Способ исследования фазовых переходов в металлах при сжатии ударной волной

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для изучения продолжительности фазового перехода при нагружениях различной интенсивности. Изобретение решает задачу расширения возможностей способа исследования фазовых переходов при минимальных материальных затратах. Поставленная задача решается за счет того, что на ряд металлических образцов, выполненных в виде пластин и размещенных последовательно друг за другом в корпусе из диэлектрика, воздействуют цилиндрическим ударником. При этом о наличии фазового перехода электрического сопротивления металлических образцов, которое фиксируется с помощью осциллографа. Геометрические размеры образцов и расстояние между ними выбирают из диапазона, который определяют по математическим зависимостям, указанным в формуле изобретения. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам исследования состояния вещества при высокоскоростном ударном нагружении, и предназначено для изучения продолжительности фазового перехода при нагружениях различной интенсивности, в локальных областях контакта ударника с преградой.

Известен способ регистрации фазовых переходов (Патент РФ N 1371198, МКИ G 01 N 25/02, 1986 г) в веществах под действием давления, создаваемого гидравлическим прессом, в диапазоне 0...40 ГПа за счет регистрации изменения температуры в фиксированных точках пуансона.

Однако данный способ не позволяет регистрировать продолжительность фазовых переходов, а также затруднительна его практическая реализация в лабораторных условиях.

В качестве прототипа авторами принят способ исследования фазовых переходов в металле под действием ударной волны сжатия (Авт, свид. N 763754, МКИ 2 G 01 N 25/02, 1980). Согласно данному способу ударная волна генерируется в образце за счет удара по нему тонкой металлической пластиной, разгоняемой продуктами детонации взрывчатого вещества (ВВ). Возникающие при этом фазовые переходы фиксируются по изменению скорости прохождения волны разгрузки в области с измененным фазовым состоянием, которая расположена за фронтом ударной волны сжатия. Положение фронта ударной волны сжатия соответствует определенному значению удельного сопротивления образца материала и может быть определено по показаниям осциллографа, включенного в данную электрическую цепь.

К недостаткам данного способа следует отнести следующее: способ основан на анализе ударной адиабаты Гюгонио (Альтшулер Л.В. "Применение ударных волн в физике высоких давлений". Ж. "Успехи физических наук", т. 85, вып. 2, 1965), в которой не присутствует в явном виде временной параметр, вследствие чего представляется невозможным определение продолжительностей фазовых переходов при различных интенсивностях нагружения; затруднительность практической реализации данного способа исследования фазовых переходов.

Задачей настоящего изобретения является расширение возможностей способа исследования фазовых переходов при минимальных затратах материальных ресурсов.

Поставленная задача решается тем, что в способе, по которому на образец металла воздействуют ударной волной и регистрируют изменение его электрического сопротивления, в качестве метаемого тела используется цилиндрический ударник, разгоняемый легкогазовой пушкой, которым воздействуют на ряд металлических образцов, выполненных в виде пластин, толщиной δ, выбираемой из диапазона δ = A·C_п, (1) где C_п - скорость звука в материале пластины, м/с; A - коэффициент, зависящий от плотности материала пластины, причем большему значению плотности соответствует большее значение коэффициента, A=(0,9...1,8)·10^-6с, причем металлические пластины размещены в полости корпуса из диэлектрического материала последовательно друг за другом на расстоянии L, определяемом одним из следующих выражений: если 2·V≥C_у; или L = l_у+n·δ,
или 2·V<C;
где l_у - длина ударника, м;
n - число металлических пластин;
V - скорость ударника в момент взаимодействия с первой пластиной;
C_у - скорость звука в материале ударника, м/с.

Ударник генерирует в пластинах ударную волну сжатия различной интенсивности, вызывающую в материале в зоне контакта "ударник - пластина" фазовые переходы, наличие и время существования которых определяется по изменению удельного сопротивления материала пластины, фиксируемое осциллографом. При этом увеличение скорости изменения удельного сопротивления связано с постепенным переходом материала пластины в квазижидкое состояние. Начало фазового перехода соответствует моменту прохождению фронта ударной волны и может быть определено по осциллограмме (точка скачкообразного изменения электрического сопротивления). Продолжительность фазового перехода будет равна расстоянию (по оси времени) на осциллограмме между точкой скачкообразного изменения сопротивления и точкой изменения угла наклона касательной к кривой изменения удельного сопротивления. Данная точка соответствует окончанию фазового перехода в слое вещества пластины, который был подвергнут нагружению раньше других. При этом продолжительность фазового перехода, измеренная таким образом, на каждой пластине будет функционально сопряжена с интенсивностью нагружения, а данные, полученные при проведении эксперимента, могут быть использованы для построения эмпирических зависимостей.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен вид продольного сечения устройства по данному способу регистрации фазовых переходов. Качественные зависимости удельного сопротивления от времени взаимодействия ударника с пластинами показаны соответственно кривыми 1, 2 и 3 на фиг. 2.

В корпусе 1, выполненном из диэлектрического материала и представляющем собой полый цилиндр с боковым разъемом, установлены металлические пластины 2.1-2.3, включенные в независимые электрические цепи с единым источником питания E последовательно с резисторами R1-R3. Параллельно пластинам 2.1-2.3 подключаются осциллографы 3.1-3.3. Ударник 4 действует на первую пластину 2.1 и генерирует в ней ударную волну сжатия 5. При этом в момент соприкосновения ударника с пластиной резко меняется значение измеряемого сопротивления (участок 0'-1' на фиг. 2). Время, соответствующее точке 1', будет временем начала фазового перехода в слое, расположенном на границе взаимодействия "ударник-пластина". Далее ударная волна сжатия 5, распространяясь в глубь пластины, инициирует в ее слоях фазовые переходы, вследствие чего будет меняться значение измеряемого сопротивления (участок 1'-2' на фиг. 2). Начиная с точки 2', меняется наклон касательной к кривой изменения суммарного сопротивления ("ударник-пластина"). Происходит это потому, что изменение суммарного сопротивления связано теперь не только с происхождением ударной волны сжатия, но и с тем, что вслед за ударной волной сжатия начинает распространяться волна, переводящая материал пластины в квазижидкое состояние и на фронте которой заканчивается фазовый переход. Следовательно, продолжительность фазового перехода будет равна промежутку времени между моментом соприкосновения ударника с пластиной (точка 1') и моментом изменения угла наклона касательной к кривой изменения суммарного сопротивления (точка 2').

Точки 3' и 4' на фиг. 2 обозначают соответственно моменты начала и окончания разрушения пластины.

После разрушения пластины 2.1 ударник 4, теряя часть своей скорости, продолжает двигаться вдоль оси, перпендикулярной к плоскости пластин 2.2 и 2.3 и через некоторое время взаимодействует со второй пластиной 2.2. При этом продолжительность фазового перехода, определенная для случая с пластиной 2.2, будет отличаться от продолжительности, определенной в процессе нагружения пластины 2.1 потому, что ударник, инициирующий волну сжатия, теряет часть своей энергии на преодоления пластины 2.1.

Взаимодействие ударника 4 с пластинами 2.2, 2.3, а также процессы, протекающие в это время, и проводимые при этом измерения аналогичны случаю с пластиной 2.1.

В результате проведения эксперимента будут получены несколько значений продолжительности фазового перехода при соответствующих им интенсивностях нагружения. Эти данные могут быть использованы для получения эмпирических зависимостей.

Применение данного способа при исследовании свойств материалов в условиях высокоскоростного нагружения, в частности определения параметров фазового перехода, несопряжено с технологическими трудностями практической реализации и позволяет исследовать сложные физические процессы при гарантированном минимуме погрешности измерений.

Пример реализации способа. Пластины из меди, для которой скорость звука C_п= 3900 м/с и коэффициент A=1,4 мкс имеют согласно (1) толщину δ = 5,46 мм. Они устанавливаются в цилиндрическом корпусе из ударопрочного полистирола CH-28 и включаются в независимые электрические цепи с общим источником питания E= 5 B, последовательно с резисторами сопротивлением R=0,1 Oм. Параллельно пластинам подключаются осциллографы C1-112. Расстояние между пластинами согласно зависимости (2) для ударника, изготовленного из вольфрамового сплава и двигающегося со скоростью V=3000 м/с, при количестве пластин n=3 равно L=125,58 мм.

Ударник последовательно действовал на пластины и вызывал в них ударные волны сжатия различной интенсивности. Возникающие при этом в пластинах напряжения связаны с величиной скорости ударника и для данного эксперимента имели следующие значения: для пластины 2.1 σ₁ = 66,6 ГПа, для пластины 2.2 σ₂ = 62,75 ГПа и для пластины 2.3 σ₃ = 59,14 ГПа.

В процессе взаимодействия ударника с пластинами осциллографы фиксировали изменения сопротивления на контактах пластин. При анализе показаний осциллографов, проведенном согласно методике, изложенной ранее, были получены следующие значения продолжительности фазовых переходов для меди при различных интенсивностях нагружения: для σ₁ = 66,6 ГПа, t₁ = 0,173 мкс; для σ₂ = 62,75 ГПа, t₂=0,182 мкс; для σ₃ = 59,14 ГПа, t₃= 0,192 мкс.

Формула изобретения

Способ исследования фазовых переходов в металлах при сжатии ударной волной, заключающийся в том, что на образец металла воздействуют ударной волной, регистрируют с помощью осциллографа изменение его электрического сопротивления и определяют состояние сжатого металла в образце, отличающийся тем, что цилиндрическим ударником воздействуют на ряд металлических образцов, выполненных в виде пластин, толщиной δ, выбираемой из диапазона
δ = A·C_п,
где С_п - скорость звука в материале пластины, м/с;
А - коэффициент, зависящий от плотности материала пластины,
А = (0,9...1,8)·10^-6, с,
причем образцы размещены в полости корпуса из диэлектрического материала последовательно, друг за другом, на расстоянии L, определяемом одним из следующих выражений:

если 2·V ≥ C_y;
или
L = l_у+n·δ,
если 2·V <C,
где l_y - длина ударника, м;
n - число металлических пластин;
V - скорость ударника в момент взаимодействия с первой пластиной;
C_y - скорость звука в материале ударника, м/с,
а о наличии фазового перехода и времени его продолжительности судят по изменению удельного электрического сопротивления металлических образцов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2