www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986 - 1990 годы и на период до 2000 года перед металлургами поставлена задача поднять технический уровень производства на основе ускорения научно-технического прогресса и развития науки. Намечено увеличить применение прогрессивных конструкционных материалов - проката из низколегированной стали, металлических порошков, композиционных порошков и т.д. Новые конструкционные композиционные материалы многократно превосходят по своим свойствам применяемые в настоящее время.

Улучшение структуры и качества конструкционных материалов является основой для создания новой прогрессивной техники и принципиально новых ресурсосберегающих технологий, таких как лазерная, плазменная технология с использованием сверхвысоких давлений и импульсных нагрузок и т.д.

Наряду с традиционными методами, для создания новых материалов в мировой практике широко распространено получение биметаллических и многослойных композиционных материалов с особыми физико-химическими свойствами в результате воздействия импульсных нагрузок, возникающих вследствие соударения. Высокая скорость соударения достигается различными способами, в том числе использованием энергии взрыва. Широкое применение взрывчатых веществ в качестве источника энергии обусловлено высокорентабельностью процесса. Для получения биметаллических изделий методом высокоскоростного соударения, обычно применяют две технологические схемы - с угловым и параллельным расположением соударяемых пластин с определенным зазором между ними. Неподвижную пластину устанавливают на опоре. На поверхность метаемой пластины непосредственно или через промежуточный слой эластичного материала укладывают заряд взрывчатого вещества. При детонации заряда под действием высокого давления метаемая пластина приобретает большую скорость. Инициирование взрыва происходит с одного конца пластины и фронт детонации движется непрерывно до конца заряда.

Основной недостаток угловой схемы соударения заключается в том, что по мере удаления от точки инициирования возрастает зазор между пластинами. Более широкое распространение получил параллельный способ соударения. В отличие от угловой, при параллельной схеме устанавливается квазистационарный режим соударения.

Образование соединения между материалами в твердой фазе в зависимости от природы соударяемых материалов и характера их взаимодействия, необходимо рассматривать с позиции основных положений теории пластической деформации, физики твердого тела, термодинамики, химической кинетики, металловедения и других смежных наук. Дальнейшее изучение процессов, протекающих при высокоскоростных соударениях, необходимо для создания научных основ производства материалов с заранее заданными физико-механическими свойствами.

Применение высоких энергий позволяет получить композиции из материалов, резко различных по физическим свойствам, изготовление которых известными способами невозможно. Примером может служить изготовление изделий из дисперсных и ультрадисперсных композиционных смесей. Порошковая металлургия позволяет изготовить композиционные смеси с любым содержанием компонентов. В дальнейшем прессованием и спеканием смесей можно получить псевдосплавы. Расширение номенклатуры материалов за счет труднопрессуемых композиций приводит к тому, что традиционные методы обработки становятся невозможными. В этом случае наиболее эффективным является прессование с применением энергии взрыва.

Известно, что при обычных давлениях сдвиговые деформации существенно влияют на скорости химических и фазовых превращений в твердых телах. В условиях сверхвысоких статических давлений сдвиговые деформации не только ускоряют процессы, но и часто в корне меняют их характер. Л.Ф.Верещагин с сотрудниками показали, что высокое статическое давление со сдвигом ускоряет некоторые полиморфные превращения, снижает температуру фазовых переходов, вызывает фазовые переходы, которые в отсутствие сдвига не наблюдаются, и т.д.

Общей особенностью вышеуказанных процессов является то, что высокие статические давления создают термодинамическую возможность их протекания. Однако, сами по себе, они идут достаточно медленно из-за диффузионных ограничений. Если же во время воздействия высоких статических давлений к исследуемому образцу приложить сдвиговые напряжения, то процессы резко ускоряются.

И.С.Ениколопов с сотрудниками обнаружили, что многие мономеры при статических давлениях в десятки тысяч атмосфер практически не полимеризуются без искусственно созданных центров полимеризации. При этих же давлениях в сочетании со сдвигом полимеризация протекает со значительными скоростями без внесения каких-либо дополнительных активных центров.

Сдвиг при высоких давлениях может играть определяющую роль в химических процессах, в частности, в превращении экзотермической реакции в реакцию, идущую взрывообразно. В этих условиях происходит переход от статических условий нагружения к импульсным.

При обычных условиях нагружения анализ пластической деформации базируется на законе постоянства объема, что равносильно условию несжимаемости материала. Отличительной чертой высоких давлений является именно сжимаемость, что приводит к несоблюдению услрвия постоянства объема. Установление зависимости между объемом, давлением и температурой (уравнения состояния) является одной из основных задач физики высоких давлений. Теоретическое рассмотрение состояния вещества под давлением методами статистики дает достаточно достоверные результаты только в области давлений, которые экспериментально пока недостижимы. Поэтому для оценки состояния материалов в области реализуемых давлений пользуются приближенными методами и эмпирическими соотношениями.

При рассмотрении сжимаемости необходимо учитывать изменение типа кристаллической решетки материалов. Полиморфное превращение следует рассматривать как предельный случай сжатия для данной модификации кристаллической решетки. Можно считать, что величина сжатия для кристаллических тел имеет конечное значение. При превышении этого значения кристаллическая решетка становится неустойчивой и происходит полиморфный переход.

При рассмотрении процессов, протекающих при высоких давлениях, особый интерес представляют структурные изменения, определяющие свойства деформированного материала. Однако исследованию структурных изменений уделено меньшее внимание, чем исследованию термодинамических и механических характеристик нагружения высокими давлениями. Изучение структуры дает возможность восстановить картину нагружения материала высокими давлениями. Поэтому необходимо структурным исследованиям уделять большее внимание.

Следует отметить одну особенность обработки ударными волнами материалов. Как правило, обработке подвергаются поликристаллы. В этих случаях в микрообластях развиваются давления, существенно превышающие среднее. Это локальное высокое давление может создавать термодинамические условия для фазовых и полиморфных превращений в локальных областях, хотя среднее давление еще значительно меньше необходимого в соответствии с диаграммой состояния. На основе анализа структуры можно определить область локальных высоких давлений.

Современное состояние обработки металлов и сплавов высокими и сверхвысокими давлениями требует проведения широких теоретических и экспериментальных работ для изучения динамики различных процессов, протекающих во время нагружения и разгрузки на макро-, микро- и субмикроскопическом уровнях.

Развитие теоретических основ обработки материалов высокими и сверхвысокими давлениями будет способствовать дальнейшему расширению области применения новых методов получения и обработки материалов с особыми физическими свойствами, разработке прогрессивных энергосберегающих технологий для производства изделий, необходимых для развития народного хозяйства.

Назад, на страницу описания