A study of dissipative properties of synthetic mineral alloys for developing of armor protection on their basis

Full Text

Введение. Важным элементом конструкции современной авиационной и военной техники является броневая защита. Пассивная защита работает как «поглотитель – диссипатор» энергии снаряда или внешнего энергетического воздействия. В авиационной технике пассивная защита применяется для бронирования турбинных двигателей, причем в этом случае она защищает не только от внешнего, но и от внутреннего возможного воздействия, например в тех случаях, когда лопатка турбины в экстремальных ситуациях отрывается во время вращения. По ряду причин применять металлы для создания пассивной защиты неэффективно, прежде всего потому, что металлы плохо диссипируют энергию, поражающий элемент легко пробивает металлический лист в месте удара и проходит его насквозь, при этом снаряд продолжает движение, но с более низкой скоростью [1]. Наиболее широко в качестве материала для создания пассивной броневой защиты применяется керамика. Керамические и комбинированные слоистые вкладыши на основе керамики (в основном корунда) используются для индивидуальной защиты в бронежилетах, керамическими комбинированными панелями защищают фюзеляж вертолетов и другие части летательных аппаратов [2]. С развитием науки о материалах номенклатура неметаллических их разновидностей, перспективных для создания брони, пополнилась нанокерамикой, волокнистыми и углеродными материалами, синтетическими минеральными сплавами [3]. Синтетическими минеральными сплавами (симиналами) называют неорганические неметаллические материалы, состоящие из оксидов ультраосновного или основного характера на основе диоксида кремния. От керамики симиналы отличаются тем, что их получают в результате высокотемпературного синтеза (переплавления), а не в результате спекания. С точки зрения строения симиналы обладают многофазной структурой, они содержат две и более кристаллические фазы и как минимум одну аморфную, однако при этом симиналы не относятся к стеклокристаллическим материалам, поскольку обладают склонностью к кристаллизации без дополнительного модифицирования. Цель настоящей работы – исследовать диссипативные свойства и оценить возможность использования симиналов в качестве материала для пассивной брони. Объект и методы исследования. В качестве объекта исследования рассматривается симинал на основе горнблендита базальтового типа, его обобщенный состав указан в таблице. Из данного симинала были изготовлены образцы в форме дисков диаметром 30 мм и толщиной 5 мм. Оценить диссипативную способность материалов представляется возможным экспериментальным путем с использованием специализированных испытательных установок. Экспериментальные исследования проходили на установке высокоскоростного пробивания (рис. 1). Оксидный состав силикат-хромитового симинала, мас. % SiO2 Al2O3 CaO FeO MgO Fe2O3 TiO2 K2O+Na2O Cr2O3 п.п.п 47,3 12,5 9,5 10,9 8,3 3,4 2,3 2,1 0,5 3,2 Рис. 1. Схема установки для испытания образцов на пробивание: 1 – камера высокого давления; 2 – ствол; 3 – фотодатчики; 4 – поддон; 5 – ударник; 6 – отсекатель; 7 – рама; 8 – устройство для крепления мишени; 9 – мишень; 10 – приемная камера; 11 – улавливатель Принцип действия установок основан на том, что они имитируют ситуации, возникающие при эксплуатации брони в реальных условиях, при этом они оснащены приборами для фиксации тепловых изменений на поверхности образцов. Установка для динамических прочностных испытаний на сжатие основана на реализации метода Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона. При проведении испытаний фиксация диссипации энергии в режиме реального времени осуществлялась с помощью инфракрасной камеры CEDIP Silver 450M. Изображения, полученные съемкой с применением инфракрасной камеры, были проанализированы с помощью программного обеспечения, в результате по интенсивности окрашенных участков на изображении была установлена величина температуры нагрева отдельных участков на образцах в момент их разрушения. Испытания на установке высокоскоростного пробивания проводились с применением стандартного цилиндрического ударника, укороченного ударника и стального шарика. Результаты и их обсуждение. В результате было установлено, что при налетании стандартного ударника на верхнюю часть образца со скоростью 650 м/с максимальная температура на тыльной поверхности мишени в момент разрушения составила 94 °С (рис. 2). При налетании ударника в виде шарика из высокоуглеродистой стали диаметром 6 мм, массой 1 г со скоростью 65 м/с в нижнюю часть образца максимальная температура на тыльной поверхности мишени составила 100 °С. При попадании укороченного ударника диаметром 5 мм, длиной 45 мм, массой 6,8 г со скоростью 49,5 м/с в середину образца максимальная температура на тыльной поверхности мишени составила ~60 °С. При скорости 125 м/с температура составила ~40 °С, при налетании того же ударника, но в низ образца и со скоростью 80,6 м/с, максимальная температура составила ~92 °С. При скорости 650 м/с характерный размер фрагментов разрушенного образца составил ~0,5 – 1,0 мм. При скорости 65 м/с и ударе стальным шариком характерный размер фрагментов составил ~5 – 10 мм. Рис. 2. Температура тыльной стороны мишени в момент разрушения стандартным ударником со скоростью 650 м/с (чем светлее цвет, тем выше температура) При более высоких скоростях соударения нагрев образца происходит во множестве областей, при более низких скоростях диссипация энергии интенсивно происходит в небольшом количестве очагов. Эксперименты, проведенные на установке для динамических прочностных испытаний, позволили конкретизировать результаты, представленные ранее. Для первого эксперимента использовался образец диаметром 11,5 мм и толщиной 5,0 мм, зоной приложения нагрузки был верх образца, скорость налетания ударника на нагружающий стержень 22,7 м/с. На рис. 3 представлена графическая форма получаемых результатов. Для второго эксперимента использовался образец диаметром 12,2 мм и толщиной 4,9 мм, зоной приложения нагрузки была середина, скорость налетания ударника на нагружающий стержень 25 м/с. Для третьего эксперимента использовался образец диаметром 12,0 мм и толщиной 5,2 мм, зоной приложения нагрузки была нижняя часть образца, скорость налетания ударника на нагружающий стержень 23,1 м/с. Для четвертого эксперимента использовался образец диаметром 12,0 мм и толщиной 5 мм, зоной приложения нагрузки была середина образца, скорость налетания ударника на нагружающий стержень 24 м/с. Рис. 3. Графическая форма представления результатов – зависимость напряжения сжатия от деформации и скорости деформации от деформации Наблюдение за ходом экспериментов позволило установить, что при скоростях деформаций ~2,5·103 с-1 образцы разрушаются на мелкие фрагменты с характерным размером менее 1 мм, а температура при разрушении на поверхности образца находится в диапазоне 100 – 200 °C. Обобщая результаты, полученные в ходе экспериментов с привлечением двух испытательных установок, следует отметить: – величина осколков образца при разрушении сопоставима с размерами макроскопических кристаллических агрегатов в его структуре, то есть составляет 0,5 – 1,0 мм; – нагрев тыльной стороны образцов в момент столкновения неравномерный, максимальная температура концентрируется в отдельных участках, которые обозначены на снимке более светлыми пятнами; – зависимость величины деформации и температуры нагрева от скорости налетания ударника имеет нелинейный характер, зависимость имеет преимущественно параболический вид; – образец разрушается практически полностью вне зависимости от точки приложения удара. Симиналы представляют собой поликомпонентные конгломераты, состоящие из разнотипных минеральных зерен различных размеров и формы, они скреплены аморфными прослойками различных составов [7]. Все это создает большую неоднородность среды, способствующей возникновению различных значений локальных напряжений и скоростей распространения возмущений, их взаимодействию с неоднородностями и друг с другом [4-5]. Это частично объясняет наличие локальных нагретых областей на тыльной поверхности образца, однако не объясняет, почему образец практически равномерно рассыпается на частицы мельчайшего размера. Опыт изучения симиналов [8] позволяет нам говорить о том, что деформационные преобразования, в частности релаксация, могут приводить к изменениям в структуре. Многие из минеральных составляющих симиналов склонны к полиморфизму [9], под действием сжимающих сил в них происходят процессы двойникования, сдвиговые деформации и даже переход от одной полиморфной модификации к другой. Температура нагрева на поверхности образца, разумеется, слишком низка для того, чтобы произошли полиморфные превращения, однако из опыта механосинтеза [10], который также занимается вопросами диссипации, нам известно, что многие структурные превращения могут происходить и без высоких температур. Структурные преобразования в материале возможны, когда величина механической нагрузки приближается к величине критического напряжения сдвига. Согласно проведенным нами механическим испытаниям деформация сдвига у симиналов может возникнуть при воздействии нагрузки, равной 11 кН, следовательно, структурные преобразования в них могут происходить и при относительно низких показателях нагрузки. Поскольку в процессе удара симиналы явно испытывают большую нагрузку, макроскопическая пластическая деформация осуществляется главным образом путем размножения подвижных дислокаций различного типа. В зависимости от скорости движения дислокаций и температуры преобладают различные механизмы торможения дислокаций и обусловленной ими диссипации энергии. Периодическое изменение конфигурации ядра дислокации и неравномерность ее движения по рельефу структуры приводят к излучению дислокацией упругих волн, т. е. к радиационному трению. Таким образом, при пластической деформации преобразование подведенной механической энергии проходит следующие этапы: механическое воздействие → волны деформации →движущиеся дислокации, при большой скорости генерирующие впереди себя упругие волны → взаимодействие движущихся дислокаций с кристаллической решеткой, ее дефектами и между собой → диссипация энергии в виде тепла → аккумуляция энергии в решетке твердого тела в виде структурных дефектов. При подведении удельной механической энергии, превышающей предел прочности твердого тела, происходит его разрушение, что и наблюдается при испытании симиналов. Поскольку волны деформации взаимодействуют с внутренними колебаниями решетки, которые могут быть значительными в особенности в аморфных прослойках, могут возникать резонансные явления. В результате резонансных явлений при прохождении волн через твердое тело в зоне границы разнородных фаз могут образовываться блоки, размер которых зависит от подведенной энергии. Из-за того, что материал неоднородный, механические нагрузки от удара концентрируются на очень малых площадках и создают высокие механические напряжения. При ударе пробойника в структуре симиналов возникают собственные волновые колебания, которые провоцируют структурные преобразования, приводящие к «саморазрушению». Симиналы в результате внутренней реакции, спровоцированной энергетическим воздействием, скачкообразным образом переходят к состоянию «саморазрушающегося» материала, наподобие саморазрушающихся металлургических шлаков. Фазовые преобразования приводят к неоднородному изменению плотности вещества в разных участках материала: там, где присутствуют минеральные фазы, плотность, вероятно, повышается; в аморфных участках она может и увеличиваться, и уменьшаться. Возникает ситуация, при которой одни структурные составляющие лавинообразно увеличиваются в объеме, а другие уменьшаются, что и приводит к разрушению. Применительно к симиналам, рассматривая процесс разрушения или парный процесс «разрушение → саморазрушение», можно сказать, что структурные и фазовые превращения при диссипации энергии симиналами возможны вследствие следующих процессов. Преобразование структуры, которое мы определили как вызванное деформацией и разгрузкой, может происходить путем сдвиговых деформаций, кручения решетки, изменения объема твердого тела непосредственно в волне сжатия и сопровождаться изменением координации ионов, разрывом и перегруппировкой межатомных связей, переносом электронов и другими физическими и химическими преобразованиями. При динамических механических воздействиях энергия, подведенная к системе, распространяется в виде сильной пластической или условно «ударной» волны, возбуждая коллективное колебание «элементов» твердого тела (решетки, ионов, атомов и пр.), соответствующих уровню ее энергии. Самоорганизация структуры, фазовые переходы и химические превращения происходят непосредственно в области взаимодействия сильных пластических («ударных») волн сжатия и разгрузки между собой и с волнами, генерируемыми твердым телом при механических нагрузках и напряжениях выше динамического предела текучести или теоретической прочности твердого тела. Фазовые и структурные превращения, а также «локальная потеря устойчивости структуры», т. е. нарушение только некоторых химических связей, могут происходить за счет резонансного возбуждения определенных мод колебаний вследствие обратной связи между макро- и микродвижением вещества. Возвращаясь к практике применения симиналов, можно сказать следующее: при воздействии на них ударных нагрузок, аналогичных воздействию движущихся снарядов или поражающих элементов, в материале запускается термодинамическая реакция, приводящая к структурному переходу в состояние саморазрушения. Однако величина блоков, на которые разделяется материал, и размер зоны преобразований зависят от интенсивности воздействия. Поскольку механическая энергия переходит в волновую, которая провоцирует реакцию с поглощением теплоты, величина нагрева образца незначительна. Согласно анализу инфракрасных изображений и градиенту размеров осколков можно выделить несколько зон разрушения в образце на протяжении его толщины (рис. 4). В зоне очага разрушения, непосредственно примыкающего к месту контакта с ударником, происходит наиболее интенсивное разрушение симинала с образованием значительного количества мелких фракций. Рис. 4. Образование зон разрушения в образце симиналов: r – расстояние от зоны до передней стенки образца; Rp – радиус зоны основного измельчения; Rd – радиус зоны дробления; Rtr – радиус зоны трещинообразования; hi – толщина откольных зон В зоне радиального трещинообразования тангенциальные растягивающие напряжения превышают динамический предел прочности и образуются радиальные трещины. Очевидно, что резкой границы зоны трещинообразования благодаря неоднородности среды и ее естественной блочности не может быть. Поэтому вблизи границы области трещинообразования и вне ее существует зона нерегулируемого дробления. Заключение. Таким образом, в результате проведенных испытаний установлено, что симиналы обладают высокой способностью к диссипации механической энергии, возникающей при соударении с поражающим элементом. Механическая энергия преобразуется в них в волновую, а затем значительная ее часть уходит на обеспечение структурных преобразований в материале, которые заканчиваются саморазрушением; оставшаяся часть энергии переходит в тепловую. Следовательно, симиналы могут служить пассивной броневой защитой.

About the authors

Anna M Ignatova

National Research Perm Polytechnic University

Email: anutapages@gmail.com
(Ph.D. (Techn.)), Assistant. 29, Komsomolsky pr., Perm, 614000

Arseny O Artemov

National Research Perm Polytechnic University

Email: anutapages@gmail.com
Assistant 29, Komsomolsky pr., Perm, 614000

Vasily V Chudinov

Institute of Continuum Mechanics, Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: anutapages@gmail.com
Engeneer 1, Akad. Koroleva st., Perm, 614013

Mihail N Ignatov

National Research Perm Polytechnic University

Email: anutapages@gmail.com
(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 29, Komsomolsky pr., Perm, 614000

Mihail A Sokovnikov

Institute of Continuum Mechanics, Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: anutapages@gmail.com
Head of Lab 1, Akad. Koroleva st., Perm, 614013

References

Supplementary files