Представляет интерес также то, что большинство остаточных изменений в металле, произведенных ударной волной аналогичны изменениям, произведенным холодной прокаткой.
Большую осторожность нужно проявлять приписывая какой-либо эффект действию ударного нагружения, так как возникают трудности при сохранении образца с известной историей напряжения и температуры.
Ударные волны в металле. Получение и области их приминения.
Ударные волны возникают при большом ускорении поверхности слоя металла. Способ получения таких ускорений - детонация взрывчатого вещества, находящегося в контакте с материалом либо контакт с быстролетящим снарядом. Ударный фронт математически представляет собой скачок плотности, энергии и энтропии. Физически, конечно, эти величины должны изменятся в течении времени подъема давления, определяемого такими параметрами как теплопроводность, вязкость, а также размером зерна и однородностью металла. В случае сильных ударных нагружений в однородном изотропном металле, время подъема давления не разрешимо представленными методами и может быть меньше 10-8 секунды. Для неоднородных материалов типа камней время подъема давления зависит от масштабов неоднородностей.
При низких давлениях наблюдается упругий предвестник, сопровождаемый пластической волной нагрузки. Время подъема давления разрешимо для некоторых ОЦК металлов, а также для железа и стали. Определяется возможная верхняя граница скорости деформации при конкретном ударном нагружении. Для такой двухволновой системы фронт ударной волны выражен плохо и появляется относительно большое время подъема давления. Время подъема обоих фронтов зависит от действующего давления. Для алюминия при давлении в 13 кбар Линде и Шмидт нашли, что время подъема давления для упругого предвестника примерно 10-8 сек. , а для пластического волнового фронта примерно 2*10-7 сек.
Волна уменьшающая величину напряжений называется волной разгрузки. При проходе этой волны уменьшается давление в одном участке твердого тела по отношению к другим. Процесс разгрузки является адиабатическим, и путь разгрузки обычно называется адиабатой разгрузки. Вообще волновой фронт этой волны удлиняется по мере ее распространения.
Законы Сохранения и Уравнения Состояния.
Пусть ударная волна перемещается в материале с скоростью U, ускоряя частицы до скорости u при подъеме напряжения от 0 до 1, плотности от р0 до р1 и повышение внутренней энергии от Е0 до Е1. Скорость удара может быть больше или меньше, чем скорость волны сжатия и находится в диапазоне 1-10 км/сек. Огибающая конечных состояний (локус) может быть достигнута в течении времени прохождения фронта ударной волны и однозначно характеризуется для данного материала начальным состоянием перед ударом. Эта огибающая в координатах объем-напряжение обычно называется как кривая уравнения состояния Рэнки-Гюгонио или просто кривая Гюгонио. Для вычисления температуры по кривой Гюгонио, а также при определении состояния данного материала по кривой Гюгонио, требуется уравнение состояния для этого материала. Для этого необходимо пренебречь жесткостью решетки и рассматривать данное твердое тело как жидкость, которая характеризуется только тремя термодинамическими переменными. Величина ошибки при этом приближении неизвестна, но очевидно мала для сильных ударных нагружений( см. вычисления Дюваля).
Модели сплошного ударного сжатия.
а. Гидродинамическая модель.
Для общего рассмотрения воздействия ударной волны на металлический образец можно проигнорировать влияния прочности материалов на эффекты, связанные с прохождением ударной волны в образце. Были проведены обширные измерения Гюгонио в различных металлах, результаты которых были опубликованы в отчетах научных лабораторий Лос Аламоса. Эти измерения начинаются с давлений порядка 100kbar, что на порядок выше, чем предел текучести металла и аналитически удовлетворяют данным, которые используются при интерполяции от p0 и до более высоких значениях давления. Однако следует отметить, что в данной модели Гюгонио при давлениях близких к нулю физически не определен.
Также, следует ожидать, что при очень высоких значениях давления во всех металлах может идти образования структур с более плотной упаковкой атомов. Например для железа при давлениях порядка 130kbar идет превращение ОЦК решетки в более плотную ГПУ структуру.
б. Упруго-пластическая модель.
При низких значениях давления уже нельзя игнорировать прочность материалов. Для ударных напряжений ниже предела текучести, материал ведет себя упруго. Величина напряжение, действующего по оси, перпендикулярной плоскости удара, при котором еще сохраняется упругость материала называется упругим пределом Гюгонио (HEL); эту величину иногда можно предсказать из статических измерений прочности. Если величина ударного нагружения превышает HEL, то материал деформируется.
Результаты экспериментов показывают, что для некоторых металлов характерно именно это упруго-пластическое поведение. Основным недостатком этой модели является неопределенность поведения статического упругого предела текучести при достаточно высоких значениях давления.
Решеточные модели ударного сжатия. Фронт ударной волны.
Было сделано несколько попыток описание фронта ударной волны, используя термин дислокаций. Впервые этот вопрос был затронут в работах Смита по металлографическому исследованию железа, меди и других металлов, подвергшихся ударному нагружению. Он показал, что для простоты описания фронта ударной волны, его можно рассматривать как плоскую сеть двух систем наклонных краевых дислокаций. Эта граница( фронт ударной волны ) может двигаться в перпендикулярном направлении к границе, возникшей в результате движения дислокаций, и результатом движения которой будет необходимое изменение плотности образца без возникновения остаточных дефектов решетки. Кроме того такая граница раздела может двигаться и при волне разряжения, не оставляя никаких остаточных структурных изменений кристаллической решетки образца. Смит также указал, что в реальной ситуации полная обратимость при движении фронтов ударной волны и волны разряжения маловероятно, так как в образце скорей всего будут широко распространены источники и стоки дислокаций. В этой модели также требуется чтобы дислокации двигались со сверхзвуковой скоростью, что ранее считалось невозможным. Однако немецким физиком Строхом была показана принципиальная возможность движения краевых и винтовых дислокаций со сверхзвуковой скоростью. Кроме того австрийским и голландским физиками Франком и Ван де Мерве параллельно с англичанином Эшебли показали принципиальную возможность движения дислокаций с неограниченной скоростью.
Гюгонио в модели Смита представляет собой сформировавшиеся петли дислокаций. Краевые компоненты дислокаций распространяются вдоль фронта ударной волны, в то время как винтовые компоненты неподвижны и, поглощая энергию, они удлиняют волновой фронт за счет краевых компонент. Если противоположные сегменты винтовой части одной и той же петли дислокации имеют разные знаки, то они могут позже взаимослиться; винтовые сегменты различных петель могут позже формироваться в узлы. Кембелл показал, что для типичный источник Франка-Риида начинает размножаться за время порядка 10-8 сек. для напряжений гораздо более низких, чем возникающих во время ударного напряжения, а значит должен возникнуть механизм для появление предела текучести во фронте ударной волны. МакКлинток предположил, что начальные плотности дислокаций до ударного нагружения могут быть достаточны для обеспечения, путем размножения дислокаций, достаточно высоких значений напряжения при прохождения ударной волны. Кроме того в работах Кована было показано, что при достаточно сильном ударном нагружении может быть превышена величина сдвиговой прочности образца, с соответствующем изменением в механизме деформации. Американские физики Давис и Джексон предположили, что возникновение при сдвиге малых циклов дислокаций во фронте ударной волны может быть одним из основных механизмов возникновения напряжения в образце.
Также следует отметить, эта модель не дает ответ на очень важный вопрос - можно ли рассматривать распространения дислокаций на большие расстояния, как непрерывное создание дислокаций во фронте ударной волны.
Гюгонио в координатах P-V и его значения.
Для интерпретации результатов ударного нагружения образца очень важно знать структуру этого нагружения. Например, Гюгонио, показанный на рис.2, такой, что одиночная волна любой амплитуды является стабильной; однако Гюгонио на рис 3-5 такой, что ударная волна в некоторых диапазонах давлений непостоянна и вырождается во множество волновых фронтов. Область неустойчивости определяется линией Релея, которая представляет собой прямую, проведенную из точки P=0,V=V0 к P,V соответствующих конечным значениям давления и объема после ударного нагружения. Если эта линия пересекает Гюгонио в точке перегиба, как на рис.6, то область выше перегиба и ниже точки повторного пересечение линии Релея с Гюгонио (то есть между Pa и Pb ) - область нестабильности. Состояния в этой области могут быть достигнуты только с помощью двух волновых фронтов; амплитуда из которых соответсвует давлению Pa. Для специфического случая, когда Pa есть упругий предел Гюгонио (HEL), то первая волна будет упругой волной, которую часто называют упругим предшественником.