Динамическая модификация металлов

УДК 669.1.018:621.74

Марукович, Е. И. Динамическая модификация металлов / Е. И. Маруко
вич, Ю. С. Ушеренко, С. М. Ушеренко ; под общ. ред. Е. И. Маруковича ; Национальная академия наук Беларуси, Институт технологии металлов. – Минск : 
Беларуская навука, 2021. – 153, [1] с. – ISBN 978-985-08-2754-8.

Обобщен богатый научный теоретический и практический материал в области динамического воздействия сгустков пылевых (микрочастиц) с металлическими преградами и металлическими заготовками в твердом агрегатном состоянии.
Содержится большой объем экспериментальной информации, использование которой позволяет получать новый класс металлических композиционных материалов. Пылевые сгустки 
при соударениях создают в металлических заготовках зоны высокого давления. Микрочастицы при соударениях в соответствии с режимом сверхглубокого проникания внедряются на 
глубины в тысячи – десятки тысяч их исходных размеров, создавая многочисленные канальные 
элементы структуры. Микроударники легируют поверхность каналов, внедряя в зонах высокого и сверхвысокого давления материалы частиц, синтезируя в этих зонах новые химические 
соединения, химические элементы или изотопы. В режиме сверхглубокого проникания реализуются условия управляемого термоядерного синтеза, в том числе генерируя интенсивное элек- 
т ро магнитное излучение. Вокруг металлической заготовки создаются высокочастотные электромагнитные поля, которые преобразуются в низкочастотное поле только за счет потери части 
энергии.
Предназначено для инженерно-технических работников предприятий, сотрудников научно- 
исследовательских институтов, магистрантов, аспирантов, а также может быть использовано 
в качестве учебно-методического пособия для студентов соответствующих специальностей.
Табл. 22. Ил. 75. Библиогр.: 167 назв.

Р е ц е н з е н т ы:

академик доктор технических наук А. П. Ласковнев,
доктор технических наук профессор М. Л. Хейфец

ISBN 978-985-08-2754-8 
 
© Марукович Е. И., Ушеренко Ю. С.,  
     Ушеренко С. М., 2021
© Оформление. РУП Издательский дом  
    «Беларуская навука», 2021

Глава 1 

ИСТОРИЯ ВОПРОСА

Информация о динамических процессах, реализуемых в материалах, свидетельствует о том, что многочисленные аномалии являются результатом 
протекания качественно новых динамических процессов, которые не наблюдались при статическом взаимодействии. История развития современной науки 
и техники содержит мало информации о многочисленных аномалиях энергетического баланса динамических процессов. Поэтому исследование особенностей, характерных для динамического типа взаимодействий, представляет несомненный интерес в период перманентного энергетического кризиса. При 
ударном взаимодействии тел реализуются эффекты образования кратеров, наклеп поверхности, плавление, излучение, внедрение ударников и т. д.

В данной главе представлен анализ динамического взаимодействия, влияющего на глубину внедрения ударников и формируемого кратера. Показано, 
что отклонения от известных зависимостей по макроудару не удается объяснить на основе классических представлений. Рассмотрены результаты динамических взаимодействий и ускорители, позволяющие обеспечить такие процессы. Определены возможные схемы выполнения высокоскоростного удара. 
На основании представленного анализа литературы выполняется постановка 
задач исследования.

1.1. Динамические процессы, наблюдаемые  
при взаимодействии твердых тел

Динамические эффекты, наблюдаемые при соударениях, представляют 
собой специфическую область высокоэнергетического взаимодействия, расположенную на границе механики, гидродинамики, физики ударных волн  
и переменных областей высоких давлений. Рост интереса к этим областям 
связан с необходимостью получения информации о поведении вещества при 
высоком давлении, созданием технологий, использующих динамическое взаимодействие, проблемой метеоритной безопасности в условиях длительных 
космических полетов и нарастающей опасности возникновения энергетического кризиса.
В течение тысяч лет высокоскоростные ударные явления изучались на макрообъектах (военные приложения), поэтому основная часть экспериментальных данных и теоретических разработок относится к взаимодействию тел  

с размерами >500 мкм. В многочисленных работах рассматривалось влияние 
скорости, энергии соударения, прочностных, тепловых и прочих параметров 
на эффекты внедрения и кратерообразования. Установлено, что при изменении только этих параметров невозможно получить кратер с отношением глубины к его диаметру >6 [1].
Соударения с ударниками, размер которых ˂500 мкм, исследованы значительно меньше. Тем не менее установлена возможность получения кратеров  
с отношением глубины кратера к диаметру ударника >6 [2]. При этом моде- 
ли, созданные на основании изучения макроудара, не работают. Однако за последние 50 лет были обнаружены качественно новые экспериментальные  
результаты, позволяющие наблюдать необычные физические процессы, происходящие при взаимодействии тел, а также практические приложения в области синтеза новых материалов, при обработке металлов и моделировании 
защитных экранов.

1.2. Макроудар

Макроударниками можно считать объекты, размер которых превышает 
5⋅10–4 м [3]. Такие объекты целесообразно использовать для изучения влияния 
различных параметров взаимодействия на кратер, формируемый в преграде 
при соударении. Кратеры формируются в мишенях при высокоскоростной деформации. Как правило, они имеют полусферическую или цилиндрическую  
с полусферическим дном форму. На поверхности кратер окружен уступом, 
сформированным выдавленным из преграды материалом, а под поверхностью 
мишени его окружает деформированная область, контур которой повторяет 
его геометрию [1].
В ходе экспериментальных исследований установлено, что статическая 
прочность материала мишени существенно влияет на формирование кратера 
[4]. Поэтому в работе [5] предложено при расчетах исследовать неопределенный множитель, учитывавший напряжение. Допускалась возможность приближенной замены этого показателя (статической прочности) на твердость по 
Бринеллю (НВ). Зависимость удельной энергии кратерообразования от твердости материала преграды рассмотрена в работе [6]. Предполагалось, что такое отношение прямо пропорционально твердости по Бринеллю. По другим 
представлениям наличие прямой зависимости отрицалось [7, 8]. Для всех случаев предлагалось использовать математическую модель [7]:

 
 
(1.1)

Определение влияния прочности на параметры кратерообразования 
затруднено тем, что различные данные о многочисленных исследованиях 
плохо согласуются между собой. Это объясняется тем, что были рассмотрены 
результаты, полученные в ограниченном диапазоне скоростей и определенные 
для узкой группы материалов, а также трудностью выбора показателя [9]. 

Кристмен показал, что существует лишь удовлетворительное соответствие 
«лучшего» уравнения, использующего в качестве характеристики прочности 
материала твердость по Бринеллю. Он сделал попытку ввести в качестве такой 
характеристики динамическую твердость HBmax. Значения этой величины 
должны были находить экспериментально, замерами твердости непосредственно под кратером на поверхности среза мишени. Максимальное повышение твердости наблюдалось у пластичных материалов (никель, медь) и наименьшее – у сталей. Наряду с использованием твердости делались попытки 
найти другие характеристики прочности мишени.

Для макросоударений было определено, что отношение энергии удара к ко
нечному объему кратера прямо пропорционально твердости материала мишени по Бринеллю. Это отношение, в свою очередь, приблизительно пропорционально пределу текучести, а также сопротивлению материала на срез [10]. 
Считалось установленным, что сила гиперзвукового удара на единицу площади кратера равна пределу прочности на разрыв, когда измеренные размеры 
кратера в алюминии скорректированы на релаксацию, т. е. учтены 3-й и 4-й этапы кратерообразования. Предлагали ввести новый прочностный параметр –  
истинное сопротивление разрыву. При этом, по мнению автора [10], решается 
проблема определения глубины кратера без учета других форм рассеивания 
энергии.
Была предпринята попытка разработать критерий прочности с учетом 
влияния микроскопических физических процессов [11]. В качестве такого 
критерия рассматривали коэффициент вязкости, который также должен был 
быть определен экспериментально. Обнаруживалась существенная зависимость эффективной вязкости от скорости деформации. В работе [12] утверждалось, что при прочих равных условиях прочность влияет тем сильнее, чем 
ниже скорость взаимодействия тел. Было обнаружено, что повреждаемость 
металлических мишеней при заданной твердости зависит от микроструктуры 
преграды [13]. Во всем диапазоне использованных материалов при заданных 
прочих параметрах соударения не удалось увеличить глубину проникновения 
хотя бы на порядок. Поэтому прочностные характеристики материала мишени нельзя считать определяющими при формировании кратера и при регулировании пробиваемости.
В проводимых исследованиях большое внимание уделялось влиянию формы ударника и его плотности на процесс кратерообразования. При постоянной 
массе макроударника для скоростей соударения ˂10 км/с глубина проникновения и объем кратера значительно зависят от длины ударника, нормированной 
(по отношению к диаметру сферы) по направлению к оси полета. Возрастание 
нормированной длины ударника от 0,25 до 2,1 на мишени из алюминиевого 
сплава 2017 увеличивает глубину проникания и объем кратера от 12 до 25 мм 
и от 6 до 13 см3 соответственно. Анализ этих величин с помощью безразмерных критериев дает возможность оценить влияние геометрии ударника на 
приведенную глубину и объем кратера (рис. 1.1).

Для изучения влияния плотности ударника на параметры кратеро обра
зования использовались ударники из пластика с ρp = 1,2 г/см2, диаметром 8,0 мм. 
Скорость соударения во всех случаях задавалась равной 6,6 км/с [7]. Из рис. 1.2 
видно, что приведенный объем кратера с увеличением плотности возрастает 
более интенсивно по сравнению с приведенной глубиной проникновения. Это 
свидетельствует об изотропном характере распределения энергии соударя ющихся тел. Таким образом, вводимая при ударе кинетическая энергия затрачивается на приведенный объем материала, а не на приведенную глубину. По 
данным работы [7], проникновение и объем кратера пропорциональны плотности материалов преграды и ударника соответственно. В то же время для 
скорости 2 км/с в аналогичных опытах выявлены другие значения пропорциональности для глубины проникновения и объема [8].

Рис. 1.1. Влияние формы ударника на параметры кратерообразования: а – кратеры в мишени 
из алюминия после бомбардировки ударниками различной конфигурации; б – изменение 
объема кратера (1) и глубины проникания ударника (2) в зависимости от отношения длины 
ударника к его проекции на плоскость мишени l/ds; в – изменение приведенных глубины 
проникновения Р/ds (1) и объема кратерообразования Vкр/Vуд (2) от l/ds

.

.
.

.

Экстраполяция данных по пропорциональности от удельного веса, глубины проникновения и объема кратера  
к скорости позволила предположить, что 
влияние плотности ударника на проникание с увеличением скорости резко 
уменьшается [7]. Регулирование формы 
и плотности ударника при других заданных параметрах соударения не позволило формировать кратеры с отношением 
глубины к его диаметру >6. Однако очевидно, что форма и плотность ударника 
не являются определяющими параметрами при формировании кратера и регулировании пробиваемости.
Ряд исследователей предполагал, что 
существует влияние угла соударения 
ударника с мишенью на проникание [14, 
15]. При регистрации метеоритной частицы датчиками было установлено, что 
глубина проникания в преграду уменьшается, если увеличивается угол падения частицы [14]. Установлено, что проникающая способность частиц есть 
функция угла падения на преграду. Авторы работы [15] отмечали, что изменение угла соударения приводит к изменению угла между двумя потоками 
осколков и образованию лидирующих осколков с максимальной скоростью. 
Однако это не позволяет надеяться на значительный рост пробивной способности ударника. Угол встречи тел также не является фактором, который определяет процесс кратерообразования.
На основе изучения влияния скорости соударения предлагалось разделить 
все ударные явления в зависимости от скорости соударения на два диапазона 
[16]. Первый, при скоростях ≤12 ± 1 км/с, зависит от механических характеристик ударника и мишени (плотность, твердость, прочность на растяжение, 
пластичность), а также от скорости распространения продольных волн в материале мишени. Второй, при скоростях >12 ± 1 км/с, когда соударение ударника 
с мишенью носит взрывной характер. Это подтверждается наличием следов 
оплавления поверхности вокруг кратера.
Поскольку применение результатов соударения привязывали к проблеме 
метеоритной безопасности, то исследовали соударения со скоростями >10 км/с 
[17]. При скоростях, равных 6 км/с, происходит течение материала мишени. 
Объем кратера более чем на порядок превышает объем ударника. Энергия  
в ударной волне при скоростях ~10 км/с является достаточной для испарения 
вещества материала кратера. Испаренная масса при скоростях соударения 12–
14 км/с оказалась приблизительно равной массе ударника. Предполагают, что 
предельные глубины пробивания из материалов с близкими плотностями 

Плотность ударника, . 103 кг/м3

Рис. 1.2. Влияние плотности ударника  
на параметры кратерообразования:  
1 – изменение приведенного объема 
кратера; 2 – изменение приведенной 
глубины проникновения

примерно равны. Изменение прочностных свойств в рамках одного материала 
влияет на предельную глубину проникновения незначительно.
В работе [7] показан экспериментальный результат скачкообразного падения безразмерной глубины кратера, что наблюдали при отношении глубины 
кратера к диаметру, в рамках скоростей удара >12 км/с. Авторы утверждали, 
что при превышении этой барьерной скорости происходит взрыв и фиксируется ожог вокруг кратерной зоны. Однако полностью взрывное соударение относили к скоростям взаимодействия 17–20 км/с. По другой информации [18], 
такое взаимодействие происходит при скоростях порядка 30 км/с.

К. П. Станюкович [19] предлагал теоретический подход к расчету процесса соударений. В основу его расчетных подходов было положено допущение, 
что при ударе со скоростями свыше 5 км/с тело и часть преграды «мгновенно» 
испаряются, т. е. происходит явление, подобное взрыву.

В работах Физико-технического института Академии наук СССР (г. Санкт- 
Петербург) (далее – ФТИ) [20] за пороговые предлагали принимать скорости, 
при которых некоторый объем материала в зоне удара должен нагреваться до 
температуры, близкой к плавлению. В ходе исследований также обнаружили 
отклонение пороговых значений от расчетных. Эти результаты объяснили отличием в процессах, протекающих при неустановившемся и установившемся 
режимах взаимодействия ударника с преградой. Когда ударник и массивная 
преграда были изготовлены из железа, алюминия или сплавов на их основе, 
тогда предельные скорости при ударе должны быть не менее чем 30–40 км/с. 
Экспериментально было определено, что при скоростях соударения, которые 
значительно превышают так называемую пороговую скорость, тепловые эффекты уже не оказывают влияния на конечную глубину каверны. Как только 
размеры ударника в направлении движения и в поперечном направлении становятся примерно одинаковыми, тепловые эффекты также существенно уменьшаются.
В ФТИ была разработана методика для получения оценки влияния скорости на сопротивление деформируемых металлов в преградах [21–24]. Результаты исследований, опубликованные в работах [20–25], выявили следующие 
закономерности:
– отсутствует универсальный закон, описывающий связи между скоростью 
деформирования и сопротивлением деформации;
– в диапазоне скоростей 10–6–102 м/с установлены три области, процессы 
проникания в которые отличаются друг от друга;
– перелом на кривых, определяющих зависимости сопротивления деформирования от скорости в условиях температур, превышающих температуры 
рекристаллизации, для каждого металла, используемого в качестве преграды, 
происходит примерно при одном и том же значении сопротивления деформированию независимо от скорости и температуры;
– сопротивление прониканию ударника в области скоростей соударения 
102–103 м/с резко возрастает за счет сил инерции.

Разрабатывалась модель удара [20, 21, 8], позволяющая, по мнению авторов [25], предсказать результаты соударения вне зависимости от тепловых эффектов и изменений масштаба взаимодействующих тел.

Однако, несмотря на сильное влияние скорости соударения на форму и раз
мер кратера, при постоянном масштабе опыта не удалось добиться качественного изменения глубины пробивания. Увеличение скорости соударения на два 
порядка позволяет получать кратеры с отношением глубины к ее диаметру ≤6 
[8]. Поэтому принято утверждение, что скорость удара не является определяющим фактором при формировании кратеров.
Сложным является подход, в котором рассматривается процесс внедрения 
ударников в преграды как движение в вязкой жидкости. При таком подходе 
глубина кратера в преграде зависит от комплексного влияния плотностей ударника и мишени. Существенно процесс пробивания зависит от скоростей со- 
ударения, механических характеристик материала преграды и коэффициента 
сопротивления движению тела ударников в материалах преграды, находящихся в «жидком» состоянии. Автор [28] сделал попытку выполнить классификацию области высокоскоростного взаимодействия в зависимости от объемной плотности кинетической энергии

 

2

0
1 ,
2
mv
E
V
=
 
(1.2)

где m, v, V – масса, скорость и объем ударника соответственно. Область разделена на четыре диапазона. В первом диапазоне объемная плотность кинетической энергии меньше удельной теплоты плавления, во втором диапазоне – 
примерно равна удельной теплоте плавления или, в конце диапазона, удельной 
теплоте испарения. Лишь в третьем диапазоне удар приобретает характер 
взрыва, а в четвертом – ядерного взрыва. Первый диапазон не рассматривался, так как, по мнению автора, он не представляет самостоятельного интереса.
Комплексный подход обеспечивал лучшее описание результатов соударения, но не позволял выделить определяющие характеристики удара.
Наибольшие противоречия наблюдаются при оценке влияния масштаба 
эксперимента на размеры кратера. Если в работе [16] полностью отрицается это 
влияние, то в работе [9] показано, что с ростом масштаба взаимодействия эффективная прочность материала мишени снижается, а размеры кратерной воронки возрастают. Авторы [1], рассмотрев результаты соударения с гигантскими метеоритами, пришли к выводу, что с ростом масштаба прочность  
будет играть все меньшую роль по сравнению с силой тяжести, поэтому поведение материала преграды будет похоже на течение несжимаемой жидкости  
в поле тяжести.
Рассмотрев работы, оценивающие влияние различных факторов процесса 
высокоскоростного удара, можно считать установленным отсутствие преобладающего влияния какого-либо параметра макросоударения. Наибольшее 
внимание уделялось вопросам прочности материала мишени, а также плотности кинетической энергии ударника.

С увеличением скорости процессов, сопровождающих динамическое нагружение, их энергоемкость существенно увеличивается. Это в первую очередь связано с увеличением доли динамической составляющей сопротивления деформации, которая определяется через квадрат скорости перемещаемого 
материала. Менее изучен и, по-видимому, представляет особый интерес вопрос влияния масштаба соударения на размеры кратерной структуры. Для 
макросоударений неизвестны кратеры, у которых отношение глубины к диаметру >10. Отсутствие аномальных эффектов при проникновении ударника 
можно считать косвенным подтверждением роли масштабного фактора.

1.3. Особенности взаимодействия микроударников  
с твердым телом

С началом космических полетов с нашей планеты возникла потребность  
в защите выводимого на околоземную орбиту модуля с аппаратурой от метеоритов и от пылевых сгустков. Микрометеориты выпадают на планету Земля 
как дождь мельчайших пылевых частиц. Количество ежесуточно входящих  
в атмосферу пылевых микрочастиц составляет от 100 до 10 000 т. Значительная часть этого вещества приходится на сгустки пыли. Большая часть таких 
частиц, входящих в атмосферу, осаждается примерно за время в 30 суток. 
Многие ученые полагают, что космическая пыль играет важную роль в формировании такого атмосферного эффекта, как дождь, поскольку микрочастицы служат зародышами для конденсации водяного пара.
По мнению специалистов, основную опасность при соударении сгустков 
микрочастиц с оболочкой космического аппарата представляет процесс износа поверхности аппарата [14, 15, 26]. При оценке износа поверхности пытались 
учитывать высоту над планетой, и, как правило, рассматривали соударения 
при скоростях около 15 км/с [27]. Предполагалось, что при этом происходят процессы, аналогичные взрыву. Возможность проникания микрочастиц в диапазоне скоростей соударения до 15 км/с через защитные экраны космической 
станции полагали нереальной. В работе [14] обращали внимание на то, что 
при толщине защитной оболочки 6 мм за год на площади 100 м2 будет только 
одна пробоина. Пробивание защиты прогнозировали только для макроударников. Основной причиной эрозии автор считал соударения с частицами диаметром ⁓10 мкм и плотностью 0,05 г/см3. При этом допускали скорости соударения в диапазоне от 0 до 11 км/с. Сотрудники Открытого Британского 
Оксфордского университета полагали, что частицы космической пыли при 
ударе о спутник испаряются, образуя горячую проводящую плазму. Эта плазма может индуцировать в электронных системах токи, которые нарушают 
нормальную работу этих систем вплоть до полного вывода их из строя.
Закономерным этапом в изучении процессов соударения с микрообъектами явилось изучение микрократеров. Кратеры с диаметрами от доли микрона 
до 2 см также были обнаружены при исследовании поверхности Луны [1].