§ 2. Разрушения, производимые взрывами

Б. Гопкинсон [57] исследовал разрушения, возникающие в металлических образцах, когда в контакте с ними подрываются небольшие количества взрывчатого вещества. Он пользовался стальными образцами, причем заряды пироксилина детонировались в контакте с пластинками различной толщины. Для тонких пластинок (менее толщины) Гопкинсон нашел, что взрыв пробивает в них сквозное отверстие. В толстых же плитах заряд оставляет вмятину на той поверхности плиты, с которой он находится в контакте, и выбрасывает круглый диск с противоположной стороны, причем поверхность этрго диска, который Гопкинсон назвал "отколом", имеет беспорядочную текстуру и приблизительно сферическую форму.

Когда заряд детонирует, он в течение нескольких микросекунд превращается в горячий газ, давление возрастает очень быстро до нескольких десятков тонн на квадратный сантиметр. Так как в этих опытах горячие газы от взрыва были ограничены только окружающим воздухом, они расширялись очень быстро и давление падало в течение нескольких стотысячных секунды. Поэтому сферический импульс сжатия очень короткой продолжительности направляется внутрь стального образца. Этот сферический импульс достигает нижней поверхности образца и отражается от нее как импульс растяжения, и поскольку сталь гораздо меньше сопротивляется растяжению, чем сжатию, то отраженный импульс растяжения производит откол в материале.

Описанное явление показано схематически на фиг. 44. Заряд расположен в точке верхней поверхности плиты сферическая волна сжатия распространяется от него и отражается от свободной нижней поверхности плиты

Фиг. 44. Образование "откола" в большой плите.

В области непосредственно под зарядом она отражается целиком как волна растяжения; далее падает на нижнюю поверхность наклонно и в дополнение к волне растяжения возникает отраженная волна искажения. Это явление было рассмотрено в гл. II, причем на фиг. 6 показаны относительные амплитуды этих волн при различных углах падения для материала с пуассоновым отношением 0,33.

Волна расширения всегда отражается под углом, равным углу падения, так что она кажется исходящей из точки которая представляет отражение точки относительно плоскости Отраженный импульс расширения проходит через хвост падающего импульса сжатия, а результирующее напряжение в плите равно сумме напряжений, порождаемых падающим и отраженным импульсами. Распределение напряжений при нормальном падении импульса сжатия на свободную поверхность рассмотрено в гл. IV и показано схематически на фиг. 21. Форма импульса сжатия, получающегося от взрыва пироксилина, не обязательно такая, как показано на фиг. 21, хотя, в результате очень быстрой детонации и сравнительно медленного растекания продуктов детонации, импульс, повидимому, быстро возрастает и значительно медленнее ослабевает. Далее, вследствие

больших давлений, возникающих при детонации, в волне развивается, вероятно, ударный фронт, который сохраняется при распространении в образце, по крайней мере, в области вблизи взрыва.

Как показано на фиг. 21, ощутимое растягивающее напряжение появляется впервые на некотором расстоянии от свободной поверхности и здесь начинается разрушение. Как только разрушение началось, остальная часть импульса отражается от вновь образовавшейся свободной поверхности, так что, когда амплитуда импульса напряжения достаточно велика, возможно образование нескольких параллельных трещин. В момент образования трещины некоторая часть количества движения остается между трещиной и нижней поверхностью, и если трещина распространилась в достаточной степени, чтобы кусок металла оторвался, он отлетает с количеством движения, захваченным им. Это явление подобно тому, которое использовано в мерном стержне Гопкинсона (см. выше), когда форма импульса давления определяется по его частям, захваченным хронометром и измеряемым моментом количества движения, которое приобретает хронометр. В описанных выше опытах по "отколу" Гопкинсон обнаружил, что "откол" отлетал с заметной скоростью и был в состоянии пробить толстую деревянную доску.

Область, в которой наступает разрушение (заштрихованная на фиг. 44), ограничена той частью образца, где растягивающее напряжение отраженной волны больше, чем предел прочности на растяжение. Амплитуда этого отраженного импульса растяжения может уменьшиться от следующих четырех причин:

1. Так как импульс имеет сферическую форму, его амплитуда убывает с возрастанием радиуса. (На фиг. 44 радиус равен расстоянию от отраженной точки эта точка на фигуре не показана.)

2. С отходом от линии угол падения прямого импульса сжатия увеличивается. В гл. II показано, что при возрастании угла падения амплитуда отраженной волны расширения уменьшается, а остальная энергия переходит в отраженную волну искажения.

3. Вследствие внутреннего трения часть упругой энергии импульса при прохождении через образец превращается в теплоту, что приводит к удлинению импульса и к уменьшению его амплитуды, так как количество движения в импульсе сохраняется.

4. Когда наступает разрушение, амплитуда быстро уменьшается, так как упругая энергия, накопленная в материале вокруг места разрушения, рассеивается.

На основании вышесказанного можно ожидать, что область разрушения должна иметь форму приблизительно сферической

поверхности с центром в точке В опытах с более концентрированными зарядами, чем использованные Гопкинсоном (они описаны в следующем параграфе), обнаружено, что откол имеет приблизительно такую форму.

В недавней работе Райнхарта [121] опыты Гопкинсона повторены с использованием цилиндрических зарядов, взрываемых в контакте со стальными плитами. После взрыва плиты разрезались и исследовались изменения твердости и микроструктуры металла. Райнхарт показал, что, кроме разрушений, обнаруженных Гопкинсоном, импульс напряжений производит значительную пластическую деформацию в металле и изменяет его микроструктуру; эти явления связаны с напряжениями сдвига, вызываемыми импульсом.