Исследование термомеханических и ударно-волновых процессов в твердых телах при наносекундных длительностях возмущений

Представлены методы расширения возможностей лазерных интерферометров для измерений параметров движения поверхности твердых тел при динамических нагрузках. Применяющийся обычно интерферометр Майкельсона имеет ряд существенных ограничений как для измерения достаточно больших смещений, превышающих в 102ч5 раз длину волны ( 0) излучения лазера, так и для измерения очень малых смещений <<0/4.

Для увеличения чувствительности интерферометрического метода измерения малых смещений разработаны схемы интерферометров, в которых использовано увеличение допплеровского сдвига частоты при многократном отражении светового луча от исследуемой поверхности.

Возможность измерения больших динамических смещений реализуется за счет увеличения постоянной интерферометра при использовании интерференции между отраженными под разными углами световыми лучами. Доплеровский сдвиг частоты для каждого из отраженных лучей пропорционален косинусу соответствующего угла, который может быть определен с достаточной точностью.

Предложенные схемы интерферометров, позволяют существенно расширить диапазон применения интерферометрических методов измерения динамических смещений от десятых долей длины световой волны до десятков и сотен длин волн.

Приведены методика и результаты исследований лучевой стойкости оптических элементов.

Традиционно за порог лучевой стойкости оптических элементов принимается интенсивность излучения, приводящая к возникновению оптического пробоя у поверхности, хотя корректнее за порог лучевой стойкости считать интенсивность, при которой начинает происходить необратимое изменение оптических характеристик поверхности оптических элементов.

Наиболее точная и полная информация о процессах взаимодействия лазерного излучения с оптическими элементами, их поглощательной способности и лучевой стойкости может быть получена при измерениях параметров термомеханического процесса непосредственно в зоне воздействия излучения.

Проведенные исследования показали, что истинным порогом лучевой стойкости является значение интенсивности облучения, при превышении которой начинается нелинейный рост коэффициента поглощения, соответствующий началу перестройки и развития дефектной структуры поверхности.

Представлены исследования физических и технических аспектов возможности бесконтактного фототермоакустического метода измерения коэффициента поглощения прозрачных оптических элементов. Показано, что применение фотоакустических методов измерения поглощения корректно лишь при тепловом механизме взаимодействия излучениях с веществом, когда связь амплитуды любой из мод термоакустического отклика среды линейно зависит от величины поглощенной энергии. Отмечается, что бесконтактные фототермоакустические методы измерения коэффициента поглощения прозрачных оптических сред на сегодняшний момент являются наиболее перспективными при оперативном контроле качества оптических элементов и коррекции технологий производства.

Приводятся примеры использования разработанной оптико-акустической (ОА) ячейки для дефектоскопии и измерения упругих свойств материалов и элементов конструкций.

В ОА-ячейке совмещены функции оптического и акустического волноводов, а также эффективного термоакустического преобразователя свет-звук, что позволило преодолеть ряд технических ограничений применения ОА-эффекта в дефектоскопии. Разработанная конструкция позволила проводить измерения при одностороннем доступе к исследуемому объекту, или при одновременном контроле проходящих и отраженных акустических импульсов. Представленные примеры применения убедительно демонстрируют информативность и перспективность разработанных методик использования ОА дефектоскопии.

Приводятся исследования возможности высокой концентрации наносекундных импульсов давления в предельно малой пространственной области(~0,5х1,0мм).

Описаны методики экспериментальных исследований фокусировки в воде наносекундных импульсов давления при разных начальных распределениях давления - на сферическом концентраторе, которые, как известно, существенно влияют на достижение максимальной остроты фокусировки. Представлены результаты измерений для двух начальных распределений (колоколобразном и кольцевом) в зависимости от уровня начального давления(p0) и геометрических параметров ОА-концентратора. Продемонстрирована возможность значительного увеличения эффективности фокусировки за счет перехода от колоколообразного распределения к кольцевому. Показано, что для низких уровней р0 положительный эффект обусловлен, в первую очередь, увеличением эффективного угла сходимости за счет соответствующей трансформации функции распределения. Для более высоких начальных давлений дополнительным фактором является ослабление негативного влияния нелинейной рефракции при кольцевом начальном распределении давления на концентраторе..

Представлены исследования процессов переноса импульса в трех массовой ударной системе, представляющие интерес как с фундаментальной точки зрения, так и для решения целого ряда прикладных задач. Например, для повышения эффективности работы ударного инструмента. Решение этой задачи, основанное на стереомеханической модели без учета волновых процессов в соударяющихся элементах, не позволяет в полной мере рассмотреть вопрос об эффективности переноса импульса в таких ударных системах.

В экспериментах регистрировался волновой процесс в стержне-преграде, возбуждаемый как при непосредственном ударе стержня-ударника, так и при ударе через короткий промежуточный стержень-боек. Исследования проводились в диапазоне скоростей ударника V0 ~ 5ч15 м/с, то есть в условиях упругого взаимодействия соударяющихся элементов.

Результаты экспериментов, убедительно показывают факт увеличения эффективности переноса энергии в 1,2ч1,3 раза в ударной системе из трех тел по сравнению с традиционной ударной системой двух тел. Этот эффект обусловлен возникновением, так называемого, эффекта «дребезга » легкого бойка, что обеспечивает порционный отбор энергии ударника и определяет квазипластический механизм соударения. Численное моделирование задачи подтверждает результаты эксперимента.

Исследования периодического режима работы ударного инструмента с промежуточным легким бойком подтверждают повышение эффективности переноса ударного импульса и возможность его применения в установках и инструментах ударного действия.

При этом отметим, что увеличение эффективности работы такого рода ударных систем, будет определяется не только ростом эффективности переноса ударного импульса, но и увеличением эффективности разрушения гетерогенных сред за счет сложного пространственно-временного спектра ударного импульса, генерируемого в системе из трех тел.

Выводы

1.Разработаны экспериментальные методы изучения термомеханических процессов при лазерном воздействии на материалы. Впервые показано принципиальное различие характера импульсных термоупругих напряжений в тепло- и нетеплопроводящих материалах.

2. Впервые продемонстрирована в эксперименте возможность перемещения металлических объектов в направлении источника неоднородного нагрева и представлен теоретический анализ этого эффекта.

3.. Впервые получены экспериментальные данные о динамики движения облучаемой поверхности твердых тел при наносекундной длительности импульсов излучения и представлена модель, учитывающая влияние неравновесных процессов на параметры ее движения.

4. Впервые получены данные, свидетельствующие о неравновесном характере процессов в твердых телах вблизи поверхности ударного возмущения - в зоне формирования импульсных напряжений. Представлен анализ обнаруженных особенностей протекания нестационарного ударно-волнового процесса, показавший определяющее влияние ангармонизма и атомного строения твердых тел на характер этого процесса.

5.Впервые экспериментально показано, что формирование двуволновой структуры фронта импульсов напряжения при упругопластическом высокоскоростном деформировании твердых тел начинается лишь по завершении нестационарного ударно-волнового процесса вблизи поверхности нагружения.

6. Впервые обнаружено нарушение соотношения Холла-Петча в случае наносекундного ударного нагружения поликристаллических металлов, обусловленное корреляцией пространственно-временных параметров ударной нагрузки и характерных масштабов структуры поликристаллических материалов.

7.Исследовано различие прочностных свойств однородных и двухфазных стекол. Показано, что наличие двухкаркасной структуры нанометрового масштаба является основным фактором, определяющим увеличение лучевой и механической прочности двухфазного стека - практически, наноструктурного композита.

8.Экспериментально показана возможность реализации квазирезонансного разрушения твердых тел при ударном нагружении цугом наносекундных импульсов.

9. Показано, что наряду с известным влиянием величины и длительности ударного импульса на процессы разрушения существенное влияние имеет корреляция масштабов дефектной структуры материалов и пространственно-временного спектра ударной нагрузки.

10. Разработаны методы экспериментальных исследований, позволившие решить целый ряд прикладных задач.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1. Ю.В.Судьенков, А.И.Недбай, О.Ф.Ронжин, Н.М.Филиппов Влияние скорости нагружения на поведение упруговязкопластического материала // Письма в ЖТФ,1980,т.6,вып.18,с.1102-1105

2. Березин Г.В., Судьенков Ю.В. Исследование УВ от ЭВП по динамическому отклику твердотельной преграды // Физическая механика, Л.: 1980, вып.4, с Л19-127.

3. Ю.В.Судьенков, Н.М.Филиппов, А.И.Недбай Эффективная вязкость алюминия при высоких скоростях деформации // ЖТФ,1981,т.51,вып.10,с.2181-2182

4. Судьенков Ю.В., Филиппов Н.М. Влияние шероховатости поверхности на динамический отклик металлов при лазерном воздействии //“Письма в ЖТФ”, 1982,т.7,вып.21,с.1221-1223

5. Воробьев Б.В., Недбай А.И., Судьенков Ю.В., Филиппов Н.М. Исследование механизмов взаимодействия наносекундного лазерного излучения с металлами //Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. № 7. С. 395-399.

6. Судьенков Ю.В. Релаксация упругих постоянных алюминия вблизи поверхности ударного нагружения//Письма в ЖТФ, 1983, т.9, вып.23, с.1418-1422.

7. Судьенков Ю.В. Измерение поперечных напряжений в условиях одноосной деформации при субмикросекундном нагружении // ЖТФ, 1984, Т.54. вып.10. С.2035-2037.

8. Байзаков О.Д., Судьенков Ю.В. Релаксационные явления в материалах вблизи поверхности упругого субмикросекундного нагружения // Письма в ЖТФ, 1985, т.11. вып. 23. С.1433-1437.

9. Судьенков Ю.В., Даубаев У. ,Макаревич И.П.,Морозов В.А.,Недбай А.И. Интерферометры для измерения динамических смещений //“Вестник ЛГУ”, 1985,сер.мат.мех.астрон.,деп., в ВИНИТИ, №4024-85Д

10. Судьенков Ю.В. Особенности ударноволнового процесса в твердых телах вблизи поверхности высокоскоростного нагружения// Проблемы динамических процессов в гетерогенных средах, Калинин,1987, с.120-126

11. Байзаков О.Д., Морозов В.А., Судьенков Ю.В. Модель затухания упругого предвестника с учетом релаксационных явлении в приповерхностной зоне ударного нагружения // Газодинамика и теплообмен под ред. Н.Н.Поляхова. Л., 1987. Т.9.С187-191.

12. Аверьянов Н.Е., Балошин Ю.А., Павлишин И.В., Судьенков Ю.В., Юревич В.И. Исследование формы акустических сигналов возбуждаемых излучением лазера в металлических отражателях // ЖТФ. 1987. Т..57. Вып. 11. С.2123-2130.

13. Судьенков Ю.В., Воробьев Б.Ф., Даубаев У.,Недбай А.И Устройство для многократных отражений в двухлучевом интерферометре// Авторское свид., №1399644, 01.02.1988

14. Антонов А.А., Балошин Ю.А., Павлишин И.В., Судьенков Ю.В., Юревич В.И. Способ определения качества поверхности оптических изделий// Авторск. свид.№1455292,01.10.1988

15. Судьенков Ю.В., Воробьев Б.Ф, Даубаев У. ,.Недбай А.И Устройство для многократных отражений в двухлучевом интерферометре// Авторск.свид. №1490463,30.06. 1989,БИ№24

16. Аверьянов Н.Е., Балошин Ю.А., Буханов К.Ф., Павлишин И.В., Судьенков Ю.В., Юревич В.И. Optical-acoustic effect in laser -optics investigations. //(Fr)Rev.Phys.Appl.,1990,v.25,463-467

17. Ю.А.Балошин, Ю.В.Судьенков, Юревич В.И. Slow thermodeformation of metals fast laser heating// SPIE Proceedings. V 1440, 71 (1991).

18. Ю.В.Судьенков, О.Д.Байзаков Экспериментальные исследования влияния структуры на динамический отклик меди при субмикросекундном упругопластическом деформировании// Проблемы прочности,1991,№9,с.79-81

19. Антонов А.А., Буханов К.Ф., Судьенков Ю.В., Юревич В.И. Способ определения порог разрушения оптического изделия //Автоское свид.№4981215\2520.06.1991

20. Антонов А.А., Судьенков Ю.В.,Юревич В.И. Способ измерения коэффициентов поглощения //Авторское свид.,№1665796\251992

21. Ю.В.Судьенков, Ю.Б. Никитин Исследование влияния пластической деформации на затухание упругих волн в железе// ВестникЛГУ”,1992,сер.1,№1,с.113-116

22. Никитин Ю.Б.,Орлова С.А.,Судьенков Ю.В. Оптикоакустический эффект в исследованиях структуры и дефектоскопии материалов// Дефектоскопия,1992,№12,с.24-30

23. Ю.В. Судьенков, Ю.Б. Никитин Экспериментальные исследования влияния структуры на распространение упругопластических волн напряжений в металлах при субмикросекундном нагружении //Письма в ЖТФ,1993,т.19,в.12,с.66-69

24. Ю.Б.Никитин, Ю.В.Судьенков Множественный квазипериодический откол в NaCl при пульсирующей и знакопеременной ударных нагрузках // Письма в ЖТФ”,1993,т.19,в.12,с.62-65

25. Судьенков Ю.В., Юревич В.И. Измерение коэффициента поглощения селенида цинка бесконтактным фототермическим // Известия РАН,1993 Сер.физич., т.57,вып.12с.160-166

26. Иванов Э.В.,Судьенков Ю.В.. Эффективность фокусировки субмикросекундных импульсов давления в воде в зависимости от радиального распределения их начальной амплитуды. //“Письма в ЖТФ”, 1996,т.22,вып.22,с.27-30,

27. Иванов Э.В.,Судьенков Ю.В.. Экспериментальные исследования процессов фокусировки субмикросекундных импульсов давления в жидкости //ЖТФ,1998,т.68,№6,с.111-117

28. Судьенков Ю.В., Иванов Э.В., Прочнось и разрушение материалов и конструкций, С.- Пб,изд.С.-ПбГУ,1999, в.18,с.220-227

29. Судьенков Ю.В. Лучевая стойкость и особенности разрушения металлических зеркал при импульсном воздействии лазерного излучения //Вестник Тамбовского университета, 2000,т.5,вып.2-3,с.216-218

30. Судьенков Ю.В.,Никитин Д.Ю Оптико-акустическая ячейка для дефектоскопии материалов и диагностики биологических объектов //Сб.трудов Х сессии Рос. Акуст.общ., Москва, 2000,т.2,с.345-348

31. Судьенокв Ю.В. Электромагнитное излучение при разрушении пьезоэлектриков субмикросекундными импульсами давления// ЖТФ, 2001, том 71, вып.12,с.101-103

32. Sud'enkov Y. Influence of the structural levels on the elastic-plastic hardening of metals under submicrosecond shock loading //Proc. of conference Shock-Compression of Condensed Matter. Atlanta, USA. July, 2001. ch.IX,p627-629

33. Судьенков Ю.В Откол в стекле K8 при субмикросекундном ударном нагружении// Письма в ЖТФ, 2001, том 27, выпуск 11,с.30-35

34. Ю.В.Судьенком, З. А. Сажко Оптико-акустическая спектроскопия изменений структуры металлов вследствии пластической деформации ударом субмикросекундной длительности //ЖТФ, в.1, 2003,с.134-136

35. Морозов Н.Ф., Зимин Б.А., Семенов Б.Н., Судьенков Ю.В., Сусликов А.И., Баранов Г.А., Беляев А.А., Цветков Г.В. Исследование динамической прочности объема кварцевого стекла методом оптического пробоя //Письма ЖТФ,2004,т.30,в.6,с.38-44

36. З.А. Валишева, Ю.В.Судьенков Особенности термоупругого отклика металлов при субмикросекундных длительностях нагрева //Труды XVI сессия Российского акустического общества, Н.Новгород,2005

37. Зимин Б.А., Судьенков Ю.В., Сусликов А.И. Исследования динамической прочности горных пород при ударных нагрузках микросекундной длительности //Труды XV Международная научная школа им. акад. С. А. Христиановича «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках», Крым, Алушта,19-25 сентября,2005 г

38. Yuri Sudenkov, Zoya Valisheva Optical-Acoustic Spectroscopy of Metal Elastic Property Modifications Due To Thermal Treatment and Shock Strengthening // Proceedings Forum Аcusticum,Budapest,2005v.L,p95-98

39. Ю.В. Судьенков, А.И. Сусликов Исследование влияния спектра ударного импульса на характер и порог откола в ПММА// Сборник научных трудов «Поздеевские чтения»,23 - 24 марта, 2006 г.,Пермь,с.123-124

40. Судьенков Ю.В., Сусликов А.И. Влияние спектра ударного импульса на характер и порог откола в ПММА. //«Ударно-вибрационные системы машины и технологии» Материалы III международного научного симпозиума - Орел: ОрелГТУ, 2006, cтр 48-53.

41. Г.А Баранов., А.А Беляев., Н.Ф.Морозов, Ю.К.Старцев, Ю.В. Судьенков А.И.Сусликов Влияние наноструктуры двухфазного стекла на пороги лазерного пробоя и процессы разрушения //ЖТФ,2006,т.76,вып.7,стр.53-58

42. Арутюнян А.Р., Зимин Б.А., Судьенков Ю.В. Приложение метода оптико-акустической спектроскопии к исследованию усталости конструкционных материалов // “Актуальные проблемы механики сплошной среды” //Труды Международной конференции, посвященной 95-летию академика НАН Армении Н.Х. Арутюняна 25-28 сентября 2007 г., Цахкадзор, Армения. Ереван: Институт механики НАН Армении. 2007. С. 63-68

43. Арутюнян А.Р., Зимин Б.А., Судьенков Ю.В. Исследование циклической долговечности конструкционных материалов методом оптико-акустической спектроскопии //Вестник С.-Петерб. ун-та. 2008. Сер. 1. Вып. 3. С. 88-96.

44. Вовнеко Н.В., Зимин Б.А., Судьенков Ю.В. Особенности формирования динамических напряжений в тепло- и нетеплопроводящих материалах при субмикросекундной длительностях нагрева // Вестник СпбГУ., 2008. Серия ,вып.6,с.67-

45. Зимин Б.А., Вовненко Н.В.,Судьенков Ю.В. Термомеханический отклик пластин цветного стекла при субмикросекундных длительностях нагрева // Труды Межд. научная конференция по механике V Поляховские чтения,.Санкт-Петербург, 2009г., с.164.

46. Н.В. Вовненко, Б.А. Зимин, Ю.В.Судьенков Дисперсионный анализ в слабо связанных системах динамической термоупругости //Труды ХIV международная конференция «Современные проблемы Механики сплошной среды», 19-24 июня2010, Азов, т.2,с.116-118

47. Н.В.Вовненко, Б.А.Зимин, Ю,В.Судьенков Неравновесный процесс движения облучаемой поверхности металлов при воздействии лазерных импульсов субмикросекундной длительности //ЖТФ, 2010,т.80,вып.7,с.41-45

48. Н.В.Вовненко, Б.А.Зимин, Ю.В.Судьенков Экспериментальные исследования термоупругих напряжений в тепло- и нетеплопроводящих твердых телах при субмикросекундных длительностях лазерного нагрева//ЖТФ,2011,т.81,вып.6,с.57-92

49. Н. В. Вовненко, Б.А. Зимин, Ю.В.Судьенков, Д.А.Юнгмейстер Экспериментальные исследования и численное моделирование ударно-волновых процессов при центральном соударении трех стержней различной массы. // Вестник СПбГУ. Сер. 1. 2011. Вып. 3,стр.95-101

50. I.V. Smirnov,Yu.V. Petrov, Yu.V. Sudenkov, E. Cadoni Threshold Characteristics of Short Pulse Loads Causing Fracture in Concrete and Rocks// Applied Mechanics and Materials, 2011, Vol. 82, P. 106-111.

51. B.A. Zimin, Yu.V. Sud'enkov. The Movement of a Metal Disc toward Pulse Laser Radiation the Effect of Thermoplastic Stresses.// Technical Physics Letters. 2013, vol. 39, N 1. pp 23-26.

Размещено на Allbest.ru