Теплофизические явления в полимерных материалах при интенсивном и кр

Зависимость прочности на разрыв от времени действия растягивающей нагрузки (статическая ветвь долговечности) исследована в диапазоне времени 10−3 −10−8 c.

Откольное разрушение позволило определить так называемую динамическую ветвь долговечности [14]. Обобщение экспериментальных данных по откольному разрушению конденсированных тел привело к эмпирическим зависимостям между от-

где b0 и b1 – коэффициенты, характерные для каждого материала.

где a0 и a1 – коэффициенты. Причем a0 имеет значение, близкое к статической прочности на разрыв данного материала. В работах [15, 16] получены экспериментальные значения коэффициентов a0, a1, b0, b1 в диапазоне скорости деформирования 104 −106 c−1.

Позднее Д. Грэди [17] подтвердил соотношения (1.19), (1.20). По его терминологии, выражение (1.19) справедливо для хрупких тел, (1.20) – для вязких. Он получил значение b1=1/3, которое коррелирует с экспериментальными данными.

Зависимости (1.19), (1.20) можно использовать для оценки динамической вязкости η материалов как функции скорости де-

формирования. Ранее Г. Степанов получил соотношение для одного из частных случаев [18], хотя оно достаточно корректно и в более общем случае [19]:

где K – модуль объемного сжатия; G – модуль сдвига, σ&* – скорость изменения растягивающего напряжения в зоне откольного

31

f GK = 1 для пластмасс и жидкостей.

Авторыработы [12] получили связь η(ε&) в следующем виде:

но-сжатой воды [21–24]. В работах [21, 22] приводятся и значения скорости деформирования. В работе [23] вязкость вычислена по скорости увлечения цилиндрических тел (проволочек) потоком ударно-сжатой воды за ударным фронтом. Имеющаяся в работе [23] информация позволяет надежно определить значения скорости деформирования в этих условиях. Авторы работы [24] приводят значения вязкости воды, полученные на основе измерения электропроводности водных растворов слабых электролитов.

Известны результаты статических измерений К.Е. Бета и Дж.В. Канна, приведенные в работе Л.В. Альтшулера [23], при давлении не более 1 Па, а также данные, полученные по исследованию низкочастотной сдвиговой упругости жидкостей [25].

В исследованиях вязкости твердых тел разные авторы использовали различные способы: статические [26–28], а затем и квазистатические [29–34] испытания с различными видами деформации; определение вязкости по откольной прочности в упругих волнах [35]; по затуханию упругого предвестника [36]; по затуханию возмущений за точкой контакта соударяющихся

В работе И.Д. Захаренко [37] не указаны значения скорости деформирования, однако имеющаяся в работе информация вполне достаточна для определения значений ε& .

Не подвергая сомнению те или иные результаты, заметим, что явной и сильной зависимости вязкости твердых тел от скорости деформирования (в противоположность жидкостям) не обнаруживается. Кроме того, разброс результатов, полученных разными способами, составляет почти полтора порядка во всем диа-

пазоне ε& 103...107 с−1.

Отметим также следующее обстоятельство. Результаты для алюминия [22, 38] и свинца [39] получены для этих материалов, находящихся как в твердом состоянии, так и в жидком, расплавленном в результате воздействия ударной волны.

1.4. Волновые процессы в деталях из полимерных высокоэнергетических материалов при воздействии на них импульсов электромагнитного излучения

К настоящему времени достаточно хорошо изучено воздействие на материалы импульсного электромагнитного излучения ядерного взрыва, а также оптических квантовых генераторов [40– 49]. Однако здесь есть одна особенность. В основном исследованы конструкционные материалы авиационно-космической техники, непрозрачные для таких видов излучения. Например, при ядерном взрыве имеется в виду «мягкое» рентгеновское излучение. При этом энергия излучения поглощается в тонком поверхностном слое материала. Плотность поглощенной энергии равна энергии сублимации либо превышает ее. Происходит испарение материала в этом слое и его разлет с большой скоростью. Разлетающийся слой уносит импульс (количество движения). Равный по величине, но противоположно направленный импульс получает оболочка (конструкция) в виде импульса ударной волны. По толщине оболочки циркулируют последовательно ударные волны

33

иволны разрежения, которые могут вызвать различные эффекты. Это явление получило название теплового удара.

Высокоэнергетические материалы являются диэлектриками,

иони полупрозрачны для СВЧ-излучения. При этом поглощенная

энергия неравномерно распределяется по объему детали. Объемная плотность энергии (Дж/м3) равна давлению (Па) с точностью до коэффициента Грюнайзена, величина которого колеблется от 1 до 1,5. Следствием этого является возникновение волновых процессов по объему детали. По имеющейся в литературе информации, это явление не исследовано.

РАЗДЕЛ 2. РЕАКЦИЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД НА ИНТЕНСИВНЫЕ

И КРАТКОВРЕМЕННЫЕ НАГРУЗКИ

По мере того как в исследовательской и инженерной, прикладной практике начали использовать импульсные, ударно-вол- новые нагрузки, интерес к ним непрерывно возрастал. К настоящему времени практически невозможно назвать область знаний и деятельности, где бы не использовались подобного рода на-

грузки [10, 50, 51].

Импульсные, самые разнообразные по своей природе, внешние воздействия на материалы обусловлены в большинстве случаев волновыми процессами, сопровождающими такие воздействия (в противоположность статическим нагрузкам) [12, 52–54]. Различие результатов, полученных в статических и динамических условиях, возрастает по мере того, как нагрузки становятся все кратковременнее и интенсивнее. В этом разделе обращено внимание только на два аспекта при весьма кратковременных внешних воздействиях:

во-первых, на характер фазовых переходов; во-вторых, на идентичность начальной реакции вещества, не

зависящей от его агрегатного состояния.

Проанализированы фазовые переходы в условиях интенсивного и кратковременного воздействия. Превращения без заметного выделения энергии происходят плавно. Область их осуществления сдвигается в сторону больших значений параметров состояния по сравнению со статикой. Превращения, происходящие с выделением энергии, носят взрывной характер, присущий цепной реакции. В этом случае начальная реакция вещества на интенсивное и кратковременное воздействие не зависит от агрегатного состояния вещества.

35

2.1. Эффекты, вызванные фазовым переходом

Обратим внимание на два типичных примера фазового перехода при ударно-волновых нагрузках. Один из них связан с превращениями вода – лед – вода, а второй связан с нарушением сплошности при переходе в состояния с различной степенью дисперсности. Разрушения нередко рассматривают и описывают как фазовый переход [55, 56].

Вода при динамических нагрузках и малых временах воздействия имеет особенности фазового перехода, который осуществляется при больших давлениях, чем в статике [57–60]. Область осуществления фазового перехода сдвигается в сторону больших давлений (рис. 2.1) по сравнению со статическими условиями.

Рис. 2.1. Сравнительное положение статической диаграммы фазового состояния воды и ударной адиабаты воды в плоскости температура – давление. Жирной линией обозначено положение ударной адиабаты воды. Гистограммы показывают изменения массовой доли α льда VII в смеси его с водой вдоль ударной адиабаты

При отколе зависимость разрушающего, растягивающего напряжения от времени действия разрывающей нагрузки (либо от скорости деформирования) получила название динамической ветви долговечности [61]. На рис. 2.2 динамическая ветвь сопоставлена со статической ветвью долговечности полиметилметак-

36

локализация фазового перехода в весьма малой области и его стремительное протекание в течение очень малого времени. Примером этого является откольное разрушение. В противоположность этому фазовый переход, изображенный на рис. 2.1, происходит достаточно спокойно во всем объемеударно-сжатого вещества.

Для возникновения новой фазы в макроразмерах нужны центры, зародыши и затем их развитие с конечной скоростью возникновения новой фазы. При малых временах не успевают возникнуть в нужном количестве эти зародыши и не успевает развиться новая фаза на них.

Зарождение и развитие новой фазы происходят с конечными скоростями. Если процесс нагрузки слишком краток, то времени осуществления условий (например, длительности ударной волны) не хватает. На стадии роста зародышей возможны два варианта:

− взаимодействие ансамблей новой фазы. Это приводит к взрывному характеру развития процесса перехода к новой фазе, стремительно протекающего за время 10−8 −10−7 c;

− развитие процесса перехода к новой фазе без заметного взаимодействия этих ансамблей. В этом случае процесс осуществляется спокойно без взрывного обострения.

Каков же критерий наличия или отсутствия взаимодействия зародышей новой фазы? Время и характер развития процессов являются, скорее всего, результатами действия или бездействия этого критерия. Зависит ли сам критерий от времени действия нагрузки или от концентрации уже достаточно развившихся очагов новой фазы?

Можно предположить, что в качестве такого критерия, повидимому, можно взять факт выделения энергии и ее количество при взаимодействии ансамблей новой фазы, подобно тому как это принято в теории теплового взрыва [64].

Взаимодействие с выделением энергии

Эта энергия расходуется на ускоренное создание новых очагов, их ускоренное развитие, приводящее к взрывной цепной ре-

38

акции [64]. Ансамбли в созидающем, провоцирующем энергетическом поле, как в стимулирующем бульоне, конечно, «испытывают положительные эмоции». Начинается стремительное, лавинообразное, взрывное завершение перехода к новой фазе вплоть до исчезновения прежней фазы. Именно с помощью такой идеологии можно объяснить некоторые микромодели откольного раз-

рушения [10, 51].

Разрушение локализовано в весьма узкой зоне, нарушение сплошности в этой зоне происходит стремительно [65–67]. В рамках модели неравновесной термодинамики [68, 69] стремительный характер динамического разрушения связан со взрывной неустойчивостью процесса зарождения и роста микроповреждений. В полях перенапряжений, порождаемых взаимодействующими микроповреждениями, происходит интенсивный рост зародышей разрушения. После этого разрушение полностью определяется взаимодействием макроповреждений.

Отметим следующее. Взаимодействие микроповреждений порождает поля перенапряжений, в которых начинается интенсивный рост дефектов с перерастанием их в макроповреждения. Очень важно, что поля перенапряжений возникают только в результате выделения энергии при взаимодействии микроповреждений, т.е. появление очагов новой фазы сопровождается выделением энергии. При характерной длительности действия нагрузок (микросекунды) макроразрушения стремительно развиваются за 10−8 −10−7 c , а это и есть время фазового перехода.

Классическими примерами взрывных фазовых переходов, протекающих за очень малое время с выделением энергии, являются процессы, например, детонации и неуправляемой реакции деления ядер. В обоих случаях имеют место цепные реакции с выделением энергии: за счет химических реакций в первом случае и за счет ядерных – во втором.

При детонации мощных бризантных вторичных конденсированных взрывчатых веществ ширина зоны ∆χ химической

реакции, в которой происходит полностью переход к новой фа-

39

зе – продуктам детонации, продуктам взрыва, составляет приблизительно 104 м [70]. Скорость детонации D мощных бри-

зантных взрывчатых веществ составляет 103–104 м/с (от первой до второй космической скорости). В таком случае время фазо-

вого перехода τ = ∆χD ≈10−8...10−7 с,что также экспериментально

подтверждено [70].

По порядку величины такое же время необходимо и для протекания неуправляемой цепной реакции деления ядер в критической массе делящегося вещества с выделением 1019 нейтронов.

Таким образом, мы рассмотрели несколько примеров взрывного характера фазового перехода за время около 10−8 −10−7 с и возможную причину такого обострения процесса.

Взаимодействие без выделения энергии

В этом случае происходит поглощение энергии. Энергия черпается извне и передается, например, за счет ударной волны, за счет сжатия материала в ударной волне. Приведенный выше переход при ударно-волновом сжатии воды является подтверждением этого типа взаимодействия. Переход происходит с поглощением энергии, черпаемой за счет ударно-волнового сжатия. Смещение области перехода в сторону больших давлений обусловлено одинаковостью времени перехода и времени существования условий ударного сжатия (длительности ударной волны). Фазовый переход происходит без обострения и локализации.

2.2. Эффекты, обусловленные чрезвычайно кратковременными интенсивными нагрузками

При чрезвычайно интенсивном и кратковременном характере нагрузок нивелируются различия, прежде всего, между твердыми и жидкими состояниями вещества.

На рис. 2.3 на оси скорости деформации в диапазоне от 104 до 1015 с–1 отмечены экспериментально наблюдаемые эффекты

40