^♦¿'Чч

107. Томского государственного университета,д.ф.-м.н., профессор ({■£ Э.Р. Шрагер

108. Зав. кафедрой теории прочности и проектора ,,д.ф.-м.н., профессор1. Т.М. Платова1. Профессор, д.ф.-м.н.1. Старший преподаватель1. В.А. Скрипняк1. Е.Г. Скрипняк