Analysis of fragmentation of plates of synthetic mineral alloys under impact of ball high velocity by visualization technique

Abstract


The object of research are synthetic mineral alloys. Their structure comprises a 95 % crystalline and 5 % amorphous phase components, these materials have strong dissipative properties and strong perspectives for use as body armor components. To realize the potential of the dissipative properties of these materials must be a detailed study of the deformation behavior at high shock loads. The goal of work is to study the destruction and fragmentation of synthetic mineral alloys at high velocity impact by imaging technique. For experiments was used pneumatic gun length 3950 mm and a steel ball diameter of 23.8 mm, the speed of the ball was 233-234 m/s. For visualization was used a complex of video recording, consisting of a high-speed camera Photron Fastcam SA5 and lighting equipment. Shooting speed was 50,000 frames / sec. Experiments was made with differing material samples: synthetic mineral based alloys gabbro and basalt. In results was found stages of damage and fragmentation as per-frame images, quantitative analysis of the data registration process speed collision and kinetics of cracks (thickness, disclosure) during the fragmentation. These data allowed to establish qualitative characteristics of fragmentation of synthetic mineral alloys of the type quasi-brittle materials. This information is of interest to develop improved varieties of synthetic mineral alloys and protective structures of them. Vizualization techniques can be used to practice the following materials science research and experimental study of the laws of ballistic damage and destruction of critical structural elements of synthetic mineral alloys.

Full Text

Изучение поведения синтетических минеральных сплавов в условиях динамических нагрузок показало, что они обладают способностью рассеивать кинетическую энергию ударного разрушения [1-3]. Это обстоятельство позволяет рассматривать их в качестве материала бронезащиты, как альтернативу керамическим материалам. Однако, поскольку данное свойство синтетических минеральных сплавов было выявлена не так давно, развитие этого направления применения осложняется недостаточностью экспериментальных данных об их деформации, разрушении и фрагментации. В работах [4-6], посвященных материалам, аналогичным синтетическим минеральным сплавам, отмечено, что показателями, позволяющими оценить качественные и количественные параметры ударного разрушения, являются величины скорости роста и раскрытия трещин, перемещения фрагментов разрушения, а также последовательность возникновения и развития повреждений в материале. Актуальным является изучение параметров ударного разрушения синтетических минеральных сплавов. Настоящая статья посвящена анализу разрушения и фрагментации синтетических минеральных сплавов при высокоскоростном ударе методом визуализации. Достоверными способами визуализации являются видео- и фотофиксация. При выборе параметров видео- и фотофиксации следует руководствоваться тем, какие именно процессы предположительно могут происходить. Из работ [7-10] известно, что процесс сопротивления удару сопряжен, с одной стороны, с деструкцией материала мишени, а с другой - с процессами деформации и эрозии повреждающего тела. Следовательно, при визуализации необходимо различать материал мишени и материал повреждающего тела. В других работах [11] указывается, что основными стадиями процесса разрушения хрупких материалов в условиях высокоскоростного удара являются зарождение трещин, их рост и слияние. Исходя из этого при визуализации следует предусмотреть возможность различения трещины на поверхности образца в момент удара. Работы [12-13] указывают на то, что при фрагментации хрупких материалов важными оценочными показателями являются скорости и траектории трещин и фрагментов разрушения. Следовательно, при визуализации необходимо наблюдать события до и после фрагментации, а также количественно оценивать параметры перемещения фрагментов и развития трещин. Обозначенным требованиям к видео- и фотофиксации соответствует экспериментальный комплекс (рис. 1). Для проведения экспериментов, результаты которых описаны в настоящей работе, установка использовалась в комплектации с разгонной трубой с внутренним диаметром 25-0,2 мм и длиной 3950 мм и устройством закладки телескопического типа. Разгон пробойника осуществлялся с помощью пневмооборудования, использовался ресивер высокого давления объемом 5,2 л. Заполнение ресивера воздухом осуществлялось от компрессора высокого давления. Параметры работы оборудования контролировались при помощи датчиков, включенных в автоматизированную систему проведения эксперимента. Модуль крепления и позиционирования испытываемого образца представлял собой механическое устройство с зажимом тисочного типа и возможностью плавного перемещения испытываемого образца в трех взаимно перпендикулярных направлениях и поворота вокруг вертикальной оси. Устройство обеспечивает позиционирование образца в направлениях линейных перемещений с точностью 0,05 мм, по угловому перемещению - 1′. а б в Рис. 1. Экспериментальный комплекс: а - вид со стороны разгонной трубы; б - камера с образцом и оборудованием для видеофиксации; в - схема установки Для гарантированного попадания в нужную часть образца ударником было использовано съемное устройство визирования оси разгонной трубы, предназначенное для визирования на экспериментальном образце оси разгонной трубы, которая совпадает с вектором скорости повреждающего предмета. Устройство представляет собой оптическую систему, состоящую из зрительной трубы с перекрестием, имеющей переменное фокусное расстояние и 20-кратное увеличение, зеркала с одной отражающей поверхностью и двух втулок с перекрестиями, устанавливаемых на входе и выходе разгонной трубы. Зрительная труба и зеркало смонтированы на общем основании и устанавливаются вместо съемной части устройства закладки. Устройство обеспечивает точность визирования оси разгонной трубы ± 0,15 мм. Скорость ударника определяли по величине времени прохождения ударником контрольного участка. Система контроля скорости представляла собой электронное устройство, оборудованное лазерными излучателями и соответствующими приемниками в начале и в конце контрольного участка, которые генерируют электрические импульсы при прохождении повреждающего предмета. Скорость повреждающего предмета определялась в автоматизированной системе проведения эксперимента по интервалу времени между импульсами и длине контрольного участка. Система скоростной видеорегистрации процесса соударения состояла из скоростной видеокамеры Photron Fastcam SA5 и осветительного комплекса. Максимальная скорость съемки камер составляет 775 000 к/с при разрешении 128×24 pixels. Камера регистрирует процесс соударения под углом около 45° к трем ортогональным плоскостям. Для получения качественной видеосъемки при малом времени экспозиции система скоростной видеорегистрации была оборудована осветительным комплексом, состоящим из семи источников света мощностью 1000 Вт каждый. Запуск процесса видеорегистрации осуществляется по триггер-сигналу, генерируемому автоматизированной системой проведения эксперимента. Управление процессом эксперимента осуществлялось автоматизированной системой на базе системы PXI с набором специальных модулей сопряжения разработки National Instruments и удаленного персонального компьютера. Установка оборудована улавливающими и защитными экранами, предотвращающими вылет фрагментов разрушения повреждающего предмета и исследуемого образца за пределы зоны испытаний и системой видеонаблюдения и блокировки начала испытаний при нахождении человека в испытательном помещении. Объектом исследования являлись синтетические минеральные сплавы, характеристики которых представлены в табл. 1. Характеристики образцов и параметры экспериментов представлены в табл. 2. Таблица 1 Характеристика синтетических минеральных сплавов Материал Плотность, г/см3 Твердость (крист. части), ГПа Модуль Юнга, ГПа Ударная вязкость, кДж/м2 Предел прочности при сжатии, МПа Фазовый состав, % Синтетический минеральный сплав на основе горнблендита 2,9-3,0 3-10 70-100 1,25 250-290 Шпинельная фаза (40-60 мкм) - 2-3 Пироксеновая фаза (120-180 мкм) - 90-95 Аморфная фаза - 6-7 Синтетический минеральный сплав на основе базальта 2,8-2,9 3-7 110 1,07 210-230 Оливиновая фаза (90-100 мкм) - 2-3 Пироксеновая фаза (120-180 мкм) - 89-93 Аморфная фаза - 7-9 Таблица 2 Характеристика образцов и параметров эксперимента Материал Поражающее тело (ударник) Размер образца, мм Скорость ударника, м/с Скорость съемки, кадров/с Время экспозиции, с Разрешение кадров, пиксель Синтетический минеральный сплав на основе горнблендита шар диаметром 23,8 мм (Сталь 20) 115×180×15 233 50000 1/100 000 320×384 Синтетический минеральный сплав на основе базальта 200×100×15 234 1/103 000 384×328 Для наглядности результатов видеофиксации образцы были покрыты водоэмульсионным составом белого цвета, на поверхность образцов была нанесена разметочная сетка с размером ячейки 10×10 (рис. 2). а б Рис. 2. Образцы синтетических минеральных сплавов, подготовленные к испытаниям: а - на основе горнблендита; б - на основе базальта В результате видео- и фотофиксации были составлены фреймовые карты - набор покадровых изображений, визуализирующий этапы соударения и фрагментацию (рис. 3, 4). При анализе результатов видеофиксации эксперимента с образцом из синтетического минерального сплава на основе горнблендита обнаружено, что при столкновении ударника и мишени практически мгновенно произошло образование светящегося ореола. Затем ореол начал распространятся в виде облака искр со средней скоростью 5000 м/с. Объяснить это явление можно как результат эрозии поверхности ударника. Через 4 с·10-5 после удара, сразу после начала разлета облака искр, образовалось пылевое облако, состоящее из мелкодисперсных частиц мишени. Подобное «пыление» образца является закономерным явлением для неметаллических хрупких материалов [14]. Скорость движения пылевого фронта составила 2430 м/с. На 9 с·10-5 после соударения на поверхности образца были обнаружены первые радиальные трещины. Рост радиальных трещин составил в среднем 3898 м/с (рис. 5, б). Кольцевые трещины появились на 14 с·10-5 после удара. Скорость роста кольцевых трещин была значительно ниже - в среднем 2476 м/с (см. рис. 5, б). По мнению авторов, рост трещин сам по себе еще не свидетельствует о начале фрагментации; началом разрушения и фрагментации является увеличение толщины трещин (рис. 5, в). Начало роста толщины трещин зафиксировано на 27 с·10-5 с момента удара. С помощью фрейм-анализа было зафиксировано, что кольцевые трещины расширяются со скоростью около 200 м/с, что чуть выше скорости утолщения радиальных трещин, которая составляет в среднем 160 м/с. Ориентировочный радиус кольцевой зоны перед началом фрагментации составил 15-20 мм (рис. 5, а). С помощью фреймовых карт отслеживалось движение крупных и мелких фрагментов, установлена величина скорости их перемещения (рис. 5, г), в среднем она составила 80-50 м/с. 1c·10-5 4 c·10-5 9 c·10-5 14 c·10-5 27 c·10-5 Рис. 3. Фреймовая карта высокоскоростной съемки разрушения образца синтетического минерального сплава на основе горнблендита при скорости 233 м/с При столкновении ударника с мишенью из синтетического минерального сплава на основе базальта также наблюдалось образование светящегося ореола в месте контакта повреждающего тела и поверхности образца. Облако искр из светящегося ореола разлеталось со средней скоростью 2600 м/с. На 3 с·10-5 после удара, одновременно с образованием пылевого облака появились первые радиальные трещины. Скорость движения пылевого фронта составила 5500 м/с. Скорость роста радиальных трещин составила в среднем 4760 м/с (рис. 6, б). Увеличение толщины некоторых радиальных трещин наблюдалось еще до появления кольцевых трещин. Кольцевые трещины появляются на 7 с·10-5 после удара. Скорость роста кольцевых трещин составила в среднем 3280 м/с (см. рис. 6, б). Начало увеличения толщины радиальных трещин не идентифицировалось как отдельное событие, оно практически совпало с процессом роста трещин в длину, что указывает на то, что для этого образца процесс фрагментации начался одновременно с появлением трещин через на 14 с·10-5 (рис. 6, в). Ориентировочный радиус кольцевой зоны перед началом разлета фрагментов составил 8-12 мм (рис. 6, а). С помощью фреймовых карт был установлен характер перемещения крупных и мелких фрагментов и средняя скорость их перемещения, которая составила 70-75 м/с (рис. 6, г). 1c·10-5 3 c·10-5 7 c·10-5 14 c·10-5 Рис. 4. Фреймовая карта высокоскоростной съемки разрушения образца синтетического минерального сплава на основе базальта при скорости 234 м/с а б в г Рис. 5. Визуализация процессов фрагментации мишени из синтетического минерального сплава на основе горнблендита и результаты расчета ее параметров: а - наблюдаемые явления и объекты, характеризующие фрагментацию; б - скорость роста радиальных и кольцевых трещин; в - скорость увеличения толщины трещин; г - динамика скорости фрагментов мишени разного размера а б в г Рис. 6. Визуализация процессов фрагментации мишени из синтетического минерального сплава на основе базальта и результаты расчета ее параметров: а - наблюдаемые явления и объекты, характеризующие фрагментацию; б - скорость роста радиальных и кольцевых трещин; в - скорость увеличения толщины трещин; г - динамика скорости фрагментов мишени разного размера Разница в количественных показателях роста радиальных и кольцевых трещин, а также разница в последовательности появления повреждений в материале в момент удара рассматривалась в работах [4, 15-17]. Причинами этого являются анизотропность структуры материала, наличие масштабной иерархии между структурными составляющими и разница в характере напряжений в месте контакта с ударником и на периферии от него. Радиальные трещины образуются под действием растягивающих напряжений, а кольцевые трещины под действием сжимающих нагрузок. У синтетических минеральных сплавов предел прочности при сжатии выше предела прочности при растяжении, следовательно, под действием растягивающих нагрузок в материале скорее возникнут признаки разрушения - радиальные трещины. В экспериментах с синтетическим минеральным сплавом на основе горнблендита и на основе базальта обнаружена различная последовательность образования повреждений. Для синтетического минерального сплава на основе горнблендита период времени между развитием повреждений и началом фрагментации оказался длиннее на 8-10 с·10-5, чем у синтетического минерального сплава на основе базальта; причиной может быть разница в величинах предела прочности этих материалов (см. табл. 1). Сопоставляя данные, полученные в результате экспериментов, с известными данными об известных неметаллических квазихрупких материалах, подвергнутых аналогичному воздействию [18-19], выявили, что средняя скорость роста трещин, характерных для синтетических минеральных сплавов, в незначительной мере отличается от аналогичных показателей и в наибольшей степени соответствует величинам, характерным для шпинельной керамики (табл. 3). Характер повреждений синтетических минеральных сплавов, предшествующих фрагментации, соответствует характеру повреждений спеченной керамики на основе бимодальной порошковой смеси при аналогичном ударном воздействии [20]. Таблица 3 Величины скоростей роста трещин в результате ударного разрушения различных материалов Материал Средняя скорость роста трещин, м/с Прозрачный многослойный материал на основе бронестекла 3100-3500 Шпинельная керамика на основе мелкодисперсного порошкового сырья 2800-3000 Шпинельная керамика на основе крупнодисперсного порошкового сырья 2600-2900 Шпинельная керамика на основе бимодального порошкового сырья 3200-3700 Синтетический минеральный сплав на основе горнблендита 3800-4000 Синтетический минеральный сплав на основе базальта 3600-3900 Таким образом, представлен анализ фрагментации пластин из синтетических минеральных сплавов на основе базальта и горнблендита при высокоскоростном ударе шаром методом визуализации. Установлены качественные признаки и количественные величины, характеризующие развитие разрушений и последующей фрагментации синтетических минеральных сплавов. Экспериментальные данные сопоставимы с известными величинами, характерными для различных видов спеченных керамических материалов для бронезащиты, что указывает на целесообразность дальнейших исследований в сфере применения синтетических минеральных сплавов в качестве их аналогов. Эта информация представляет интерес для дальнейшей разработки улучшенных разновидностей скитнических минеральных сплавов и защитных конструкций из них. Методика визуализации может быть использована для отработки последующих материаловедческих разработок и экспериментального изучения закономерностей баллистического повреждения и разрушения ответственных элементов конструкций из синтетических минеральных сплавов.

About the authors

A M Ignatova

Perm National Research Polytechnic University

M A Nikhamkin

Perm National Research Polytechnic University

V L Voronov

Perm National Research Polytechnic University

M N Ignatov

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Исследование диссипативных свойств синтетических минеральных сплавов для создания на их основе броневой защиты / А.М. Игнатова, А.О. Артемов, В.В. Чудинов, М.Н. Игнатов, М.А. Соковиков // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. - 2012. - № 3. - С. 105-112.
  2. Исследование взаимосвязи акустической эмиссии и разрушения камнелитых материалов в условиях одноосного сжатия / М.Н. Игнатов, А.М. Игнатова, А.О. Артемов, В.А. Асанов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Серия: Технические науки. - 2011. - № 2. - С. 126-132.
  3. Игнатова А.М., Артемов А.О., Игнатов М.Н. Противокумулятивная защита техники с применением синтетических минеральных сплавов // Двойные технологии. - 2014. - № 2(67). - С. 13-17.
  4. Analysis of the Fragmentation of AlON and Spinel Under Ballistic Impact / E. Strassburger, M. Hunzinger, P. Patel, J.W. McCauley // ASME. J. Appl. Mech. - 2013. - Iss. 3. - Р. 031807-031807(11). doi: 10.1115/1.4023573
  5. Zinszner J.L., Forquin P., Rossiquet G. Experimental and numerical analysis of the dynamic fragmentation in a SiC ceramic under impact // International Journal of Impact Engineering. - 2015. - Vol. 76, February. - Р. 9-19.
  6. Compton B.G., Gamble E.A., Zok F.W. Failure initiation during impact of metal spheres on to ceramic targets // International Journal of Impact Engineering. - 2013. - Vol. 55. - Iss. 5. - Р. 11-23.
  7. Concurrent Velocimetry and Flash X-ray Characterization of Impact and Penetration in an Armor Ceramic / B.E. Schuster, B.B. Aydelotte, R.B. Leavy, S. Satapathy, M.B. Zellner // Procedia the 13th Hypervelocity Impact Symposium Engineering. - 2015. - Vol. 103. - P. 553-560.
  8. Толкачев В.Ф., Жейков В.В. Разрушение конструкционных материалов и композитов при высокоскоростном соударении // Вестник ТГУ. - 2013. - Т. 18. - Вып. 4. - С. 1741-1742.
  9. Абросимова А.С., Колпаков В.И. К обоснованию использования механохимических активных материалов в качестве защитных экранов космических аппаратов [Электронный ресурс] // Инженерный вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2014. - № 3. - URL: http://engbul.bmstu.ru/doc/ 706129.html (дата обращения: 01.04.2015).
  10. Сысоев А.А., Колпаков В.И. Анализ физических аспектов взаимодействия высокоскоростных микрочастиц с элементами противометеоритной защиты с использованием механохимически активных веществ [Электронный ресурс] // Инженерный вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2014. - № 11. - URL: http://engbul.bmstu.ru/doc/745041.html (дата обращения: 01.04.2015).
  11. Leavy R.B., Brannon R.M. Strack O.E. The use of sphere indentation experiments to characterize ceramic damage models // International Journal of Applied Ceramic Technology. - 2010. - Iss. 7. - Р. 606-615.
  12. Nikhamkin M., Voronov L., Bolotov B. Experimental finding of dynamic deformation fields in metal and composite plates under impact // PNRPU Mechanics Bulletin. - 2015. - № 2. - Р. 103-115.
  13. Rosenberg Z., Dekel E. Terminal Ballistics. - Springer Science & Business Media, 2012. - 323 p.
  14. Denzel J.R. Determination of shock properties of ceramic corbit 98: 98% alumina, Master’s thesis, Naval Postgraduate School, Monterey. CA, June 2010, available at: http://hdl.handle.net/10945/5312.
  15. Damage development in an armor alumina impacted with ductile metal spheres / B.G. Compton, E.A. Gamble, V.S. Deshpande, F.W. Zok // Journal of mechanics of materials and structures. - 2012. - Vol. 7. - No. 6. dx.DOI.org/10.2140/jomms.2012.7.575 575-591
  16. Influence of material properties on the ballistic performance of ceramics for personal body armor / C. Kaufmann, D. Cronin, M. Worswicka, G. Pageaub, A. Bethc // Shock and Vibration. - 2003. - Vol. 10. - Iss. 51. - Р. 51-58.
  17. Герасимов А.В., Пашков С.В., Христенко Ю.Ф. Защита космических аппаратов от техногенных и естественных осколков: эксперимент и численное моделирование // Вестник Том. гос. ун-та. Математика и механика. - 2011. - № 4(16). - С. 70-78.
  18. Sphere impact damage in ceramics / J.C. LaSalvia, M.J. Normandia, H.T. Miller, D.E. Mackenzie // Advances in ceramic armor: 29th international conference on advanced ceramics and composites. - 2005. - Vol. 26, available at: http://dx.DOI.org/10.1002/9780470291276. ch20.
  19. Clayton J.D. Penetration resistance of armor ceramics: Dimensional analysis and property correlations // International Journal of Impact Engineering. - 2015. - Vol. 85. - P. 124-131.
  20. Yavari A., Khezrzadeh H. Estimating Terminal Velocity of Rough Cracks in the Framework of Discrete Fractal Fracture Mechanics // Eng. Fract. Mech. - 2010. - Iss. 77. - P. 1516-1526.

Statistics

Views

Abstract - 37

PDF (Russian) - 16

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2015 Ignatova A.M., Nikhamkin M.A., Voronov V.L., Ignatov M.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies