Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль

В связи с широким применение высокотвердых хрупких материалов (керамики, стекла, ситаллы и др.) для защиты от ударнопроникающих воздействий различных средств поражения разработано довольно много динамических моделей разрушения хрупких материалов. Практически все современные модели используют концепцию, согласно которой разрушение представляет собой процесс зарождения и развития в материале повреждений (дефектов, пор, трещин и т.п.) [6.17]. Этот процесс описывается различными кинетическими уравнениями, построенными на основании тех или иных механизмов разрушения. Механические характеристики деформируемого материала полагаются зависимыми от меры повре- жденности материала, связанной с историей изменения напряженно-деформированного состояния материальных частиц, составляющих деформированное тело. В [6.1, 6.17] в качестве меры поврежденности керамического материала используется пористость разрушенного материала.

В иностранной научной литературе для описания динамического деформирования хрупких материалов широко используется модель Джонсона-Холмквиста (Johnson-Holmquist) [6.18]. Эта модель интегрирована в распространенный программный комплекс Autodyn. В этой модели предел прочности хрупкого материала а в процессе его разрушения меняется от предела прочности исходного неповрежденного материала σ0 до предела прочности полностью разрушенного (измельченного) материала σр. Соответствующее уравнение имеет вид

Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль

Пределы прочности неповрежденного и полностью разрушенного материалов зависят от текущих давления и скорости деформации ε

Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль
Предел прочности разрушенной керамики ограничен сверху величиной σщах= gY где g - постоянная.
Гидростатическое давление определяется из уравнения
Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль
в котором К1, К2, К3 - постоянные. После того как материал начинает разрушаться (D > 0), давление в материале увеличивается на ∆р вследствие превращения высвобождающейся упругой энергии в потенциальную энергию сжатия. При D = 1 вся упругая энергия из- за потери материалом сдвиговой прочности превращается в потенциальную энергию всестороннего сжатия.
Численные значения постоянных модели Джонсона- Холмквиста для корундовой, карбидокремниевой керамик и на- трийсиликатного стекла [6.19] приведены в табл. 6.2.
Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль
Для проявления прочности разрушенной керамики необходимо наличие сжимающих напряжений, величина которых зависит от деформационных и прочностных свойств подложки. Поэтому эффективная остаточная прочность разрушенной керамики должна зависеть от жесткости подложки. В [6.20] эффективный предел прочности разрушенной керамики σкр описывается эмпирическим соотношением
Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль
Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль
Для жесткой подложки σкр = 0,2σк0. Известны и другие зависимости для предела прочности разрушенной керамики [6.21], но они не имеют ни экспериментального, ни теоретического обоснования.
Микромеханизмы деформирования и разрушения керамики имеют ряд существенных особенностей. В отличие от металлов в оксидах, карбидах, нитридах и других соединениях, являющихся основой керамических материалов, высока энергия образования носителей пластической деформации - дислокаций. По этой причине подобные материалы под действием сдвиговых напряжений растрескиваются практически без пластической деформации. Реологически керамики относятся к группе упруго-хрупких материалов и их большие сдвиговые деформации сопровождаются увеличением объема в результате растрескивания материала и разворота образовавшихся фрагментов. Прочность хрупких материалов на сжатие существенно (в 5... 10 раз) превосходит прочность на растяжение. Это обусловлено тем, что сжимающие усилия, в отличие от растягивающих, могут передаваться через существующие трещины, не приводя к их дальнейшему распространению. При одноосном сжатии растрескивание (повреждение) керамических образцов начинается при напряжениях порядка 1/3...2/3 предела упругости [6.5]. Образуются отдельные внутренние микротрещины, которые на начальном этапе деформирования не объединены и не вызывают разрушения тела в целом (рис. 6.1а). Растрескивание сопровождается небольшим (менее 1%) увеличением объема. При дальнейшем увеличении сдвиговых напряжений происходит рост и слияние трещин, материал разрушается (рис. 6.1 б). С ростом давления пороговые напряжения разрушения увеличиваются, поэтому становится возможной пластическая деформация керамики без разрушения. В области разрушенных состояний сопротивление сдвигу возрастает пропорционально действующему давлению.

Из анализа результатов многочисленных экспериментов следует, что чем больше твердость, модуль упругости и прочность керамики, тем более эффективно происходит разрушение пули. Ж.Ж. Стиглиц предложил баллистические защитные качества керамических материалов характеризовать параметром

Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль
В работе [6.23] были вычислены параметры G для следующих керамик: для керамики А12Оз плотностью р = 3800...3900 кг/м3, G = 1,8... 1,9 ГПа2м3/кг; для реакционноспеченной керамики на основе SiC плотностью р = 3120 кг/м3, G = 2,8 ГПа2м3/кг; для горячепрессованной керамики на основе В4С плотностью р = 2500 кг/м3, G = 5,4 ГПа2м3/кг; и было показано, что баллистическая стойкость указанных керамик соответствовала значению параметра G.
Для противопульной защиты следует использовать керамические материалы с Е > 280 ГПа, Нк > 20 ГПа и р ≤ 3000 кг/м3.
В.С. Нешпор, А.Л. Майстренко, Г.П. Зайцев и др. предложили ввести в параметр, характеризующий пулестойкость керамики, критический коэффициент интенсивности напряжений К (коэффициент трещиностойкости). Предлагаемый ими параметр Ф имеет вид
Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль
Роль ударной вязкости (вязкости разрушения), характеризуемой, например, коэффициентом трещиностойкости К, состоит в том, что увеличение К способствует локализации разрушения керамического слоя в области воздействия пули, а, следовательно, увеличивает возможность защитной структуры выдерживать попадание нескольких пуль, что важно практически. При увеличении К1c увеличиваются также размеры фрагментов в области разрушения, что способствует увеличению остаточной прочности разрушенной керамики и более эффективному торможению пули. С другой стороны, если в качестве подложки используется текстильный материал из высоко модульных и высокопрочных органических нитей, могут возникнуть трудности по удержанию крупных керамических фрагментов из-за включения механизма режущего действия острых ребер фрагментов.

Следуя [6.24], получим оценочную зависимость характерного размера образующихся при разрушении фрагментов от прочностных свойств керамики. Обозначим через у энергию образования единицы поверхности твердого тела. Количество кубических фрагментов п с характерным размером а, образовавшихся при разрушении объема V, будет равно п = V/a3. Суммарная площадь вновь образованных поверхностей S = 6па2. Для суммарной энергии Wp, затраченной на разрушение тела на п кубических фрагментов, имеем следующее выражение

Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль
 
 
Известно, что энергия образования единицы поверхности у связана с трещиностойкостью К1c. Для плоского напряженно- деформированного состояния эта связь имеет вид

Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль

Будем считать, что основную роль в разрушении материала играет упругая энергия Wy, накопленная в объеме при его деформировании до исчерпания упругих свойств

Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль
Как следует из полученной зависимости, характерный размер образующихся фрагментов оказывается пропорциональным квадрату трещиностойкости и обратно пропорционален квадрату предела упругости керамики. Поэтому изменение коэффициента трещиностойкости керамики должно заметным образом сказываться на ее эффективности.

В соответствии с законом сохранения энергии баланс энергий и работ, имеющих место при пробитии однослойных преград, можно представить в следующем виде

Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль
Экспериментальные исследования пробития тонких хрупких высокотвердых преград, выполненные в [6.4], показали следующее распределение начальной кинетической энергии ударника: А1 = (0,45...0,5) W0; А2 = (0,02...0,03) W0; W\ + W= (0,4...0,45) Wo. Интересно отметить, что в общем энергетическом балансе доля работы деформирования и разрушения хрупких тонких преград А2 невелика. При пробитии преград из пластичных материалов доля работы А2 существенно больше. Что касается работы А3, то для однослойной керамической преграды без подложки она близка к 0.
Таким образом, роль керамического слоя многослойной преграды сводится к разрушению головной части пули, увеличению площади воздействия на последующие слои преграды и поглощению части кинетической энергии остатков пули в процессе ее торможения в уже разрушенной керамике. Для удержания разрушенной керамики в сжатом состоянии и предотвращения разлета осколков необходима достаточно прочная и энергоемкая подложка, останавливающая движение остатков пули и разрушенной керамики в процессе своего деформирования без разрушения при допустимой для защищаемого объекта тыльной выпучине.

Важным параметром защитного действия керамического слоя является время существования керамики в жестком состоянии tр. В течение этого времени поврежденность керамики возрастает настолько, что становиться возможным проникание в нее ударника (рис. 6.3). Общепринятыми являются представления о волновом характере разрушения керамики в отраженных от границы раздела с подложкой и от свободной поверхности волнах разрежения, подобно тому, как это происходит при отколе при выходе ударной волны на свободную тыльную или боковую поверхности тела [6.8, 6.22]. От- кольное разрушение в твердом теле происходит в результате взаимодействия достаточно сильных разнонаправленных волн разрежения. Характерным временем существования тела в неразрушенном состоянии τр является время двойного пробега звуковой волны в направлении распространения нагрузки. Для керамического слоя это время равно тр = 2hK/cKк ≈ 10 км/с - скорость звука в керамике). Поскольку в процессе распространения по керамическому слою ударные волны быстро затухают, предполагается, что для достижения достаточных для разрушения уровня растягивающих напряжений и времени их действия (динамическое разрушение имеет релаксационный характер) требуется несколько волновых пробегов по слою керамики и tр = nhK/cK, где п - необходимое для разрушения число волновых пробегов. Понятно, что п является удобным подгоночным параметром, поскольку всегда можно сослаться на сложность и малую изученность процесса. Так в работе [6.22] рекомендуется использовать значение п = 6. В работе [6.21] для керамической преграды из SiC толщиной 9,91 мм принимается tр = 15 мкс, что дает п ≈ 15. В [6.7] tр определялось экспериментально путем последовательного теневого рентгенографирования процесса взаимодействия стандартной бронебойной пули НАТО с твердым сердечником.

Смотрите также