Исследование термомеханических и ударно-волновых процессов в твердых телах при наносекундных длительностях возмущений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат наук Судьенков, Юрий Васильевич

• Судьенков, Юрий Васильевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Судьенков, Юрий Васильевич

Содержание

Введение_;_;___5

Глава 1 Исследования термоунругого отклика твердых тел на тепловые возмущения наносекундной длительности.

Введение.__14

§1.1 Экспериментальные исследование механизмов генерации импульсных напряжений при взаимодействии наносекундного лазерного излучения с металлами._17

§1.2 Экспериментальные исследования термоупругих напряжений в тепло- и нетеплопроводящих твердых телах при наносекундных длительностях лазерного нагрева._22

§1.3 Теоретический анализ термоупругих напряжений в тепло-и нетеплопроводящих твердых телах при наносекундных длительностях лазерного нагрева._27

§1.4. Эффект «теплового поршня» в динамической задаче термоупругости._39

§1.5 Экспериментальные исследования и теоретический анализ процесса движения облучаемой поверхности металлов при наносекундном лазерном воздействии.__47

§1.6 Экспериментальное исследование и теоретический анализ термодеформации пластин диэлектрических материалов при наносекундных длительностях радиационного нагрева._._54

Заключение._66

Литература к главе 1__________68

Глава 2. Исследование нестационарных ударно-волновых процессов в твердых телах при наносекундном ударном нагружении.

Введение._73

§ 2.1 Измерение продольных составляющих напряжений и скорости распространения наноосекундных ударных возмущений в материалах._75

§ 2.2. Измерение поперечных напряжений при наносекундном ударном нагружении материалов._

§ 2.3 Исследование неустановившегося волнового процесса в области упругих свойств материалов при наносекундном нагружении^_85

§ 2.4 Исследования скорости распространения импульсов давления в металлических фольгах, возбуждаемых при воздействии субнаносекундного лазерного излучения._89

§ 2.5 Результаты исследований и обсуждение. ^_93

§ 2.6. Физические аспекты особенностей нестационарного ударно-волнового процесса

вблизи поверхности высокоскоростного ударного возмущения._106

Заключение_113

Литература к главе 2._115

Глава 3. Исследования упруго-пластического отклика металлов на ударное

I

нагружение наносекундной длительности.

Введение._120

§3.1. Исследования затухания упругого предвестника в приповерхностной зоне

наносекундного ударного нагружения металлов._122

§3.2. Влияния исходной структуры на упрочнение металлов при квазистатических

нагрузках.__126

§3.3. Влияния исходной структуры на упрочнение металлов при наносекундном ударном

нагружении._132

§3.4.Оптико-акустическая диагностика структурных перестроек при упруго-пластическом деформировании металлов ударом наносекундной длительности._138

§3.5. Влияние ударных импульсов наносекундной длительности на структурные

перестройки в статически нагруженных металлах._146

Заключение_153

Литература к главеЗ._

Глава 4. Исследования прочности твердых тел при наносекундных длительностях ударной нагрузки.

Введение._160

§4.1.Откол в стекле К8 при наносекундном ударном нагружении.__163

§4.2. Исследование динамической прочности кварцевого стекла методом оптического пробоя._168

§4.3. Влияние наноструктуры двухфазного стекла на пороги лазерного пробоя и процессы разрушения.___174

§4.4.Исследование динамической прочности кристаллов №С1 при воздействии цуга ударных импульсов наносекундной длительности._182

§4.5. Электромагнитное излучение при разрушении пьезоэлектриков

наносекундными импульсами давления. '_187

§4.6. Влияние спектра ударного импульса на характер и порог откола в ПММА._192

§4.7. Исследования динамической прочности горных пород при ударных нагрузках субмикросекундной длительности._197

Заключение_204

Литература к главе 4._205

Глава 5. Экспериментальные методы разработанные для научных исследований и решения прикладных задач.

§5.1. Методика повышения чувствительности лазерных интерферометров_209

§5.2. Исследования лучевой стойкости и особенностей разрушения

металлических зеркал при импульсном воздействии лазерного излучения._217

§5.3. Измерение коэффициентов поглощения слабопоглощающих оптических элементов

бесконтактным фототермоакустическим методом._222

§5.4. Опто-акустический эффект в измерениях упругих постоянных и дефектоскопии

материалов и элементов конструкций._230

§5.5. Исследование процессов фокусировки наносекундных импульсов давления в

жидкости._239

§5.6. Экспериментальные исследования и численное моделирование ударно-волновых

процессов при центральном соударении грех стержней различной массы.__250

Литература к главе 5._________________259

Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование термомеханических и ударно-волновых процессов в твердых телах при наносекундных длительностях возмущений»

Введение

Актуальность темы. Современные технологии обработки материалов все шире используют методы высокоскоростного деформирования и воздействия интенсивных потоков энергии (электронные и ионные пучки, лазерное и радиационное излучение). В тоже время элементы различных современных устройств и механизмов испытывают запредельные ускорения или эксплуатируются в условиях ударных или радиационных воздействий. В этой связи актуальность исследований термомеханических процессов в твердых телах и, зачастую, непосредственно связанных с ними ударно-волновых процессов, влияющих на прочность элементов конструкций и механизмов, несомненна.

Результат интенсивных радиационных и механических кратковременных воздействий на элементы конструкций в настоящее время недостаточно изучен и плохо прогнозируем. Это обусловлено как многообразием эффектов, проявляющихся при воздействиях такого рода, так и влиянием различных масштабных уровней структуры материалов на прочность и процесс разрушения.

Чрезвычайный интерес в последнее время проявляется к исследованиям отклика материалов в нано- и субнаносекупдном диапазоне длительностей нагружения. Это связано с тем, что при таких длительностях размеры области нагружения становятся сравнимыми с характерными размерами дефектной структуры материалов (размеры зерен, микротрещин, дислокационные скопления и т.д.), что создает особые условия протекания ударно-волновых процессов.

Наименее изученной областью термомеханических и ударно-волновых исследований является область нестационарного процесса вблизи поверхности воздействия. Это связано как с целым рядом ограничений присущих традиционным методам исследований, так и сложностью теоретического описания нестационарных сильнонеравновесных процессов.

Актуальность исследований этих явлений очевидна и позволит внести вклад как в развитие фундаментальных представлений о механизмах, определяющих те или иные особенности радиационных и наносекундных ударных воздействий, так и в решение прикладных задач, возникающих при современных технологиях обработки материалов с использованием радиационных, в частности лазерных, воздействий.

Цель работы и задачи исследования. Многообразие эффектов, проявляющихся при интенсивных радиационных и/или ударных воздействий нано- и субнаносекундной длительностей на элементы конструкций, диктуют необходимость существенного увеличения базы экспериментальных данных, а также разработки на базе экспериментальных результатов физических и физико-математических моделей

изучаемых явлений, в частности, нестационарных тепловых и ударно-волновых процессов вблизи области нано-и субнаносекудных возмущений.

Для достижения поставленных целей, естественно необходима, разработка и усовершенствование экспериментальных методов исследований.

Научная новизна. Выполненная работа является комплексным исследованием по изучению динамического отклика твердых тел на наносекундный нагрев и ударное воздействие, в том числе в области нестационарного неравновесного процесса, по изучению особенностей упругопластического деформирования и разрушения твердых 1ел при таких длительностях нагружения.

1 .Разработаны экспериментальные методы с'высоким временным ( ~10"9 с ) и пространственным разрешением ( ~Ю"10 м ) для изучения термомеханических процессов при лазерном воздействии на материалы. Впервые получены экспериментальные данные о динамики движения облучаемой поверхности металлов и диэлектриков.

2. Впервые показано принципиальное различие характера импульсных термоупругих напряжений в тепло- и нетеплопроводящих материалах и разработана физико-механическая модель учета скорости теплового потока для адекватного описания термоупругой реакции теплопроводящих материалов.

3. Впервые продемонстрирована в эксперименте возможность перемещения металлических объектов в направлении источника неоднородного нагрева и объяснен этот эффект на базе разработанной модели.

4. Впервые получен ряд данных свидетельствующих о сильнонеравновесном характере процессов в твердых телах в зоне формирования нано- и субнаносекундных импульсных напряжений. Представлен анализ обнаруженных особенностей протекания нестационарного ударно-волнового процесса и определяющего влияние ангармонизма и атомного строения твердых тел на характер этого процесса.

5.Впервые экспериментально показано, что формирование двуволновой структуры фронта при упругопластическом высокоскоростном деформировании твердых тел начинается лишь по завершении нестационарного ударно-волнового процесса вблизи поверхности нагружения.

6. Впервые, в экспериментах показано нарушение соотношения Холла-Петча в случае наносекундного ударного нагружения поликристаллических твердых тел. Показано, что в мелкозернистых материалах ротационный механизм является определяющим пластическое деформирование, а деформационное упрочнение в них минимально.

7. Впервые показано, что наличие двухкаркаеной структуры нанометрового масштаба является основным фактором, определяющим значительное увеличение прочности двухфазных стекол, являющихся практически наноструктурным композитом.

8.Впервые экспериментально обнаружена возможность реализации квазирезонансного разрушения твердых тел при ударном нагружении цугом наносекундных импульсов.

9. Впервые экспериментально обнаружена корреляция спектра электромагнитного излучения и масштабов структурных уровней, определяющих процесс разрушения пьезоматериалов наносекундными импульсами-давления и показано существенное влияние корреляции масштабов дефектной структуры материалов и пространственно-временного спектра ударной нагрузки на процессы разрушения.

Практическая ценность. Практическая ценность диссертации, прежде всего, заключается в расширении базы экспериментальных данных и в создание физико-математических моделей особенностей термомеханических и ударно-волновых процессов в т вердых телах при наносекундных длительностях воздействий, что позволяет применять полученные результаты для решения широкого круга прикладных задач.

1 .Разработаны экспериментальные методы изучения термомеханических и ударно-волновых процессов с высоким временным ( ~ 10"9 с ) и пространственным разрешением ( — 10-10 м ).

2.Разработана и реализована методика повышения чувствительности лазерных интерферометров.

3.Разработаны методы исследований лучевой стойкости и особенностей разрушения оптических элементов при воздействии импульсного лазерного излучения, а также бесконтактный метод измерение коэффициентов поглощения слабопоглощающих оптических элементов.

4.Разработны и реализованы методики опто-акустический дефектоскопии и измерений упругих постоянных материалов и элементов конструкций.

5. экспериментально продемонстрирована и теоритически обоснована возможность острой фокусировки наносекундных импульсов давления в жидкости за счет оптимизации начального распределения давления на концентраторе.

6. Экспериментально показано и результатами численного моделирования подтверждено повышение эффективности переноса импульса и процесса разрушения при использовании трехстержневой ударной системы.

Автор защищает следующие научные положении:

1. Принципиальное различие термоупругих напряжений в тепло- и нетеплопроводящих материалах, обусловленное вкладом электронного механизма теплопереноса в металлах в формирование механических напряжений. Физико-математическую модель учета скорости теплового потока для адекватного описания термоупругой реакции теплопроводящих материалов. Возможность притяжение металлических объектов к источнику неоднородного нагрева.

2. Результаты исследований и анализ особенностей протекания нестационарного ударно-волнового процесса, на базе квазигармонического приближения физики твердого тела, демонстрирующего влияние энгармонизма и атомного строения твердых тел на характер этого процесса.

3. Результаты экспериментальных исследований, показывающие определяющее влияние нестационарного ударно-волнового процесса на формирование упругопластических волн в твердых телах при высокоскоростном деформировании.

4.Результаты экспериментальных исследований процесса упрочнения поликристаллических металлов при высокоскоростном ударном нагружении.

5. Результаты экспериментальных исследований, демонстрирующих влияние корреляция масштабов структуры материалов и пространственно-временного спектра ударной нагрузки, что, в частности, создает возможность квазирезонансного разрушения твердых тел при ударном нагружении.

6. Разработанные методы экспериментальных исследований и решение ряда прикладных задач. ,

Достоверность результатов. Применение высокоточных методов лазерной интерферометрии с высоким временным и пространственным разрешением, использование современных приборов регистрации, большое число взаимодополняющих экспериментов, применением стандартных статистических методов обработки экспериментальных результатов убедительно подтверждают достоверность исследований.

Ряд методов и устройств, использовавшихся в экспериментальных исследованиях, защищены авторскими свидетельствами и патентами.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на значительном числе научных конференций и опубликованы в их итоговых материалах:

Всесоюзн.Конф."Фундаментальные проблемы физики ударных волн",Черноголовка,1987; XIII Междуиар.конф.по когерентной и нелинейной оптике,Минск, 1988;V1II Всесоюзн.конф. "Взаимод.оптического излучения с веществом",Ленинград, 1990; X Междунар.конф."Воздействие иитесивиых потоков энаргии на вещество'',Терскол,1995; X сессии Рос. Акуст.общ., Москва, 2000; Conference «Shock-Compression of Condensed Matter», Atlanta, USA; July, 2001; X International Confrence Laser -Assisted Microtechnology, St.Peterburg 2003; 34th International Conference and NDT Exposition,DEFECTOSCOPY 2004,November 3-5,2004,Spindleriiv Mlyn - Czech Republic; FORUM ACUSTICUM,Budapest,2005; 33rd Inernational acoustic conftrence "Acoustics" High Tatras,2006, Slovak Republik; XXXVII Summer School conference "Advanced problems in mechanics", 2009. St.-Petersburg (Repino); ECF18 18th European Conference on Fracture. 30august -3september 2010 - Dresden; Warsaw, 4-7 July 2010. 7th International Symposium on Impact Engineering.; Международная научно-техническая конференция "ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ", сентября 2010 ,Киев; XXXIX Summer School Conference "Advanced Problems in Mechanics" Repino, St. Petersburg, July 15, 2011; Third International Workshop "PROTECT2011: Performance, Protection and Strengthening of Structures under Extreme Loading", Lugano, August 30 - September 01, 2011; X ВСФПТПМ, 24-30 августа 2011, Нижний Новгород; // Shock-Compression of Condensed Matter., Chicago, USA,.26 -01 July, 2011; Актуальныепроблемы механики сплошной среды", Армения, Цахкадзор,8-12октября 2012; ECF19, 2012, Kazan ; 39th European Physical Society Conference on Plasma Physics Stockholm, Sweden, 2-6 July 2012; I3lh International Conference on Fracture, June 16-21, 2013, Beijing, China; International Symposium on Impact Engineering, 2-6 September, Osaka, Japan

Публикации и личный вклад автора .По теме исследований, вошедших в диссертацию, автором опубликовано 51 печатная работа в отечественных и зарубежных изданиях. Личный вклад соискателя в работы, перечисленные в конце реферата, может быть охарактеризован следующим образом:

- работы [6,7, ,10,29,31-33] выполнены без соавторов; в работах [1, 4,12,16,17,25] разработка методики, участие в проведение экспериментов и анализе результатов выполнены совместно с соавторами; в работах [2,3,9,11,13,15,16,18-24,27-30,34-44,50,51] автору принадлежат постановка задачи, разработка методики экспериментов, участие в экспериментальных исследованиях и анализ результатов; в работах [45-49] ] автору принадлежит постановка задачи, разработка методики экспериментов и анализ результатов экспериментов и теоретической модели, соавторам принадлежит проведение

экспериментальных исследований, обсуждение результатов экспериментов и теоретической модели.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 362 наименований и содержит 265 стр. текста с 130 рисунками.

Глава 1. Исследования термоунругого отклика твердых тел на тепловые возмущения наносекундной длительности.

Введение. Наиболее общими для импульсных радиационных воздействий в широком диапазоне изменения их природы и характеристик (рентгеновское излучение, интенсивные атомные, ионные или электронные пучки, лазерное излучение, ЭМИ) являются термомеханические явления, обусловленные нагревом зоны энерговклада, возникновением тепловых полей и механических напряжений. Параметры этих полей во многом определяют термодиффузионные процессы, эволюцию структуры, возможность фазовых переходов, а также параметры инициированных упругих или ударно-волновых процессов [1-16] . При малых длительностях воздействий значительную роль при этом могут играть неравновесные процессы, определяющие времена термализации зоны энерговыделения.

Для моделирования динамических термомеханических явлений в различных средах наиболее гибкими представляются методы, использующие воздействие лазерного излучения. Широкий диапазон длительностей и длин волн существующих источников лазерного излучения, возможность достаточно просто управлять размерами и месторасположением зоны облучения позволяют моделировать термомеханические явления, типичные для того или иного вида радиационного воздействия, как с объемным, так и с поверхностным характером энерговыделения.

Исследования этих явлений вносят заметный вклад как в развитие фундаментальных представлений о механизмах, определяющих те или иные особенности радиационных воздействий, так и в решение прикладных задач, возникающих при современных технологиях обработки материалов с использованием радиационных, в частности лазерных, воздействий.

решении уравнения теплопроводности и уравнения движения с соответствующими граничными и начальными условиями [17-22]:

Анализ динамической задачи термоупругости основывается на совместном

/Д72й + (Я + /и)§гас1 (Ну и - (ЗЛ + 2у1)ат%гас1в + Р - рй = О

(В.1)

X

где 9 = Т - Т0 (Г0 = со}ш), х = —

ч

- коэффициент температуропроводности.

Система уравнений является связанной, благодаря члену —(ЗА + 2/.1)а1^тс1в в первом уравнении и члену --

(ЗЯ + 2м)агТ0 _

-¡—^■агуи во втором уравнении, и описывает

К

деформацию и изменение температурного поля тела, возникающую при нестационарных механических и тепловых воздействиях.

Впервые задача о тепловом ударе была рассмотрена в работах В. И. Даниловской [23,24] в рамках линейной теории температурных напряжений. Это наиболее простая постановка задачи, позволившая получить точное аналитическое решение, описывающие термоупругую реакцию твердых тел на внезапный скачок температуры на границе полупространства. В работе [25] решение В. И. Даниловской было расширено на случай линейного роста температуры на границе полупространства:

К

о

ех ^ег/с

11 2 л/х

-VI

\ ( ТЧ

+ е щс

\

1 5 Г^

2 л/х

с.

при 0 < г < г0, = при т0<т<*>

' К

+ег/с (В.2)

11 2 л/т

где ^ =--2 . х -

^ , ^о - время нарастания температуры у поверхности.

X X

На рис. В. 1 представлены зависимости напряжений от безразмерного времени т в сечении = 1 при г0 =0; 0,5; 1; 2 , построенные по этому решению.

•й,?

•Ш

-',0

1 г,-г | —Ц _ _ , ! ! ■

■чч^^йл........ 0ч\\ <,0 / "/ 1 1 -15

V. N \

\ \

* \

Рис. В. 1. Зависимости напряжения от безразмерного времени г в сечении — \ при г0 = 0; 0,5; 1;2.

Представленные зависимости показывают, что при нестационарном нагреве в произвольном сечении среды наблюдаются сжимающие напряжения, изменяющие знак в момент прихода волны разрежения через время г = тп +а/с]. При стационарном нагреве сжимающие напряжения до момента прихода волны разрежения отсутствуют.

В многочисленной литературе посвященной динамическим задачам термоупругости и тепловому удару обосновывается и развивается подобный подход и его применение к различным прикладным задачам. Последующее изучение проблемы динамической термоупругости [17-22,26-29] усовершенствуя методы решения этих задач, анализируя влияния связности, граничных условий и т.д., не внесло принципиальных изменений в характер этих решений.

Внимание к задачам динамической термоупругости существенно возросло в 70-80 годы в связи с появлением лазерных источников, а также разработкой и внедрением лазерных технологий обработки материалов.

В работах [12,30-33] на основе спектрального подхода представлен добротный анализ оптико-акустического (термоупугого) эффекта в конденсированных средах с учетом действия теплового источника в уравнении теплопроводности. В частности, в [31] было показано, что форма акустическрго импульса при термооптическом возбуждении определяется как характеристиками среды - коэффициентом поглощения света, и упругими характеристиками, так и параметрами лазерного излучения - длительностью импульса и размером области облучения. В работе с помощью метода передаточных функций проведен анализ влияния параметров лазерного импульса и свойств среды на временную форму акустических сигналов.

Показано, что спектр у(со) массовой скорости упругого импульса, возникающего в поглощающей области среды за счет термооптического преобразования, есть произведение огибающей спектра интенсивности лазерного импульса /д /{со) и передаточной функции К(со):

у(ш)=/0/(со).Цсо) • ехр(-/а)—) ' (В.З)

С1 ■

,где С1, - скорость продольных звуковых волн в поглощающей среде, /0 -интенсивность лазерного импульса, А[со)-огибающая частотного спектра интенсивности лазерного импульса, К.(ю) - передаточная функция, характеризующая термооптическое преобразование в среде.

То есть задача оптоакустики сводится к определению передаточной функции К{со), которая определяет относительную эффективность трансформации различных частот из оптического спектра 10/{со) в акустические.

Проведенный в [31] анализ передаточной функции с учетом соотношения характерных частот, определяемых тепловыми и упругими

(со, =с) /х) характеристиками среды, а также и ее оптическими свойствами

(а)1 = а"х ,соа - аспоказал, что в случае свободной границы облучаемой поверхности

среды передаточная функция соответствует решению задачи Даниловской В.И. о возбуждении звука в теплопроводящей среде при поверхностном нагреве. Соответствующие формы сигналов приведены на рис.В.2

Рис. В.2 Профили ОА импульсов, возбуждаемых в теплопроводящей среде при акустически жесткой границе - 1; при акустически свободной границе - 2 [31].

Таким образом, анализ термоупугого эффекта в твердых телах при импульсном лазерном воздействии, представленный в работах [31,32], дает результат для напряжений в тепло и нетеплопроводящих средах качественно подобный решению Даниловской В.И., но позволяющий количественно связать параметры упругих напряжений со свойствами среды и параметрами импульсного лазерного излучения.

Временные формы импульсов напряжений (либо массовой скорости частиц), описываемые этими решениями, представляют собой двуполярный импульс сжатия-растяжения с соразмерными значениями амплитуды и длительностью фаз порядка

длительности импульсов облучепия(рис.В2, кривая2). Теплопроводность среды при этом достаточно слабо влияет на изменение их амплитуды и длительности фаз.

Однако в ряде экспериментальных работ [34-37] отмечалось сущесхвепное отличие временной формы импульсных напряжений в металлах от прогнозируемых такими решениями. 11апример, результаты работ [34,35] подзывают что, в образцах из алюминия при малых интенсивное!ях облучения величина и длительность фазы растяжения значтельно превышает, предшествующий короткий пик сжатия (рис.В.За,б), а с повышением интенсивности облучения к термоупругому механизму генерации звука добавляется газодинамический эффек!, сопровождаемой процессами испарения(рис.В.Зв,г) и уменьшением фазы растяжения. Регистрация перемещения тыльной поверхности металлических образцов в этих работах осуществлялась пьезоэлектрическим и емкостным методами. Для сравнения с результатами работы [31] зависимости перемещения необходимо дифференцировать (рис.В.36,г).

а

1 5

2

б

5 0x10

г

Рис.В.З. Сигналы с пьезодатчика, пропорциональные смещению границы образец-пьезодатчик - а,в; дифференцированные зависимости смещения -б,г [35].

Таким образом, несмотря на многочисленные исследования задач динамической термомеханики, существует неоднозначность описаний временной формы напряжений, генерируемых импульсными тепловыми источниками, в частности в теплопроводящих средах. Отсутствует анализ влияния неравновесных процессов в области вклада энергии при наносекундных длительностях радиационного воздействия. Нет достаточно полной информации о различии процессов деформации при действии объемных или поверхностных тепловых источников малой длительности. Решение этих проблем [ребует дополнительных экспериментальных и теоретических исследований. В эгой связи возникает также необходимость усовершенствования существующих методов измерения деформаций и напряжений при субмикросекундных длительностях тепловых возмущений.

§1.1. Экспериментальные исследование механизмов генерации импульсных напряжений при взаимодействии наносекундного лазерного излучения с металлами.

Эволюция импульсных напряжений в зависимости от интенсивности лазерного импульса прослежена в работе [36]. В работе исследовались механизмы взаимодействия

лазерного излучения длительностью 3-Ю-8 с •

с металлическими зеркалами.

Обычно рассматриваются три процесса взаимодействия, сопровождающиеся генерацией акустических колебаний, амплитуда и форма которых определяется тем или иным физическим механизмом [9,10]:

1 - тепловой, когда температура поверхности остается ниже температуры плавления;

2 - процесс, сопровождающийся повреждением поверхности, связанным с плавлением и испарением вещества;

3 - взрывной процесс, обусловленный пробоем в парах и образованием свето-детонационной волны.

В экспериментах представленных в [36] исследовались параметры акустических сигналов, генерируемых при взаимодействии наносекундного излучения рубинового лазера ( X -0, 69 мкм, 1,,мп. = 3*10"8 с) с металлическими зеркалами при плотностях потока мощности 1-^3*108 Вт/см2. Это позволило впервые экспериментально проследить последовательность действия всех вышеуказанных процессов и разрешить вклад различных физических механизмов в генерацию акустического сигнала в металлах.

Диаметр облучаемой зоны был постоянен и равнялся 0.5 см. В опытах использовались полированные образцы из меди и алюминия, каждый опыт производился в новом участке одного и того же образца. Регистрировались сигналы: 1- с пьезодатчика, работающего в режиме короткого замыкания; 2- с фотодиода ФЭК-09, измеряющего зеркально отраженный от образца световой импульс; 3-с фотоумножителя ФЭУ-87, контролирующего момент возникновения факела. Энергия падающего на образец излучения измерялась калориметром ИКТ-1М.

На рис. 1.1.1 приведены временные профили акустических импульсов, возникающих в медном образце при различных плотностях потока облучения: а) N =5 МВт/ см2, б) N=40 МВт/см2, в) N =100 МВт/ см2, г) N=125 МВт/ см2. Временные профили акустических сигналов существенно различаются в зависимости от плотности потока мощности - изменяется соотношение отрицательной (сжатие) и положительной (растяжение) фаз сигналов.

1,0x10'

Рис. 1.1.1. Сигналы с пьезодатчика, пропорциональные скорости смещения границы образец - пьезодатчик при различных плотностях потока облучения[36].

На рис. 1.1.2 приведен характер изменения амплитуд фаз растяжения - сжатия в зависимости от плотности потока облучения. Параметры акусшческих сигналов при плотностях потока облучения N<11 МВт/см2 определяются тепловым механизмом.

2-

U.v

амплитуда фазы сжатия амплитуда фазы растяжения

N,W/cm

О 50 100 150 200 250 300

U v 0 6-

амплитуда фазы сжатия амплитуда фазы рас>ижения

N,W/cm

10 15 20 25

Рис. 1.1.2. Зависимости амплитуд фаз сжатия и растяжения от плотности мощности облучения - а, фрагмент зависимости - б, [36].

При значении плотности потока N=11 МВт/см2 на поверхности образца наблюдались следы расплава и эта интенсивность излучения, являлась граничной для теплового механизма взаимодействия.

Дальнейшее повышение плотности потока приводило к нарушению соотношения величин положительной и отрицательной фазы акустического сигнала. При N >20 МВт/см начинала существенно увеличиваться амплитуда отрицательного (сжатие) импульса, тогда как положительный (растяжение), сохраняя в начале линейную зависимость, в дальнейшем прекращал увеличиваться (N=45 МВт/см2). Это связано с влиянием испарения на акустический отклик металла. Импульс отдачи паров увеличивает величину сжатия, а изменяющиеся граничные условия на поверхности ограничивают рост величины растяжения.

Дальнейший рост сжатия и уменьшение растяжения обусловлено изменением соотношения механических импедансов на границе раздела металл - пар.

При увеличении N плотность и температура паров увеличивается, пар начинает сильно поглощать излучение лазера и при значении 7У=90МВт/см2 происходит оптический пробой в парах металла, акустический сигнал становится однополярным, так как определяется приповерхностным взрывом [38,39]. При N>90 МВт/см2 прекращается рост акустического отклика, что объясняется значительной экранировкой поверхности металла возникающим факелом. Однако дальнейшее увеличение N приводит к росту величины отклика и появлению второго максимума на временном профиле акустического отклика (рис. 1.1.2, г). Это, по-видимому, связано со значительным увеличением интенсивности ударной волны, возникающей в окружающей атмосфере за счет быстро расширяющегося плазменного поршня, и как следствие этого, изменением условий протекания приповерхностного взрыва[38-43].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Судьенков, Юрий Васильевич, 2014 год

ЖТФ, 1998,т.68,№6,с. 111-117 Литература

64. Ньютон И. Математические начала натуральной философии / М.: Наука, 1989. — 688

I

с.

65. Бернулли И. Избранные сочинения по механике/ М.; Л.: Гостехиздат,1937,с.294

66.Даламбер Ж. Динамика - М.; Л.:Гостехиздат,1950,с,343

67. Якоб и К. Лекции по динамике - М.; Л.:ОНТИ,1936,с.271

68.А.П.Иванов Динамика систем с механическими соударениями-М.:Междун.программа образования, 1997,с.336

69. Нагаев Р. Ф. Правильные импульсные движения в одномерной системе /ПММ,1967, ТЗ1 ,вып.2,с.242-252

70. Нагаев Р. Ф. Механические процессы с повторными затухающими соударениями. - М. : Наука, 1985. - 200с.

71. А. Сажко, Ю. В. Судьенков В. А. Пивнев, Д. А. Юнгмейстер -Исследование эффективности переноса импульса при ударе одиночным и сдвоенным стержнем-ударником.-XIV Международная научная школа им. акад. С. А. Христиановича «Деформирование и разрушение, материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках», Крым, Алушта, 20 - 26 сентября 2004

72. Семенов Б. Н., Судьенков Ю. В., Шин А. В. Юнгмейстер Д.А. Моделирование процессов переноса импульса при ударе одиночным и сдвоенным стержнем-ударником.-XV Международная научная школа им. акад. С. А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках», Крым, Алушта, 20 - 26 сентября 2005

73. Ю. В. Судьенков, Ю.Б. Никитин -Множественный квазипериодический откол в №С1 при пульсирующей и знакопеременной ударных нагрузках. Письма в ЖТФ", 1993,т.19,в.12,с.62-65

74. Судьенков Ю.В., Сусликов А.И. Влияние спектра ударного импульса на характер и порог откола в ПММА. Стр 48-53, «Ударно-вибрационные системы машины и технологии» Материалы III международного научного симпозиума - Орел: ОрелГТУ, 2006. 543 с.

75. Ефремов Э.И.,Петренко В.Д.,Кратковский И.Л.-Проблемы разрушения и дезинтеграции полиминеральных горных пород при различных видах нагружения. труды Межд.конф.по механике горн.пород, -М.:1994..

Заключение

1.Разработаны экспериментальные методы изучения термомеханических, процессов при лазерном воздействии на материалы. Впервые показано принципиальное различие характера импульсных термоупругих напряжений в тепло- и нетеплопроводящих материалах.

2. Впервые продемонстрирована в эксперименте возможность перемещения металлических объектов в направлении источника неоднородного нагрева и представлен теоретический анализ этого эффекта.

3.. Впервые получены экспериментальные данные о динамики движения облучаемой поверхности твердых тел при наносекундной длительности импульсов излучения и представлена модель, учитывающая влияние неравновесных процессов на параметры ее движения.

4. Впервые получены данные, свидетельствующие о неравновесном характере процессов в твердых телах вблизи поверхности ударного возмущения - в зоне формирования импульсных напряжений. Представлен анализ обнаруженных особенностей протекания нестационарного ударно-волнового процесса, показавший определяющее влияние энгармонизма и атомного строения твердых тел на характер этого процесса.

5.Впервые экспериментально показано, что формирование двуволновой структуры фронта импульсов напряжения при упругопластическом высокоскоростном деформировании твердых тел начинается лишь по завершении нестационарного ударно-волнового процесса вблизи поверхности нагружения.

6. Впервые обнаружено нарушение соотношения Холла-Петча в случае наносекундного ударного нагружения поликристаллических металлов, обусловленное корреляцией пространственно-временных параметров ударной нагрузки и характерных масштабов структуры поликристаллических материалов.

7.Исследовано различие прочностных свойств однородных и двухфазных стекол. Показано, что наличие двухкаркасной структуры нанометрового масштаба является основным фактором, определяющим увеличение лучевой и механической прочности двухфазного стека - практически, наноструктурного композита.

8.Экспериментально показана возможность реализации квазирезонансного разрушения твердых тел при ударном нагружении цугом наносекундных импульсов.

9. Показано, что наряду с известным влиянием величины и длительности ударного импульса на процессы разрушения существенное влияние имеет корреляция масштабов дефектной структуры материалов и пространственно-временного спектра ударной нагрузки.

10. Разработаны методы экспериментальных исследований, позволившие решить целый ряд прикладных задач.

В заключение хочу поблагодарить всех соавторов исследований, представленных в данной работе. .