p = px + pT и E = Ex + ET , (1.7)
Так как составляющие px и Ex связаны только с силами взаимодействия между частицами и не зависят от температуры, то они представляют собой изотермы при T=0 К: px = px (V) и Ex = Ex (V). Введем для твердого тела соотношение:
pT = ГET / V ,
Коэффициент Грюнайзена Г(V) равен отношению теплового давления pT к плотности тепловой энергии ET / V, колеблется в диапазоне 1...3 при нормальных условиях и связан с величинами px и V формулой:
Г(V) = 2/3 - V/2(d2px / dV2) / (dpx / dV) . (1.8)
В жидких и твердых средах величины давления и энергии обусловлены как тепловым движением частиц, так и их взаимодействием (тепловые и упругие составляющие).
Для описания экспериментальных результатов наиболее привлекательна пара переменных D-v . Это связано с тем, что для многих твердых сред выполняется закон:
D = a + bv . (1.9)
где a, b - константы. При фазовых переходах и заметной пористости материала (начальной либо накопленной в процессе деструкционного деформирования) наблюдаются отклонения от линейного закона (1.9).
Введем показатель сжимаемости z = (V0 - V) / V0 = 1 - p0V = v/D . Тогда D = a / (1 - bz) и уравнение (1.2), описывающее закон сохранения импульса на фронте УВ, примет вид при p0 ~ 0:
pГ = p0az / (1 - bz)2 , (1.10)
а уравнение для энергии при E0 ~ 0:
EГ = zpГ / 2p0 . (1.11)
Давление и энергию (p и E) при произвольном сжатии можно связать с их значениями на адиабате Гюгонио (pГ и EГ) уравнением состояния:
E = EГ + (p - pГ) / рГ , (1.12)
где Г = V(dp/dE)v - средняя величина параметра Грюнайзена, которую принято считать практически независимой от давления, т.е. pГ = p0Г0 (нулевой индекс соответствует значениям при комнатной температуре и нулевом давлении).
Для расчета изэнтроп необходимо использовать термодинамический закон dE = TdS - pdV, который при dS =0 совместно с уравнениями (1.10) - (1.12) позволяет последовательно вычислить значения p, V и E на изэнтропах.
2. Ударные волны в твердых телах.
2.1. Поведение твердого тела при ударно-волновом нагружении.
Твердое тело по своей природе является сложной квантово-механической системой. Полное математическое описание такой системы невозможно, поэтому обычно рассматриваются более простые приближенные модели. Ограничения, определяющие тип модели, должны относиться к второстепенным процессам и связаны с характером межатомных сил взаимодействия, типом кристаллической решетки, ее дефектами и структурой, а также с основными микроскопическими физико-механическими свойствами твердого тела.
Параметр Грюнайзена, характеризующий отношение теплового давления и тепловой энергии решетки, для твердого тела задается следующим соотношением:
Г = -d{lnQ(V)} / d{lnx} . (2.1)
где Q(V) = hwm / k - температура Дебая, разделяющая высокотемпературную и квантовомеханическую низкотемпературную области (wm - максимальная частота в дебаевском распределении частот); x =V/V0 - безразмерная переменная (V - текущий удельный объем, V0 - удельный объем металла при нормальных условиях).
Процессы деформации и разрушения тела при нагружении изучают как с позиций, основанных на дискретном строении тела, так и на основе макроскопического подхода, связанного с представлением твердого тела в виде области, заполненной непрерывной сплошной средой. Если изучение деформации и разрушения твердого тела с микроскопических позиций основано на анализе искажений кристаллической решетки и соответствующих им напряжений, вызванных действием на тело внешних силовых факторов, то с позиций механики сплошной среды движение частиц тела определяется в большей степени физическим и механическим поведением среды. При этом модель твердого тела может быть представлена сплошной средой с определенными физико-механическими свойствами.
Механическое поведение твердых тел определяется сопротивлением сдвигу, которое связано со свойствами упругости, пластичности и вязкости материала, а также с изменением формы тела. Механическое поведение среды при нагружении описывает уравнение:
si = si (ei , ei`, T, ...) , (2.2)
где (s) - тензор напряжений, (e) - тензор деформаций, (e`) – средняя скорость деформации. Уравнение механического поведения среды (2.2) устанавливают экспериментально или теоретически. При этом для суждения о прочности тела необходимо также привлекать механические характеристики (sT - предел текучести, sВ - предел прочности) и критерии (условия) прочности. Под прочностью понимают способность тела сохранять свою сплошность в процессе деформации при нагружении.
В начальной стадии деформации (si < sT) тело испытывает упругую деформацию, затем с увеличением интенсивности напряжений (si > = sT) оно деформируется пластически и при (si = sВ) достигает предельного состояния, при котором возможно нарушение сплошности среды, и переходит в стадию разрушения.
Для процессов распространения ударных волн в металлах наибольший интерес представляет динамическая сжимаемость. Свободную энергию твердого тела можно представить в виде двух слагаемых: F = U0(V) + UD(V, T), где U0(V) - энергия взаимодействия атомов тела при нулевых колебаний; UD(V, T) - энергия колебательного движения атомов тела при T>0 К в приближении Дебая. Тогда можно получить уравнение состояния Ми - Грюнайзена:
p = - (dU0 / dV) + Г UD / V . (2.3)
Приращение внутренней энергии DE при ударном нагружении твердого тела характеризуется площадью, ограниченной кривой аb (рис.1). Часть энергии DU0, которой в координатах p-V соответствует площадь, ограниченная кривой «холодного» сжатия px (V), является упругой составляющей и не связана с изменением температуры материала. Разность DUD = DE - DU0 определяет приращение тепловой энергии, которая расходуется на нагрев материала при адиабатическом сжатии. В металле, сжимаемом ударной волной, выделение теплоты вызывает сжатие металла до состояния повышенной плотности и пластической деформации металла в условиях, близких к адиабатическим из-за кратковременности процесса ударного сжатия.
Рис. 1. Диаграмма ударного сжатия(pГ – адиабата Гюгонио; px – кривая «холодного» сжатия при T=0К)
Аналогично внутренней энергии давление на ударной адиабате (2.3) можно представить в виде двух слагаемых: упругого («холодного») px и теплового pT давлений. Так как px (V) = = - (dU0 / dV) и pT (V, T) = ГUD / V , то
p = px (V) + Г(E - U0) / V (2.4)
Параметр Г не зависит от температуры, а его значение можно оценить из следующих соображений. Запишем уравнение состояния (2.4) в виде
p + dU0 / dV = Г(E - U0) / V . (2.5)
Подставив в него выражение для энергии (1.3) при условиях E0 = U0 и при p>> p0 получим уравнение:
V dU0 / dV + Г U0 = - {Г pГ (V)V / 2}{1 + 2 / Г + V0 / V} , (2.6)
где p(V) заменяется на экспериментальное уравнение адиабаты ударного нагружения pГ.
Параметр Грюнайзена Г определим путем сравнения двух состояний, соответствующих ударному сжатию сплошного и пористого металлов, до одного и того же объема V1. Так как разность давлений Dp = p2 – p1 вызвана разностью тепловых энергий D UD = E2 - E1 = 0,5[p2 (V00 - V0) - p1 (V0 - V1)], где V00 - начальный удельный объем пористого металла, то Dp = D pГ. Тогда в соответствии с определением параметра Грюнайзена получим:
Г = V1D pT / D UD = 2 / (p2V00 - p2V0) / [V1 (p2 - p1)]-1 , (2.7)
причем для металлов Г ~ 1,6 .... 2 .
Общие принципы построения уравнения состояния твердого тела по данным испытаний на динамическое сжатие основаны на следующих допущениях: а) измеряемые величины p, V, E соответствуют состоянию мгновенного термодинамического равновесия; б) деформации сжатия при данном ударном давлении и эквивалентном гидростатическом давлении тождественны. Первое условие выполняется в элементарном объеме, если термодинамическое равновесие устанавливается за время прохождения ударной волны этого объема (приблизительно 10-7 с).
Для установления уравнения состояния недостаточно знать адиабату ударного нагружения pГ(V), так как при умеренных температурах и давлениях до 102 ГПа уравнение состояния характеризуется нулевой изотермой px(V) и параметром Грюнайзена Г(V), для которых предполагается существование взаимной связи Г = Г(px) .
Полная работа, сообщенная единице массы при импульсном нагружении, равна p(V - V0). Половина этой работы согласно законам сохранения массы и количества движения (1.1) - (1.2) превращается в кинетическую энергию, а остальная часть идет на повышение внутренней удельной энергии:
E = 0,5p(V0 - V) . (2.8)
Соотношение (2.8) является адиабатой ударного сжатия среды, в котором p обозначается через pГ, чтобы отличить ударное сжатие от обычного.
Экспериментальные исследования показали, что при ударных давлениях p < 50 ГПа разогрев металла не оказывает существенного влияния на его свойства, поэтому при решении многих задач вместо уравнения (2.2) можно использовать более простое уравнение s = s(e) или s = s(p) .
Ударноволновое нагружение - частный случай динамического нагружения. Оно реализуется при взрыве и ударе, характеризуется очень быстрым приложением и кратковременным действием 10-3 - 10-6 с. нагрузки, а интенсивность воздействия достаточна для того, чтобы произвести большие изменения в теле вплоть до разрушения. При этом образуются изменяющиеся во времени области локальных напряжений и деформаций, способствующие инициированию процесса разрушения в одной части тела независимо от того, что происходит в другой части.