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
Пределы прочности неповрежденного и полностью разрушенного материалов зависят от текущих давления и скорости деформации ε
Предел прочности разрушенной керамики ограничен сверху величиной σщах= gY где g - постоянная.
Гидростатическое давление определяется из уравнения
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.
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
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
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]с (коэффициент трещиностойкости). Предлагаемый ими параметр Ф имеет вид
Роль ударной вязкости (вязкости разрушения), характеризуемой, например, коэффициентом трещиностойкости К]с, состоит в том, что увеличение К1с 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
Известно, что энергия образования единицы поверхности у связана с трещиностойкостью К
1c. Для плоского напряженно- деформированного состояния эта связь имеет вид
Будем считать, что основную роль в разрушении материала играет упругая энергия Wy, накопленная в объеме при его деформировании до исчерпания упругих свойств
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
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\ + W2 = (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/cK (ск ≈ 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
