HomeОбработка стали › Действие ударных волн при обработке металлов

Действие ударных волн при обработке металлов

Действие ударных волн при обработке металловВ качестве энергоносителей при обработке металлов взрывом применяют метательные (пороха) и бризантные взрывчатые вещества (в.в.). Всякое в.в., сгорая, выделяет большое количество газов и тепла. Скорость горения порохов колеблется при нормальных условиях в зависимости от их вида от нескольких сантиметров до нескольких метров в секунду, в то время как скорости процессов разложения бризантных в.в. достигают значений 1500-8500 м/сек.

 

Из-за низкой скорости сгорания тепло и газы порохов успевают рассеиваться, не создав высоких давлений, поэтому пороха сжигают в замкнутых объемах. Установлено, что максимальное давление определяется в основном плотностью укладки в.в., равной отношению массы заряда к его объему, и может достигать нескольких тысяч атмосфер. Изменяя плотность заряда, получают широкий диапазон давлений и скоростей процесса.

 

Различные пороха нашли применение в металлообработке в основном для некоторых дистанционных операций, использующих их метательные свойства (в прессах для штамповки, взрывопробивных прессах и др.). Необходимость устройства закрытых зарядных камер, способных выдержать давление взрыва, а также сравнительно невысокие максимальные давления и скорости процессов, развиваемые этими в.в., ограничивают их применение.

 

Границу раздела между продуктами взрыва и непрореагировавшим в.в. называют фронтом детонации, а скорость продвижения фронта — скоростью горения для порохов и скоростью детонации для бризантных в.в. При взрыве бризантных в.в. достигается давление порядка 14-30 Гн/м2 (140 000-300 000 атм) и температура может повыситься до 3027-5527° С. Период превращения, т. е. время полного сгорания или детонации, измеряется миллисекундами для порохов и микросекундами для бризантных в.в.

 

Об эффективности применения в.в. судят по таким характеристикам, как скорость детонации, бризантность, теплота взрыва. Бризантность характеризует способность в.в. дробить материал и выражается в мм (по количеству раздробленного материала). Теплота взрыва показывает, сколько тепла выделяется при детонации единицы массы в.в. Мощность дает оценку усилия, развиваемого в.в.

Бризантные в.в. изготовляют в виде порошков, шнуров, спрессованных или литых пластин, блоков, фасонных изделий. Удобны для применения пластические в.в., которым можно придавать любую форму. Форма в.в. имеет важное значение и определяется формой изделия и видом взрывной операции.

 

Так, для формовки сложных изделий следует применять сферические заряды, создающие равномерное давление во всех направлениях; шнуры можно укладывать вдоль изогнутых контуров; для больших плоскостей применяют в.в. в форме насыпного порошка, листов и т. д. Изменяя форму в.в., можно создавать направленное давление. Давление, создаваемое энергией взрыва, передается через окружающую среду в виде ударных волн. Разлет продуктов взрыва обычно не велик, но ударная волна, вызываемая их действием, может распространяться на большие расстояния.

Ударные волны разделяют по форме поверхности ударного фронта, например, на плоские, сферические, конические и т. п., а также по направлению — продольные и поперечные.

Если движение частиц в веществе совпадает с направлением распространения волны, то волна называется продольной. При этом различают скорость движения частиц материала за фронтом волны и скорость распространения фронта волны.

 

Скорость волны всегда больше скорости частиц. Если скорость частиц и волны на-правЛены-в одну сторону, то ударная волна является волной сжатия, а в случае противоположного направления- волной растяжения (разрежения). Продольная волна — это чередование областей повышенной и пониженной плотности в среде. Под действием продольной ударной волны возникают объемные возмущения.

 

Если скорость частицы материала перпендикулярна направлению распространения волны, то такая волна называется поперечной. Поперечные волны возникают в результате действия сдвиговых напряжений и в свою очередь могут вызывать в материале только напряжения сдвига, связанные с искажением формы материала.

 

Скорость есть не что иное, как продольная скорость звука. Установлено, что при достаточно сильных волнах, когда создаваемые ими касательные напряжения превысят некоторые критические значения, твердое вещество теряет свою жесткость и становится пластичным (текучим, подобно жидкости).

 

Сдвиговые волны при этом не развиваются и скорость продольной волны (уже как гидродинамической) определится из равенства которое показывает, что с0 зависит только от модуля всестороннего сжатия и не зависит от модуля сдвига.

 

Итак, если давление на плоскость, перпендикулярную направлению движения волны, меньше критического, то по телу распространяется только упругая волна со скоростью се. Если это давление больше критического, то возникает не одна, а уже две волны (происходит так называемое расщепление волны): упругая — с амплитудой, равной критическому давлению, и со скоростью се, а вслед за нею пластическая.

 

Мы рассмотрели несколько идеализированный случай поведения твердого тела под действием ударной волны в предположении, что оно или идеально упруго, или сразу приобретает свойства жидкости. Реальные тела не обладают идеальной упругостью и отклонение от нее прежде всего сказывается на скорости распространения волн. Сжимаемость вещества с увеличением нагрузки уменьшается.

 

В результате скорость волн зависит от их интенсивности. Части волны с большим давлением распространяются быстрей, что приводит к искажению формы и длины волны. Однако в волнах небольшой интенсивности изменением скорости волны от давления пренебрегают и считают скорость постоянной, равной скорости звука се в невозмущенном веществе. При достаточно сильных волнах скорость зависит от величины давления и может превышать скорость звука.

 

Если скорость ударной волны больше скорости звука се,то расщепление волны на упругую и пластическую не происходит, так как ударная волна превращается в гидродинамическую и как бы сливается с упругой волной. Максимальное давление в продуктах взрыва для нормальной плоской волны детонации непосредственно за фронтом детонации может быть определено для сильных в.в. по формуле

 

Для слабых в.в. установлено, что при сжигании их в замкнутом объеме величина развиваемого давления зависит в основном от плотности заряжения и практически не зависит от природы в.в. Различают давление в продуктах взрыва и давление в возбуждаемой ими ударной волне. Максимальное давление в ударной волне зависит от характера взаимодействия продуктов взрыва с контактируемым веществом и может значительно отличаться от давления в продуктах взрыва как в большую, так и в меньшую сторону.

 

Максимальное давление в продуктах взрыва и в ударной волне можно изменять различными способами. Например, в случае использования пластинки в.в., изогнутой в виде полуцилиндра, с вогнутой стороны заряда образуется сходящаяся ударная волна большой интенсивности.

 

С выпуклой стороны давление гораздо меньше и убывает более интенсивно, так как энергия ударной волны здесь распределяется на большую, все увеличивающуюся поверхность. Возможность создания локальных зон с повышенным давлением в продуктах взрыва за счет соответствующего профиля заряда в.в. используется для получения в металлах различного вида полостей и отверстий, а также для резки. При распространении ударных волн в твердых телах имеет большое значение отражение волн от свободной границы.

 

Свободная поверхность не должна испытывать нормальных напряжений. Это условие может соблюдаться, если отраженная волна противоположного знака, т. е. если падающая волна — волна сжатия, то отраженная волна будет волной растяжения с интенсивностью, способной полностью погасить на свободной границе давление в падающей волне.

 

В этом случае скорости частиц падающей и отраженной волны складываются и область материала вблизи свободной поверхности начинает двигаться с большой скоростью. В случае нормального падения на свободную поверхность акустической волны скорость границы удваивается. Ударная волна справа и слева от прилива достигает свободной поверхности раньше, и благодаря отражению эти поверхности приобретают скорость, в два раза большую, чем скорость материала в приливе.

 

В результате возникают большие касательные напряжения в углах, приводящие к развитию трещин, а также уменьшается высота уступа. Если на поверхности металла сделать выемку, то волны напряжения вызывают поперечное и продольное течение поверхностей выемки, приводящее к ее заплыву и образованию шипа.

 

В случае, если материал не выдерживает растягивающих напряжений, создаваемых отраженной волной, то происходит отрыв материала или, как его часто называют, откол. При интерференции нескольких волн растяжения, образовавшихся в результате отражения волны сжатия от разных свободных поверхностей, в металле образуются зоны с повышенными растягивающими напряжениями, что также может привести к его разрушению. Это явление носит название углового разрушения.

 

Откол и угловое разрушение — наиболее часто встречающиеся виды разрушения при взрыве. Эти явления используют для резки металлов взрывом. Давление, возникающее в ударной волне, быстро снижается» по мере удаления ее от заряда. При этом значение давления в воздухе или в воде пропорционально корню кубическому от веса заряда.

 

Максимальное давление в ударной волне, возникающей в заготовке, зависит от характера падения и формы фронта возбуждающей ударной волны (в дистанционных операциях) или фронта детонации (в контактных операциях).

 

Наибольшие давления возникают, когда фронт падающей волны параллелен поверхности заготовки и движется нормально к ней . В контактных операциях чаще всего встречается другой случай, когда фронт детонации перпендикулярен контактной поверхности и распространяется касательно к ней. Здесь фронт ударной волны изменяет свое направление и движется под углом к поверхности.

 

Величина угла зависит от соотношения скорости детонации и скорости ¦распространения ударной волны и колеблется для металлов при скоростях детонации обычно применяемых в. в. в пределах 30-40°. В результате наклона фронта ударной волны давление при касательном падении фронта детонации снижается примерно вдвое по сравнению с давлением при нормальном падении.

 

Эффективность действия ударной волны зависит не только от величины давления, но и от времени приложения этого давления и характеризуется импульсным дав: лением.

Перераспределение напряжений при импульсных нагрузках происходит так быстро, что многие процессы не успевают развиться. Поэтому всякое изменение величины импульса может резко повлиять на результаты  взрывной операции.

 

Давление в продуктах взрыва быстро снижается из-за их расширения и сохраняется лишь в зоне, ограниченной фронтом детонации и фронтом волны разрежения (рис. 149). Максимальное давление под центром заряда поддерживается дольше, чем в остальных точках контакта. При применении взрыва для деформации металлов следует обращать внимание на опасность разрушения деформируемого металла под действием ударных волн.

 

Уровень давлений ударной волны обычно значительно превосходит прочность деформируемого материала, что и может вызвать его разрушение. Вероятность разрушения связана не с самой ударной волной сжатия, а с процессом отражения волн от свободных поверхностей обрабатываемых изделий, так как в результате этого возникают растягивающие напряжения.

 

Ниже рассмотрены три наиболее распространенных вида деформации металлов энергией взрыва: штамповка, упрочнение й сварка металлов взрывом.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.