Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ОТ РЕДАКТОРА
Многие вопросы, касающиеся возбуждения и развития взрыва при механических воздействиях, несмотря на большое число работ по этой тематике, остаются неразрешенными. Соответственно этому не решены вопросы чувствительности и флегматизации в теории взрывчатых веществ.
Возбуждение и развитие взрыва при воздействии ударом рассматривались в книгах Ф. Боудена и А. Иоффе, вышедших более десяти лет назад. При этом центром внимания были главным образом жидкие ВВ. Обсуждение же вопросов чувствительности, проводившееся в монографиях и учебниках по физике взрыва и теории ВВ, хотя и содержит много полезных качественных сведений, не соответствует современным представлениям.
Предлагаемая читателю книга Г. Т. Афанасьева и В. К. Боболева, восполняя пробел в специальной литературе, выгодно отличается от предшествующих работ количественной направленностью исследования. В ней для твердых ВВ дастся обобщение материала, накопленного по проблеме чувствительности и механизму возбуждения взрыва при механических воздействиях. Основное содержание книги составляют результаты оригинальных исследований авторов. В итоге этих исследований существенное развитие получила тепловая теория инициирования ВВ при механических воздействиях, разрабатывавшаяся в исследованиях Ю. Б. Харитона, А. Ф. Беляева, В. А. Сухих, Н. А. Холево, Ф. Боудена и Л. Г. Болховитинова.
Авторами показано, что условия деформации ВВ в тонких слоях являются наиболее распространенными для возбуждения взрыва вторичных ВВ. Найдено доказательство тому, что возбуждение взрыва твердых ВВ в
условиях механических воздействий неразрывно связано с неоднородным разогревом. Предложен новый механизм образования локальных разогрсвов при сдвиге — механизм, который может иметь широкое значение для механики неизотермических деформаций вообще. Этот механизм позволил обосновать положение о деформации заряда в целом как необходимом факторе возбуждения взрыва при механических воздействиях.
Авторами в общем виде сформулирована задача возбуждения взрыва твердых ВВ при механических воздействиях и дано объяснение экспериментальным результатам, полученным разными исследователями в разнообразных условиях деформации.
Третья глава книги содержит начала количественной теории чувствительности твердых ВВ к механическим воздействиям. В результате анализа процесса развития взрыва от начального очага предложена классификация механических воздействий. Разбор ряда общих модельных задач позволил авторам вывести с некоторыми предположениями количественную оценку чувствительности ВВ при воздействии по открытому объему, рассмотреть зависимость чувствительности от параметров состояния ВВ и указать на возможные пути флегматизации.
Совокупность представлений, развитых в монографии, является первым систематическим подходом к вопросам, связанным с чувствительностью ВВ. Хотя в ней речь идет только о твердых ВВ, изложенные принципы подхода могут оказаться существенными (явиться как бы программой действий) и при разработке теории чувствительности других взрывчатых систем (жидкие ВВ, балли- ститные пороха, смесевые твердые ракетные топлива, пиротехнические смеси). Плодотворными в этом смысле могут оказаться понятие опорного ряда, принцип «минимальности воздействия» и некоторые другие.
К. И. Щелкин\
ВВЕДЕНИЕ
О проблеме чувствительности ВВк механическим воздействиям
Из ранней практики обращения с ВВ было известно, что механическое воздействие, например удар по заряду ВВ, может вызвать взрыв. Способность В В взрываться при механических воздействиях назвали чувствительностью ВВ к механическим воздействиям.
Определение чувствительности ВВ к механическим воздействиям не содержит в себе понятия о различии взрывчатых веществ по чувствительности. На различие указывает практика производства, обращения и применения, так как одни ВВ, с точки зрения механических воздействий, очень опасны в производстве и обращении, а другие требуют минимальных мер предосторожности. Если ВВ различаются по чувствительности, то естественно считать, что каждому ВВ отвечает определенная чувствительность. Первоначальный подход к вопросу чувствительности В В (Г. Каст, Ф. Ленце) и был связан с мнением, что каждому взрывчатому веществу присуще такое свойство, как определенная чувствительность к механическим воздействиям.
Вообще говоря, определенная чувствительность конкретного ВВ, представленная количественно, должна служить мерой опасности этого ВВ по отношению к механическим воздействиям, с одной стороны, и мерой безотказного инициирования этого ВВ механическим воздействием, с другой стороны. Оценив количественно чувствительность разных ВВ, можно было бы построить ряд чувствительности взрывчатых веществ. При этом возникают два вопроса: как количественно оценить чувствительность и как эту оценку проверить?
55Что касается проверки, то в отношении широко распространенных ВВ имеются -сведения об их чувствитель-
5
5
Ядк. 5357
пости, накопленные в течение многих десятилетий практикой производства и применения ВВ. Кроме более чем очевидного представления о том, что инициирующие ВВ чувствительнее, чем вторичные, для некоторых ВВ имеется уверенность относительно расположения их в ряду чувствительности. Так, чувствительность возрастает в направлении: тротил, тетрил, гексоген, тэн, тетразен, ТНРС, азид свинца, гремучая ртуть. Данный ряд должен служить в качестве опорного, когда требуется проверить применимость того или иного способа оценки чувствительности. Поскольку опорный ряд охватывает весьма узкий круг ВВ то совпадение ряда, получаемого с помощью оценки, и опорного является необходимым, но еще не достаточным условием правильности какого-либо метода оценки чувствительности. Иными словами, расхождение получаемого ряда с опорным всегда свидетельствует о неправильности или неполноте оценки, а совпадение рядов имеет доказательность, аналогичную по силе методу неполной индукции.
В подобной ситуации, когда средства проверки ограничены, теоретическое обоснование опенки приобретает решающее значение. Однако трудности, с которыми сопряжено создание количественной оценки чувствительности. оказались довольно серьезными и до сих пор их не удалось преодолеть. Так, во-первых, неясно, какой физической величиной можно характеризовать чувствительность ВВ; во всяком случае, это нс следует из понятия чувствительности В В к механическим воздействиям. Во-вторых, определенная чувствительность, постулируемая как свойство ВВ, должна выражаться через другие
химической связи, по всей вероятности, не единственно определяющей чувствительность, ряд ВВ по энергиям активации не совпадает с опорным. Такая же судьба, как сообщается в книге [1], постигла попытки поставить чувствительность ВВ в соответствие схимической связи, по всей вероятности, не единственно определяющей чувствительность, ряд ВВ по энергиям активации не совпадает с опорным. Такая же судьба, как сообщается в книге [1], постигла попытки поставить чувствительность ВВ в соответствие стак кактак каксвойства ВВ и, по-видимому, должна зависеть от некоторых параметров состояния, например температуры. Связь чувствительности с определяющими ее свойствами ВВ, будучи найдена, могла бы явиться основой для разработки теории флегматпзации, теории связи чувствительности с химическим строением и т. п. Следует считать очевидным, что чувствительность тем выше, чем меньше прочность химической связи. Однако прочность _„ ,,^ является
химической связи, по всей вероятности, не единственно определяющей чувствительность, ряд ВВ по энергиям активации не совпадает с опорным. Такая же судьба, как сообщается в книге [1], постигла попытки поставить чувствительность ВВ в соответствие с
химической связи, по всей вероятности, не единственно определяющей чувствительность, ряд ВВ по энергиям активации не совпадает с опорным. Такая же судьба, как сообщается в книге [1], постигла попытки поставить чувствительность ВВ в соответствие с
так как
так как
теплотой образования или теплотой разложения ВВ. Можно полагать, что и механические свойства В В играют какую-то роль, поскольку речь идет о механическом воздействии. Вообще же говоря, неполностью известно, с какими свойствами связано различие взрывчатых соединений по чувствительности, и тем более неясна форма искомой связи.
Само собой разумеется, что при знании количественного критерия чувствительности и выражения его через свойства ВВ, определяющие чувствительность, метод определения чувствительности сводился бы к наиболее простому (с точки зрения экспериментального оформления) способу измерения физической величины, характеризующей чувствительность, либо к вычислению ее из данных по свойствам ВВ и параметрам состояния.
Может быть по причине указанных выше трудностей в истории подхода к проблеме оценки чувствительности получило широкое распространение как бы «обратное» направление, а именно: были предприняты многочисленные попытки найти экспериментальный метод сопоставления ВВ по чувствительности, который бы удовлетворял практику. Такой лабораторный метод должен был позволять легко находить место любого ВВ в ряду чувствительности (тем самым опорный ряд мог бы быть как угодно расширен) и исследовать влияние различных факторов на чувствительность (тем самым можно было бы обнаружить связь чувствительности с определяющими ее свойствами В В и параметрами состояния). Подобные результаты открывали бы перспективы для нахождения количественной меры чувствительности.
Для сравнения В В по чувствительности были созданы различные аппараты, как правило, ударного типа (копры). Многочисленные методы копровых испытаний отличаются главным образом условиями соударения (геометрия и размеры взаимодействующих элементов, способ приложения нагрузки и пр.). Некоторые типы испытательных устройств приведены на рис. 1. Оказалось, что разные методы приводят к различным рядам чувствительности. Более того, несмотря на обилие предлагавшихся методов, ни один из рядов, получаемых на них, не совпадает с опорным. Таким образом, ни один из предлагавшихся методов, вообще говоря, нс удовлетворяет целям сопоставления ВВ по чувствительности.
Рис. 1. Некоторые схемы испытаний В В на чувствительность:
а — № 1 (Каст); б — № 2 (Холево); в — № 3 (Холево); г — ГОСТ (вторичные); д — Боуден — Козлов; е — Велер (инициирующие)
Поскольку речь шла о создании такого метода, который при постоянстве геометрии и размеров был бы единым для сопоставления чувствительности разных ВВ, то результат поисков такого метода может быть выражен следующим образом: либо такой метод не смогли найти (скажем, по причине того, что он более сложен, чем предлагавшиеся), либо его вообще нс может быть. Последняя возможность не лишена оснований. Действительно, представление о большей или меньшей чувствительности ВВ, входящих в опорный ряд, сложилось в результате огромного практического опыта, при котором то или иное ВВ подвергалось самым разнообразным механическим воздействиям. Поэтому может оказаться, что и метод сопоставления ВВ по чувствительности должен включать сумму разных испытаний. Такие методы получили название комплексных.
Необходимо заметить, что при незнании количественного критерия чувствительности и при столь сложной картине поведения ВВ в разных условиях задача обоснования метода оказывается в тяжелом, если не безнадежном положении, будь то один испытательный прибор или комплекс разных приборов. Поэтому неудивительно, что вопросы, стоящие перед комплексным методом (каким наименьшим количеством приборов ограничить комплекс, какие приборы включить в комплекс, как судить о
чувствительности ВВ, если испытания на разных приборах дают различные результаты и т. д.), остались фактически без ответа.
Обратим внимание па те аспекты проблемы чувствительности ВВ к механическим воздействиям, которые возникли вследствие результатов опытов, проведенных в разных устройствах.
Ввиду сильной зависимости получаемых результатов от вида испытательного устройства широкое распространение получило мнение об избирательной чувствительности ВВ к разным видам механического воздействия. Испытания в устройствах типа а, б и г (см. рис. 1) стали называть испытаниями на чувствительность к удару (в подобных устройствах многие вторичные ВВ выглядят «чувствительнее», чем такие инициирующие, как азид свинца и гремучая ртуть), испытания в устройствах типа д — к трению (инициирующие выглядят чувствительнее вторичных, однако ряд инициирующих не совпадает с опорным рядом) и типа е — к наколу (при малых энергиях удара взрываются инициирующие, совпадения с опорным рядом нет, вторичные испытывают разложение под бойком при больших энергиях удара).
«Накол» может рассматриваться как один из случаев испытаний па удар при малой площади ударника. Испытание же на трение в некоторых работах называют испытанием на быстрый сдвиг. Это говорит о том, что принятые названия (удар, трение, накол), имеющие весьма давнее происхождение, в известной степени условны. По-видимому, столь же условна и спорна попытка подразделить чувствительность ВВ к механическим воздействиям на разные виды чувствительности. Например, попытка выделить чувствительность ВВ к удару приводит к тем же трудностям, что и раньше: зависимость результатов испытаний от условий воздействия, вопросы оценки чувствительности ВВ к удару, вопросы комплексного метода испытаний. Разделение чувствительности ВВ к механическим воздействиям было бы, по-видимому, целесообразным, если бы в основе его лежало различие в механизме возбуждения взрыва, т. е. причина, подобная той, по которой от чувствительности ВВ к механическим воздействиям отличают чувствительность ВВ к тепловым воздействиям и чувствительность ВВ к ударной волне. В работах Холево [2, 3], из которых во многом основы-
ваются современные взгляды, различие результатов испытаний в разных устройствах объясняется как проявление одного и того же механизма в разных условиях деформации и дается критика предположения об «избирательной» чувствительности ВВ «к удару» и «к трению».
Исследования, в которых вопросы влияния условий механического воздействия на результаты испытаний стояли в центре внимания, привели к весьма существенным выводам. В первую очередь здесь имеются в виду работы Холево [2, 3], вслед за ними работы Андреева [4—6] в СССР, работа Кистяковского и Коннора [7] в США и работа Кенена, Иде и Хаупта [8] в ФРГ.
Вот один из этих выводов: «...оценка чувствительности ВВ безотносительно к условиям воздействия лишена практического смысла» (Андреев и Теребилина [6]). Таким образом, для оценки опасности конкретных производственных операций или оценки безотказности инициирования наиболее удовлетворительным, с точки зрения строгости, было бы производить натурные испытания или как-то моделировать реальные условия. Нс вдаваясь в задачу натурных испытаний, заметим только, что испытание на накол было задумано как имитация удара бойка по капсюлю. Что же касается задачи моделирования, то она, видимо, нс может быть решена без количественного описания механизма возбуждения взрыва.
А как же быть с таким свойством ВВ, как определенная чувствительность к механическим воздействиям? Интересно привести по этому поводу вывод Кистяковского и Коннора, к которому они пришли в итоге попыток экспериментально определить чувствительность: «В результате исследований, однако, было установлено,— и это является открытием значительной практической важности — что нельзя найти такой характеристики, как определенная механическая чувствительность взрывчатого вещества. Действительно, изменяя условия испытания, можно изменить даже порядок механических чувствительностей ВВ». Андреев указывал [5], что этот вывод по существу аналогичен тем, к которым пришел Холево.
Сильная зависимость результатов испытаний от условий воздействия явилась тем обстоятельством, из-за которого проблема чувствительности ВВ к механическим воздействиям оказалась в двойственном положении
С одной стороны, сведения, накопленные практикой, свидетельствуют о различии ВВ по чувствительности и приводят к представлению об определенной чувствительности как свойстве взрывчатого вещества. Поскольку неясно, какой физической величиной можно характеризовать чувствительность, то это представление имеет в известной степени интуитивный смысл. С другой стороны, многочисленные эксперименты, поставленные при самых различных условиях механических воздействий, нс только не удовлетворяют опорному ряду (пи в одном из случаев), по и вообще не выявляют единого ряда чувствительности (ряды в разных условиях получаются разные/. Отсюда следует, что нельзя говорить о чувствительности ВВ вне зависимости от условий воздействия, или, иными словами, такого свойства ВВ, как определенная механическая чувствительность, не существует.
Данное противоречие касается принципиальной стороны проблемы и является главной особенностью ее современного состояния. Для того чтобы разрешить это противоречие и затем либо для оценки определенной чувствительности и выяснения причин различия ВВ по чувствительности, либо для оценки чувствительности в тех или иных условиях, очевидно, необходимо изучение природы чувствительности ВВ, т. е. механизма возбуждения и развития взрыва в условиях механических воздействий. Перед тем как перейти к обсуждению современного состояния исследований по механизму, заметим, что проведенный анализ проблемы чувствительности ВВ к механическим воздействиям в известной степени формален, так как он основывается на представлении об опорном ряде и не затрагивает сведений о механизме процесса. На важность подобного анализа, способствующего уяснению того, что же в конце концов потребуется от исследования явления, было указано одному из авторов проф. К. К- Андреевым.
О механизме возбуждения взрыва ударом
Первые факты, которые для своего объяснения потребовали изучения механизма возбуждения взрыва механическим воздействием, а также важные качественные сведения по самому механизму были получены при разработке методов испытания В В на чувствительность.
Выше уже говорилось о различии методов и о том, что в большинстве из них используется воздействие ударом. При этом определяется энергия падающего груза (энергия удара), вызывающая взрыв заряда В В.
В результате экспериментов, проведенных разными исследователями, были получены следующие факты:
При одной и той же энергии удара взрыв возбуждается не в каждом опыте, а существует вероятность инициирования взрыва, поэтому в дальнейшем определяли зависимость этой вероятности (частости взрывов) от энергии удара (копер Каста, копер Вёлера), давления прижатия (копер Боудена — Козлова) и других факторов.
В большинстве случаев энергия удара, которая вызывает взрыв, недостаточна для нагрева всего заряда до температур вспышки.
Отсутствует параллелизм между расположением ВВ по чувствительности к удару на копре со стандартными температурами вспышки.
Расположение ВВ в ряду чувствительности различное для разных приборов.
Были выдвинуты две основные точки зрения па механизм процесса возбуждения взрыва при ударе: нетепловая и тепловая. Нетепловая (отталкивающаяся в основном от второго и третьего из перечисленных фактов) допускает, что химическое превращение при ударе начинается вследствие деформации молекул (Г. Каст, Г. Брунсвиг, П. Юстров, Д. Эггерт, В. Тейлор и А. Уиль, А. Убеллоде и др.). Имеются две разновидности такого подхода: гипотеза критических напряжений (предполагается, что возбуждение взрыва происходит при достижении критических напряжений всестороннего сжатия, приводящих молекулы ВВ в неустойчивое состояние) и трибохимическая гипотеза (предполагается, что причиной взрыва является непосредственное разрушение химической связи в молекулах ВВ за счет сдвиговых напряжений) .
Изучение действия высоких давлений на термический распад ряда ВВ показало, что даже такое высокое давление, как 45 кбар, в общем слабо влияет на скорость распада [9—И]. Кроме того, Бриджмен [12], проводя прямые опыты по статическому нагружению ВВ до 100 кбар, не получил взрыва испытанных им ВВ, тогда
как эти ВВ могут быть взорваны при ударе, где давления значительно ниже. В отношении трибохимической гипотезы следует заметить, что при деформации, например органических ВВ (молекулярные кристаллы), невозможно осуществить непосредственное разрушение молекул, так как энергия внутримолекулярных связей намного выше, чем межмолекулярных. Уже эти доводы указывают на физическую несостоятельность нетепловых гипотез.
Согласно тепловой теории, механическое воздействие, например удар по заряду ВВ, вызывает разогрев ВВ, который и приводит к быстрой химической реакции. Тепловая теория, берущая свое начало от Бертло, развита в работах Ю. Б. Харитона, А. Ф. Беляева, Ф. Боудена, Н. А. Холево, В. А. Сухих и Л. Г. Болховитинова. Как же объясняет перечисленные факты тепловая теория?
Поскольку энергия удара, которая вызывает взрыв в большинстве случаев, недостаточна для разогрева заряда хотя бы до стандартных температур вспышки, то ясно, что адиабатическое сжатие собственно ВВ нс приводит к возбуждению взрыва (малость подъема температуры за счет адиабатического сжатия до характерных для удара давлений подтверждается приближенными оценками [13]). Отсюда возникло предположение о локальности разогрева в заряде при ударе. Впервые оно было высказано в работе Харитона [13]. Принципиальная возможность локального инициирования была доказана в опытах Беляева [14] с проволочками микронного масштаба, по которым пропускался разряд тока. Каковы же пределы локальности?
По утверждению Гарнера [15] и Мюраура [16], для того чтобы вызвать самораспространяющееся взрывчатое превращение, достаточно «одновременного» (в течение 10-13 сек.) распада двух — трех соседних молекул (для азида свинца, например, двух соседних групп N6). Облучая разные ВВ (в том числе и азид свинца) быстрыми частицами, Боуден и Сингх [11] показали, что возбуждение самораспространяющегося процесса может носить только макроскопический характер. (Заметим кстати, что Боуден подверг критике трибохимическую гипотезу, как не удовлетворяющую требованию макроско- пичности процесса [18].)
Остановимся на причинах локальности разогрева. Сначала обратимся к жидким ВВ. Известно, что взрыв заряда легко возбуждается, если во взрывчатом веществе присутствуют газовые включения. Это явление широко обследовано Боуденом с сотр. [19]. Считается, что в этом случае за взрыв ответствен разогрев при адиабатическом сжатии газовых включений. По мнению Боудена, «работать» могут даже мельчайшие (невидимые глазом) газовые 'включения. Однако простое сопоставление времени тепловой релаксации газового пузыря и характерного времени удара показывает, что сжатие газовых включений размером менее 0,1 мм должно быть практически изотермическим [20]. В отсутствие газовых включений возбудить взрыв жидких В В гораздо труднее: требуются довольно большие энергии удара. Обычно считают, что в этом случае взрыв возбуждается за счет вязкостного разогрева. В работе Болховитинова [20] был предложен механизм разогрева, согласно которому к возбуждению взрыва может приводить выделение тепла при кристаллизации переохлажденной жидкости под высоким давлением. Если, однако, ориентироваться на известные из литературы теплоты плавления (кристаллизации), то соответствующий им разогрев составляет примерно 60° С, и вряд ли можно ожидать, что теплота плавления под давлением возрастает на порядок. Во многих случаях очень важным для объяснения взрыва жидких ВВ может оказаться кавитационный механизм инициирования: к взрыву приводит схлопывание кавитационных полостей, образовавшихся под действием растягивающих напряжений [21]. В работе [22] отмечается существенная роль для процесса инициирования микроструй жидкости, которые могут появляться при схлопывании кавитационных полостей и быстром сжатии газовых включении.
Перейдем к твердым ВВ (в дальнейшем, если не оговорено особо, будут рассматриваться только твердые ВВ) и обсудим причины образования в них локальных разогревов. Если в заряде имеются газовые включения, то их адиабатическое сжатие может приводить к высокой температуре. В качестве другой причины Харитон [13] указал на неоднородность неупругой деформации. При этом он обратил особое внимание на неоднородность деформации в силу неоднородности исходной
системы (трение частиц между собой, пластическая деформация отдельных частиц, их разрушение). К такому же заключению пришли Кистяковский и Коннор [7]. Кроме того, причиной локальности разогрева может служить неоднородность неупругой деформации заряда как целого.
Из этих трех мыслимых причин локальных разогре- вов выбрать действительную причину позволяют опыты Холево [2, 3] в приборах № 1, 2 и 3 (см. рис. 1). В приборе № 2 заряд ВВ может деформироваться в свободное окружающее пространство, поэтому его еще называют прибором со свободным истечением вещества. В приборе № 1 ВВ может выдавливаться в зазор между роликами и муфтой. В приборе № 3 выдавливание в зазор исключается кольцом из мягкого металла, он представляет собой прибор № 1 с нулевым зазором. Опыты, проводившиеся в основном с штатными ВВ в насыпном дисперсном состоянии, показали следующее:
испытанные ВВ не взрываются в приборе № 3 и приборе № 1, если зазор достаточно мал, даже при больших энергиях удара;
взрываются в приборе № 2 и приборе № 1, если зазор не слишком мал; причем при одной и той же энергии удара одни ВВ в условиях свободного истечения (прибор № 2) дают большую частость взрывов, чем в условиях затрудненного истечения (прибор № 1), а другие наоборот.
Из этих простых и легко воспроизводимых экспериментов вытекают следующие важнейшие выводы:
сжатие газовых включений при ударе не приводит к возбуждению взрыва;
неоднородные неупругие процессы, связанные с деформацией и разрушением отдельных зерен, а также трением их друг о друга, не приводят к возбуждению взрыва;
неупругая деформация (течение, по Холево) заряда ВВ в целом служит необходимым фактором возбуждения взрыва;
высокие напряжения, создаваемые в заряде при ударе, сами по себе (в отсутствие течения) не приводят к возбуждению взрыва;
па возбуждение взрыва существенно влияют условия деформации.
Три последних вывода подробно обсуждаются в работах Холево и используются, в частности, для критики гипотезы критических напряжений, для объяснения явления перестановок В В в рядах «чувствительности», полученных в разных условиях воздействий и т. д. Локальные разогревы, согласно Холево, образуются при быстрой неупругой деформации, режим которой зависит от условий деформации, физико-механических свойств ВВ и скорости деформации.
Что касается вероятностного характера испытаний, то до сих пор не предложено ни одного вероятностного механизма возбуждения взрыва, и ввиду сильной зависимости результатов испытаний от условий воздействия можно считать, что он вызывается неоднообразием условий опыта. Действительно, при более тщательной фиксации условий опыта кривая частости сужается.
В дополнение к сказанному укажем на квазистатиче- ский характер процесса при ударе, отмеченный еще Харитоном [13]. Статичность процесса, в частности, отличает чувствительность В В к механическим воздействиям от чувствительности ВВ к ударной волне.
Таким образом, явление возбуждения взрыва при механических воздействиях в общих чертах качественно разобрано (тепловая природа, микроскопичность, статичность, быстрая химическая реакция возбуждается за счет разогрева при неупругой деформации заряда в целом). Ясно, что данное явление следует рассматривать с помощью методов механики неупругой сплошной среды и теории теплопроводности, т. е. требуется совместно исследовать уравнения деформации и уравнение теплопроводности с источниками тепла (механическими и химическими) .
Ввиду очевидных сложностей, возникающих при этом (даже для простейшей модели среды и простейших условий деформации), задачу обычно разбивают на два этапа, пользуясь тем обстоятельством, что скорость химической реакции экспоненциально зависит от температуры и заметно сказывается лишь при высоких температурах. На первом из них происходит разогрев ВВ до критических температур при деформации за счет диссипации энергии внешнего воздействия, а на втором — тепловое самовоспламенение в зоне разогрева; критическая температура служит границей между первым, чисто
механическим этапом и вторым, взрывным этапом, связанным только с ускорением химической реакции.
Критическая температура для разных ВВ и зависимость ее от различных факторов находится методами теории теплового взрыва (эти вопросы будут разбираться в I гл., § 1 и 4). Здесь отметим только, что после работ Риделя и Робертсона [23] и Боудена [19] считают, что критические температуры и размеры локальных разогре- вов (очагов) для наиболее распространенных ВВ соответственно составляют 400—-600° С и 10^—10™5 см* Из-за малости размеров локальных разогревов по сравнению с размерами испытывавшихся зарядов их часто называют «горячими точками».
Перейдем к первому этапу. Теоретический анализ процесса механического разогрева в определенных условиях деформации сводится к решению нестационарных неизотермических уравнений деформации. Теория неизотермических деформаций находится в настоящее время па начальной стадии развития и пока еще далека от конкретных приложений [24—26]. Поэтому для исследования процесса механического разогрева особую важность приобретает экспериментальный путь.
Сухих и Харитон [27], проводя опыты с большими зарядами литого тротила при ударе, обнаружили, что ВВ плавится на плоскостях скольжения, по которым действуют максимальные касательные напряжения и происходят интенсивная пластическая деформация и разрушение. Они пришли к выводу, что плавление является мощным регулятором процесса разогрева, ограничивающим рост температуры. Ранее при изучении трения металлов Боуденом с сотр. [28] было показано, что максимальная температура при трении ограничена температурой плавления наиболее легкоплавкого металла фрикционной пары. Возникновение разогревов на плоскостях скольжения в опытах Сухих и Харитона еще раз свидетельствует о том, что определяющей при возбуждении взрыва является деформация заряда в целом, несмотря на малость критических размеров «горячих точек». Положение о плавлении как границе разогрева также, было высказано Боуденом [19] и подтверждено в опытах с добавками. При этом наименьшие температуры плавления добавок, дающих сильный сенсибилизирующий эффект, были истолкованы как критические температуры
очагов разогрева. Несколько отличаясь для разных ВВ, они лежат в интервале 400—600° С. Эти опыты дают представление о механизме сенсибилизирующего действия добавок, имеющих высокую температуру плавления. Возбуждение взрыва в этом случае, по Боудену, связано с разогревом инертных частиц при трении их друг с другом или с твердыми поверхностями соударяющихся тел.
Если ВВ имеет температуру плавления, близкую к критической температуре (или выше), то, согласно Боудену, эффективные очаги разогрева могут возникать при трении частиц ВВ. Иллюстрацией этому послужил ряд инициирующих ВВ, которые вспыхивают при нагревании до наступления плавления. Испытывая ВВ по схеме типа д (см. рис. 1), Боуден показал, что возбуждение взрыва инициирующих ВВ происходит при небольших давлениях прижатия, в то время как вызвать взрыв вторичных ВВ в этих условиях ему не удалось.
У большинства вторичных В В температура плавления лежит много ниже их стандартных температур вспышки. Это вызвало затруднение в объяснении их разогрева до критических температур н обратило внимание на другие механизмы, не связанные с положением о плавлении как границе разогрева или опровергающие данное положение. Боуден, которому были неизвестны работы Холево, пришел к выводу, что возбуждение взрыва вторичных ВВ при ударе происходит за счет адиабатического сжатия газовых включений [19]. В качестве одного из доводов в пользу своей точки зрения он указал, что вторичные ВВ в отличие от воздействия ударом не взрываются при быстром сдвиге (рис. 1, д) даже при значительных давлениях прижатия, т. е. тогда, когда газовые включения, если и сохранились, то уже предварительно сжаты.
Холево предложил следующее объяснение процессу разогрева при ударе: в начальной стадии удара из-за деформации отдельных частиц и трения их друг о друга происходит подплавление границ зерен ВВ, образуется двухфазная система, деформация которой в целом приводит к высокотемпературным разогревам в жидких прослойках; образующаяся система при этом уподоблялась вязко-пластическому телу. Для характеристики ее механических свойств применялось понятие текучести, однако в ряде случаев из соображений простоты качественные выводы иллюстрировались моделью вязкой жидкости
При таком подходе одним из параметров, определяющих температуру разогрева, является скорость деформации, роль давления сводится к тому, чтобы в конкретных условиях воздействия и при определенной текучести системы обеспечить достаточные скорости деформации.
В. С. Козловым положение о плавлении как границе разогрева отрицается на том основании, что температура плавления существенно возрастает с ростом давления. Поэтому при достаточном высоком давлении можно получить эффективные разогревы при неупругой деформации в твердой фазе. Действительно, проводя опыты по схеме типа 6 (см. рис. 1) и намного увеличив давления прижатия по сравнению с теми, которые задавались в опытах Боудена, Козлов получил взрывы всех испытанных им ВВ [36]. В качестве процесса пеупругой деформации, ответственного за разогрев, Козлов указал па внешнее (сухое) трение между зарядом ВВ и твердыми поверхностями, ограничивающими заряд, считая, что трение между частицами ВВ в сжатом заряде малоэффективно. Для такого процесса скорость сдвига весьма существенна, так как зависящая от нее скорость тепловыделения в плоскости трения конкурирует со скоростью теплоотвода.
Надо сказать, что изложенные подходы содействовали не только многостороннему обсуждению возможного влияния тех или иных факторов на разогрев, но и получению обширного и разнообразного экспериментального материала. Положение о плавлении в течение долгого времени оставалось в стороне от разбираемых вопросов, пока, наконец, оно не получило обобщения с учетом роли давления в работах Болховитинова [29—31]. Согласно " этому обобщению, температура плавления остается границей разогрева, но эта граница зависит от давления. Таким образом, образование эффективного разогрева при неупругой деформации возможно лишь в объеме, подвергнутом всестороннему сжатию; при этом величина необходимого давления определяется тем, что температура плавления должна быть по крайней мере равной критической температуре горячей точки.
Следует заметить, что необходимость приложения высоких давлений для возбуждения взрыва в упомянутых опытах Козлова, опровергающая положение о нормальной температуре плавления как границе разогрева, те-
перь может быть сама объяснена обобщенным положением о плавлении. Используя в качестве зависимости температуры плавления от давления уравнение Клаи- перона — Клаузиуса, Болховитинов [31] впервые предпринял попытку математически сформулировать критические условия образования эффективного локального разогрева; при этом использовалась модель идеально- пластического тела и были сделаны упрощающие предположения относительно характера теплоотвода, постоянства мощности пластической деформации и критических условий самовоспламенения в очаге. Влияние скорости воздействия на возбуждение взрыва существенно и учитывается условием критической мощности пластической деформации.
С целью приближенного подтверждения положения о плавлении с учетом давления Болховитиновым применялась линейная 'Связь температуры плавления Тпл с давлением:
Тпл (Р) = Тпл +Р, (1) где а = 0,02 град/атм (такая величина а получена усреднением результатов Бриджмена [32], изучавшего изменение температуры плавления с давлением для многих органических веществ).
Согласно обобщенному положению о плавлении как границе механического разогрева твердых ВВ и зависимости (1), давление, необходимое для возбуждения взрыва, должно быть пропорциональным разности между критической температурой и температурой плавления в нормальных условиях. Уподобляя для простоты величину критической температуры температуре вспышки при 5-секундной задержке ТВСп и сопоставляя величину разности (Твсп — Тпл) с развивающимися при ударе давлениями, Болховитинов [30] на основе результатов Лейт- мана [33] получил ожидаемый параллелизм. Не приводя пока критических замечаний к работе [30], заметим, что уже такая величина, как давление, необходимое для возбуждения взрыва по обобщенному положению о плавлении, оказывается может иметь параллелизм (по-видимо- му, в грубом приближении) с разностью температур вспышки и плавления, но никак не с самой температурой вспышки. (Попытки непосредственно сопоставить чувствительность ВВ к удару с их тепловой чувствительностью,
например с температурами зажигания, встречаются вплоть до настоящего времени [34, 35].)
Таким образом, тепловая теория инициирования ВВ при механических воздействиях смогла объяснить полученные факты, и она, несмотря на различие точек зрения разных исследователей по отдельным вопросам, может считаться общепризнанной в современной литературе. (Исключение, пожалуй, может относиться только к сверхчувствительным ВВ, вроде йодистого азота, природа чувствительности которых остается неясной [1, 19, 36]).
Следует все же заметить, что многие основные положения, на которые в настоящее время опирается объяснение возбуждения взрыва при механических воздействиях, приняты по результатам эксперимента и не имеют или имеют недостаточное физическое обоснование. Это относится даже к такому положению, как локальность возбуждения взрыва: неясно, в частности, насколько обязательна локальность и может ли вообще осуществляться случай нелокального (однородного) разогрева при механическом воздействии. Неизвестно, почему недейственен механизм сжатия газовых включений для твердых ВВ. Что касается механизма разогрева ВВ при неупругой деформации, то, несмотря на большое количество работ, посвященных возбуждению взрыва в различных условиях деформации, механический режим деформации даже в каких-либо частных условиях остался не изучен, и подавляющую часть экспериментального материала составляют результаты в виде частостей взрыва и зависимостей ее от тех или иных факторов. Имеющиеся в литературе соображения о механизме разогрева, модели среды, отвечающей твердым ВВ, и режиме деформации во многом исходят из следствия процесса (частости взрыва) и носят предположительный характер. Единого подхода к этим вопросам нет. Достаточно перечислить модели сред, предлагавшиеся или применявшиеся для твердых ВВ в разных работах: ньютоновская жидкость |2, 37, 38], вязко-пластическое тело [2], идеально-пластическое тело [31, 39], тела, состоящие из упругих и вязких элементов, и др.
Отсутствие конкретных сведений о процессе деформации затрудняет даже сравнительное обсуждение предлагавшихся в литературе механизмов разогрева. Поэтому во введении указаны лишь наиболее известные из них без критического анализа.
В настоящей работе рассматривается механизм возбуждения взрыва твердых ВВ при механических воздействиях на примере главным образом воздействия ударом и предпринимается попытка количественного подхода к задачам чувствительности для твердых ВВ. Положение о плавлении как границе разогрева с учетом роли давления, как мы видели выше, открывает возможности для количественного описания процесса, поэтому оно не только положено в основу настоящей работы, но и систематически проверяется в ней.
В первой главе на основе результатов экспериментальных измерений находятся критические условия возбуждения взрыва (критические условия деформации) в приборе № 2.
Во второй главе проводится обсуждение характера деформации модельных пластических тел, в итоге которого выявляется новый механизм разогрева для твердых ВВ, хорошо согласующийся с экспериментальными результатами. Затем на основе предложенного механизма формулируется задача возбуждения взрыва твердых ВВ при механических воздействиях.
В третьей главе разбираются вопросы, поставленные в § 1 введения и рассматривается для твердых ВВ возможность количественного подхода к ним, в связи с чем предлагается классификация механических воздействий. Далее для одного из классов воздействий выводятся с некоторыми предположениями количественные оценки чувствительности.
В заключении кратко обсуждаются направления перспективных исследований по чувствительности В В к механическим воздействиям.
ГЛ ABA I
КРИТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯВОЗБУЖДЕНИЯ ВЗРЫВА ПРИ УДАРЕ
Очаговый тепловой взрыв
Для оценки критических температур разогрева необходимо рассмотреть вопрос о тепловом взрыве в условиях механических воздействий.
Решение задачи о тепловом воспламенении заключается в нахождении условий, при которых нарушается равновесие между теплоотводом из зоны химической реакции и теплопрпходом и последний начинает превышать теплоотвод, а также в установлении временных характеристик процесса [40—43].
Классической в теории теплового взрыва является задача о скорости химической реакции горючей смеси, если ее поместить в сосуд определенной формы и размера с заданной на стенках температурой. В отличие от классической задачи в нашем случае внутри заряда ВВ (основной массы ВВ) имеется локальный разогрев (горячий очаг) с неизвестным распределением температуры.
При описании процесса самовоспламенения «горячей точки» обычно исходят из следующей схемы [23, 3lr 44—50]. Пусть в бесконечно большой массе взрывчатого вещества в какой-то момент времени возник сферический очаг радиуса г, температура которого Ть Требуется найти критическое соотношение между г, Ть температурой окружающей очаг основной массы ВВ То, термохимическими и кинетическими константами, при котором произойдет тепловое самовоспламенение. Корректное решение такой задачи получено в работе [48]. Решение
QEzQEz£ eRT^£ eRT^10 5 (сек.).10 5 (сек.).(4)(4)
QEz
QEz
£ eRT^
£ eRT^
10 5 (сек.).
10 5 (сек.).
(4)
(4)
имеет следующий вид:
Е
E^Le RT^ ^ 12,1 Г In -£- (ТКР - Т^ “р (2)
ХСТ^L ^2кР-1
где Q — тепловой эффект реакции на единицу объема; Е— энергия активации; г—предэкспоиенциальный множитель; X— теплопроводность ВВ; R — газовая постоянная.
Для всех Т\>Ткр по прошествии некоторого периода индукции наступает взрыв, а для всех 7 ] < Ткр имеет место быстрый спад температуры в очаге разогрева. Существенно то, что период индукции самовоспламенения очага близок к адиабатическому периоду индукции, выражаемому формулой
cpRT
Тад - —- е ,QEz
где с и q — удельная теплоемкость и плотность ВВ (в дальнейшем будет приниматься, что они равны соответственно 0,3 кал!г«град и 1,6—1,8 г/см3),
Это обстоятельство позволяет производить прямые оценки критических температур разогрева. Так, при ударе период индукции не должен превышать по крайней мере времени удара туд, которое по порядку величины составляет, например, для копровых испытаний 10~3 сек., т. с.
2 Е
^7. ф ^ _ 10_3(3)
QEz
Приведенные выражения верны постольку, поскольку верно представлять разложение взрывчатых веществ реакций нулевого порядка. Вообще большинство ВВ разлагается автокаталитически [51] по уравнению
£ Ei
^L = (1 — tQ зе RT + П (1 —П)^
где T) — глубина разложения.
Первый член уравнения описывает мономолеку- лярную составляющую скорости реакции, второй — ав
токаталитическую, энергия активации и предэкспонент которой обозначены через Ev и zb При некоторой глубине разложения i]o мономолекулярная и автокаталитическая составляющие скорости реакции равны друг другу. Величина г|0 определяется как
£t — £
Ло= —е RT
и составляет для большинства ВВ величину порядка 10-1—10~2 (ввиду близости значений Е и Ех величина т]о слабо зависит от температуры). Значит при г]<т]о можно пренебречь автокатализом, а также влиянием выгорания и считать, что разложение идет по схеме реакции нулевого порядка.
Если теперь обратиться к адиабатическому периоду индукции, то подавляющую часть времени адиабатического самовоспламенения занимает саморазогрев на ве- рт2
личину -^- [48], что по глубине разложения составляет для интересующих ‘нас температур
Щ = —-Р~ 10":\QE
т. е. т)1<т)0- Таким образом, реакция нулевого порядка хорошо отображает рассматриваемый процесс.
В дальнейшем будет показано, что период индукции при инициировании взрыва ударом по порядку величины не более 10-5 сек., поэтому условие (3) может быть уточнено?
Если производить оценки критических температур разогрева при ударе по формуле (4) при знаке равенства, то расчет по известным в литературе кинетическим данным [52—54] дает для распространенных ВВ (тротил, тетрил, гексоген, тэн и др.) величины критических температур Т р, лежащие в интервале 400—600° С. При этом правая часть соотношения (2) приблизительно
остается постоянной и равной 25, т. с.
_ Е
г^ е №кр~25(5)
ХКТ2р
Сравнивая выражения (4) и (5), получаем, что критический радиус горячего очага по порядку величины не больше 10~4 см (для органических В В величина X в среднем равна 2,4-10-4 кал! см-сек-граду
Условие критических напряженийи деформация в тонких слоях
Перейдем к обсуждению условий образования эффективного горячего очага при неупругой деформации. Сделаем перед этим некоторые замечания о характере деформации и среды. Достаточно большие заряды твердых ВВ как в литом, так и в дисперсном состоянии представляют собой совокупность огромного числа малых частиц, в пределах каждой из которых имеется анизотропия. Однако вследствие разнообразной беспорядочной ориентировки различных частиц примем, как это обычно делается по отношению к поликристаллическнм телам, что материал изотропен и однороден. В таком случае возникновение эффективных горячих точек связано с неупругой деформацией заряда ВВ в целом, а не с перемещением отдельных частиц и трением их друг о друга. Будем, кроме того, считать, что выполняется положение о плавлении как границе разогрева при деформации твердых ВВ.
Как уже говорилось во введении, прямой теоретический анализ процесса механического разогрева заключается в решении нестационарных пеизотермических уравнений деформации, учитывающих изменение механических свойств среды с температурой. Так как даже в простейших условиях для любой -среды такая задача в настоящее время неразрешима, а также нет подходящих методов экспериментального измерения температур кратковременных локальных разогревов в твердой деформирующей непрозрачной среде, то требуется найти достаточно простые косвенные приемы исследования.
Можно, например, попытаться найти решения более 26
простых задач, введя некоторые упрощающие предполо' жения, получить в каждом случае некую определенную картину «механического поведения и возбуждения взрыва» ВВ, заведомо не претендующую на полное отражение реального процесса, и затем сопоставить эту картину с экспериментальными данными. При таком сопоставлении должна выясниться применимость тех или иных предположений.
В качестве одной из задач интересно было бы рассмотреть адиабатический случай деформации. Однако здесь мы сталкиваемся с огромными трудностями. Так, в частности, математический аппарат механики деформируемых сред развит в основном для анализа малых деформаций (относительных деформаций, малых по сравнению с единицей) [26], которых явно недостаточно для создания высокотемпературных разогревов. Если бы все же эту трудность удалось преодолеть, то и тогда положение оставалось бы весьма сложным, так как в адиабатическом случае по мере развития деформации и разогрева среда становится локально пластически неоднородной (механические свойства зависят от температуры), теория же пластически неоднородных сред рассматривает более простые формы неоднородности [55].
Другой интересный случай получается, если предположить, что разогревы при деформации не изменяют механических свойств среды. Тогда распределение напряжений и перемещений среды при деформации должно быть таким же, как в изотермическом случае. Таким образом, можно использовать известные (изотермические) решения для формального расчета температуры разогревов и получить некую определенную картину «поведения» ВВ. Заранее ясно, что начальная стадия деформации, пока разогревы невелики, должна хорошо описываться изотермическим решением. Поэтому и имеет смысл искать неизотермические эффекты как отклонение от изотермического решения; главная роль при этом принадлежит эксперименту. Данный случай тоже сложен, так как остается трудность исследования конечных (больших) деформаций и, кроме того, появляется необходимость рассмотрения уравнения теплопроводности со сложным распределением источников. Сохраняя, однако, идею излагаемого подхода, мы еще более упростим задачу получения определенной картины «поведения»
10 5 (сек.).10 5 (сек.).(8)(8)
10 5 (сек.).
10 5 (сек.).
(8)
(8)
ВВ, а именно: найдем некоторые условия, нобходимые для возбуждения взрыва, исходя из обобщенного положения о плавлении и механических характеристик ВВ, известных из обычных испытаний (статических и изотермических) литых и прессованных образцов ВВ на сжатие.
Согласно обобщенному положению о плавлении, величина давления всестороннего сжатия, необходимого для возбуждения взрыва, определяется тем, что температура плавления должна быть по крайней мерс равна критической температуре горячей точки. Назовем величину необходимого гидростатического давления критическим напряжением Ркр, а необходимое условие для возбуждения взрыва
Р > Ркр(6)
условием критических напряжений. Заметим, что это условие по физическому содержанию не имеет ничего общего с нетепловой гипотезой критических напряжений, обсуждавшейся во введении. Согласно той гипотезе достижение критического напряжения является необходимым и достаточным условием возбуждения взрыва. В данном же случае выражение (6) служит лишь необходимым условием того, чтобы разогрев мог достигнуть критической температуры, а сам разогрев должен создаваться неупругой деформацией. Поэтому критика в работах Холево гипотезы критических напряжений, опиравшаяся на опыты в приборе № 3, т. е. в отсутствие течения, к вводимому условию критических напряжений (6) отношения не имеет.
Критическое напряжение можно найти по уравнению Клапейрона — Клаузиуса, зная величину критической температуры. Используя выражение (4) при знаке равенства, получаем
ТПл фкР) = Гкр,
L = Тпл -^ Ди,*dT™
с^«Ре"^7= ю-6 (сек.),<7)
QEzх 1
где L — удельная теплота плавления; Ду — разность удельных объемов жидкой и твердой фаз.
Применение уравнения Клапейрона — Клаузиуса вызывает, однако, затруднения, поскольку не для всех ВВ известны теплоты плавления и разность удельных объемов жидкой и твердой фаз и тем более неизвестно, как они меняются с давлением (для некоторых ВВ, по данным, приведенным в книге Орловой [56], можно найти значение a = dl пл! йР при нормальном давлении: для дины а = 0,022, для нитроглицерина а = 0,010, для тротила а = 0,031, для пикриновой кислоты а = 0,029 apadjaTM). Для грубых оценок воспользуемся линейным приближением зависимости температуры плавления от давления при а = 0,02 град/атм (1). Тогда критическое напряжение
Т — Т
Р
кр л пл
Кр *
а
F
^КР ^Кр
QEz
У большинства вторичных ВВ разность (Ткр—7^) составляет 200—500° С, т. е. для них следует ожидать, что Ркр =Ю4 4-2,5-104 атм.
Как уже говорилось во введении, необходимость приложения высоких давлений при возбуждении взрыва механическим воздействием следует из результатов испытаний ВВ на копре Боудена — Козлова (данные Козлова, приведенные на рис. 2, цитируются в книге [36]). При этом, однако, величины давлений прижатия для Вторичных ВВ, соответствующие 100% взрывов на кривой частости, лежат в интервале от 5000 (тэн) до 11 000 атм (тротил), что в 2—2,5 раза меньше, чем ожидаемые по оценке величины критических напряжений Ркр . В дальнейшем это кажущееся расхождение будет объяснено. Обращает на себя внимание то, что и такие инициирующие ВВ, как гремучая ртуть, тетразен, ТНРС и азид свинца, которые при нагревании до температур вспышки не плавятся, требуют для возбуждения взрыва заметных, хотя и меньших, чем для вторичных ВВ, величин давления прижатия, т. е. с точки зрения условия критических напряжений для этих инициирующих ВВ (Гкр—ГПл)>0. Вообще говоря, такое поведение инициирующих ВВ еще не следует рассматривать как противоречие. Так, например, для азида свинца температура вспышки при 5-се-
Рис. 2. Зависимости частости взрывов от давления прижатия, полученные на копре Боудена — Козлова
/ — гремучая ртуть; 2 — тетразен; 3 — ТНРС;
4 — азид свинца; 5 — тэн; 6 — гексоген; 7 — тетрил; 8 — пикриновая кислота; 9 — тротил
кундной задержке составляет 345° С, а сенсибилизирующий эффект в опытах Боудена с добавками получался при температурах плавления добавок, начиная с 500° С. Поэтому если температура плавления азида свинца лежит между 345 и 500° С, то противоречия не возникает. Аналогично обстоит дело с гремучей ртутью, тетразеном и ТНРС.
Обратимся еще к одному вопросу, связанному с условием критических напряжений, т. е. с необходимостью получить давления порядка 104 атм. Известно, что при обычных (статических и изотермических) испытаниях механических свойств твердые вторичные ВВ могут испытывать довольно малую пластическую деформацию и хрупко разрушаются при напряжениях порядка 102 кГ)см\ Как же достичь при неупругой деформации давлений, на два порядка превышающих прочность среды? Ясно, что для этого нужны какие-то особые условия деформации. Если обратиться к многочисленным методам испытаний ВВ на чувствительность (в том числе и представленным на рис. 1, а, б, г. д, е), т. е. тем условиям, где ВВ заведомо взрываются при механических воздействиях (в частности при ударе), то видно, что везде осуществляется деформация в тонких слоях. В тонких слоях, как известно, действительно могут достигаться высокие давления на малопрочной среде, причем они
могут считаться наиболее распространенным примером таких условий, где это возможно. По-видимому, широкое использование тонких слоев в методах испытания ВВ на чувствительность и в исследованиях зависимости возбуждения взрыва от условий воздействия следует считать не случайным: в этом можно видеть широкое подтверждение обобщенного положения о роли плавления или, что пока то же самое, условия критических напряжений.
Деформация в топких слоях, на которую в настоящей работе обращается главное внимание, является одной из основных задач обработки металлов давлением [57, 58]. Имея в виду получение определенной картины «поведения» ВВ с помощью необходимых условий возбуждения взрыва и последующее исследование процесса, естественно выбрать самые простые условия деформации с точки зрения экспериментальных измерений и наиболее хорошо обработанные теоретически. В этом отношении удобна так называемая технологическая операция осадки цилиндрических образцов, что совпадает с испытаниями в приборе № 2 (см. рис. 1), широко используемым для испытаний ВВ на чувствительность. Задача деформации в таких условиях (осесимметричная задача) обстоятельно исследована для пластичных металлов: найдено распределение напряжений в деформирующемся образце (рис. 3) и показано, что при пластической деформации (модель среды — идеально-пластическое тело) величина среднего давления Р следующим образом связана с пределом текучести материала os, высотой (толщиной) образца h и диаметром D (при h]D<
Рис. 3. Распределение касательных (а) и нормальных (б) напряжений по образцу
DD(9)(9)прпрпрпрдля наших целей, верна для «прочностногодля наших целей, верна для «прочностного^/D)Kp^jy^/D)Kp^jyРис. 4. Предполагаемая картина «поведения» В ВРис. 4. Предполагаемая картина «поведения» В В
D
D
(9)
(9)
пр
пр
пр
пр
для наших целей, верна для «прочностного
для наших целей, верна для «прочностного
^/D)Kp^jy
^/D)Kp^jy
Рис. 4. Предполагаемая картина «поведения» В В
Рис. 4. Предполагаемая картина «поведения» В В
<0,125):
= ns
Несмотря на приближенный (инженерный) характер решения, как формула (9), так и распределение напряжений (см. рис. 3) хорошо подтверждаются экспериментально [57, 58].
Деформация образца во многом определяется условиями на контактных плоскостях (г = ± А/2). Контактная плоскость по характеру деформации на ней разбивается на три зоны по радиусу. В зоне / (зона скольжения, размер ее близок к А), где нормальные напряжения (ог2) невелики, происходит возрастание касательных напряжений на контактной плоскости (т^) с ростом нормальных напряжений согласно закону Кулона: тк — рсг2 (Р — коэффициент кулонова трения). В зоне // (зона торможения, размер ее примерно на 2h меньше радиуса образца) закон Кулона неприменим, так как здесь нормальные напряжения выше, чем в зоне /, а величина т^ нс может превосходить своего максимального возможного значения —предела текучести материала на сдвигу = crs/}^3. (Закон Кулона неприменим, если нормальное давление раза в два превосходит предел текучести хотя бы одного из элементов фрикционной пары. При этом касательное напряжение равно пределу сдвига, деформация в зависимости от условий распространяется в глубину слабого материала, и для пластичных тел различия трения и пластической деформации нет.) В этой зоне касательное напряжение т/г постоянно и равно т$. В зоне /// (зона прилипания, размер ее по радиусу близок к к) касательные напряжения падают независимо от величины нормальных напряжений. Чем меньше h/D, тем относительно больше зона II по сравнению с зонами / и ///. При h/D < 0,125 она настолько превалирует, что условие тА = rs можно распространить на всю контактную плоскость и получить формулу (9). Условие т^ = т5 делает эквивалентным рассмотренный случай со случаями абсолютной шероховатости пуансонов и прочного сцепления деформируемой среды с пуансонами (пуансоны считаются абсолютно жесткими). При этом [59] задача решается более строгими методами теории пластичности (особенно плоская [63], аналогия которой с осесимметричной широко используется), решение получается тем же, однако при этом оно применимо не
только для сжатия, но и для отрыва; это решение применяется для объяснения повышенной прочности торцевой склейки и спайки.
Формула (9) неплохо согласуется с экспериментами по хрупкому отрыву [59], если вместо as подставить предел прочности Опр» что равносильно приравниванию величины тк пределу прочности на сдвиг тпр:
D
(10)
Используем изложенные сведения Предполагая, что формула (10) разрушения хрупких систем и
при сжатии, в координатах P — h[D получаем кривую / (рис. 4), достичь давлений (средних) выше которой невозможно, так как образец будет разрушаться. Назовем соотношение (10) условием прочности. Если теперь для простоты предположить, что критическое
среднее давление Ркр, при ко- тором возможен взрыв, определяется в основном величиной критического напряжения Лф и не зависит от h/D, то усло-
пне критических напряжений в приборе № 2
Р>Р^ (11) представится на графике (рис. 4) областью, лежащей выше прямой (//), параллельной оси абсцисс. Заштрихованная область представляет собой область взрыва.
Условия (10) и (И) даны применительно к прибору №2 и выражены в терминах среднего давления, величина которого получается усреднением распределения о2 (см. рис. 3) по площади пуансона. Сделаем некоторые пояснения относительно условия критических напряжений в приборе №2 (И), которое имеет более сложный смысл, чем введенное ранее условие критических напряжений (6): Р>Ркр. Будем в дальнейшем называть величину Ркр критическим напряжением и приборе «№2, а величину Ркр— истинным критическим 2 1 Т. Афанасьев, В. К. Боболев чч
напряжением. Распределение по радиусу гидростатического давления Р = — (ог + Ог + <М> которое интересует нас
3
в связи с условием критических напряжений Р "> Ркр, приведено на рис. 3 пунктирной кривой: давление изменяется от максимального и зависящего от h/D в центре (Р2=о =
= 2— 2,5 Р) до PZ=R = — Опр на краях образца.
Как уже говорилось, для большинства вторичных В В Ркр ^> <тПр. Поэтому у краев образца ввиду невыполнимости условия Р> РКр никогда не может образоваться эффективный горячий очаг. С другой стороны, эффективный разогрев не может образоваться и в центре, если даже гидростатическое давление превосходит по величине истинное критическое напряжение, так как условие критических напряжений Р>РкР является лишь необходимым условием образования эффективного разогрева, а сам разогрев создается неупругой деформацией и величина этой деформации возрастает от центра к краям образца. Местонахождение эффективного очага должно определяться следующим: гидростатическое давление должно быть не меньше истинного критического напряжения, температура разогрева при пеупругой деформации должна быть не меньше критической (поскольку речь идет о локальном разогреве, то и скорость деформации должна быть достаточно высока, чтобы тепло нс успело отвестись). Величина среднего давления, при котором образуется очаг именно критической температуры при гидростатическом давлении в очаге, равном истинному критическому напряжению, и является величиной РКр — величиной критического напряжения в приборе № 2. Таким образом, эта величина должна зависеть от свойств ВВ и параметров воздействия: h, D и и {и — скорость сближения пуансонов) или любой независимой комбинации из них, например h, h/D и и. (Справедливость этого вывода относительно разогрева при деформации следует из того, что образование эффективных горячих точек происходит из-за неупругой деформации заряда в целом.) Необходимое условие возбуждения взрыва в приборе № 2, Р>Ркр1 относясь к тонкому слою, по-ви-1 димому, зависит главным образом от величины Ркр> так
как сама необходимость деформации в тонких слоях исходит из необходимости достижения Ркр. Это соображение и заложено в сделанные предположения. Предположение о независимости величины Ркр от h/D принято, кроме того, как самое простое для изображения в коор- динатах Р—h/D, что, однако, не должно вызывать каких- либо опасений, поскольку как предположение о независимости от h/D, так и допускаемая возможность зависимости Ркр от h и и будут в равной мерс проверяться.
Перечислим сделанные предположения:
РКр не зависит от h/D;
допускается зависимость Ркр от h и и;
представления о механических свойствах ВВ, полученные в статических и изотермических условиях, перенесены на воздействие ударом;
используется решение ‘изотермической задачи (10);
принимается, что это решение справедливо для хрупких разрушений при сжатии.
Итак, с помощью введенных условий критических напряжений и прочности получена некая определенная картина «поведения» ВВ в приобре № 2, из которой теперь может исходить постановка эксперимента и которая затем должна корректироваться при сопоставлении с экспериментальными результатами.
§ 3. Результаты тензометрических измерений
Метод измерения давлений при ударе
Согласно предполагаемой картине «поведения» ВВ (см. рис. 4), требуется измерять среднее давление в приборе № 2 при ударе по образцам с различным отношением h/D. Для измерения давления в процессе удара использовался тензометрический метод, применявшийся в работах [31, 61 и др.]. Конструкция приборчика представлена па рис. 5. Датчиком давления служил нижний ролик штемпельного приборчика с бифилярной обмоткой из изолированной константановой проволоки НЭК-0,03. Концы обмотки прикрепляли к ролику раствором фотопленки в дихлорэтане, затем обмотку покрывали слоем клея БФ-6, после чего для полимеризации клея латчик выдерживали в течение нескольких часов при тем-
пературе 150° С. Сопротивление датчика составляло приблизительно 600 ом. Градуировка датчика производилась при сжатии на прессе до 20 000 атм (на каждые 5000 атм датчик изменяет свое сопротивление примерно на 1 ом).
Рис. 5. Конструкция приборчика и схема подключения датчиками осциллографуРис. 5. Конструкция приборчика и схема подключения датчиками осциллографу/ — ролики; 2 — муфта; 8 — поддон; 4 — датчик; 5 —заряд/ — ролики; 2 — муфта; 8 — поддон; 4 — датчик; 5 —зарядДалее мы увидим, что градуировку датчика можно производить и при ударе на копре, причем результаты градуировок совпадают. Датчик подключался к осциллографу (использовались двухлучевые осциллографы ОК-17, О К-24 В и ОК-24М, снабженные фотоприставками) при помощи простой электрической схемы (см. рис. 5). Входное сопротивление осциллографа было увеличено до 2 Мом, чтобы постоянная времени измерительной цепи намного превышала время процесса и сигнал не искажался. Во избежание разогрева датчика и образца от идущего по обмотке тока устанавливалась сила тока не более 20 ма, причем контрольные опыты с термопарой, помещенной в образец, показали, что если ток нс превышает 30 ма, то разогрев практически отсутствует. В интересующем нас диапазоне давлений изменение сопротивления датчика не больше нескольких омов, суммарное же сопротивление цепи датчика составляет несколько килоомов. Легко показать, что сигнал при этом пропорционален прилагаемой нагрузке, поэтому обработка результатов измерения проста и удобна. Второй луч осциллографа с метками времени используется как масштаб времени, а также фиксирует момент возникновения взрывчатого превращения по методу электропроводимости [23] (ионизованные продукты разложения замыкают ролики, к которым приложена разность потенциалов; момент замыкания регистрируется с помощью
Рис. 5. Конструкция приборчика и схема подключения датчиками осциллографу
Рис. 5. Конструкция приборчика и схема подключения датчиками осциллографу
/ — ролики; 2 — муфта; 8 — поддон; 4 — датчик; 5 —заряд
/ — ролики; 2 — муфта; 8 — поддон; 4 — датчик; 5 —заряд
взрыва по замыканию роликов продуктами взрывавзрыва по замыканию роликов продуктами взрыва1 — заряд; 2 — ролики1 — заряд; 2 — роликипростой электрической схемы (рис. 6)). Запуск осциллографа осуществляется замыканием специально установленного контакта падающим грузом. Типичные осциллограммы давления при холостом и снаряженном ударах представлены на рис. 7.
взрыва по замыканию роликов продуктами взрыва
взрыва по замыканию роликов продуктами взрыва
1 — заряд; 2 — ролики
1 — заряд; 2 — ролики
Механика холостого удара
Из сопоставления времени удара (~10~3 сек.) и времени пробега звуковых волн по роликам, т. е. времени выравнивания напряжений (~10~6 сек.), Харитон [13] заключил, что сжатие при ударе может рассматриваться как статический процесс. На таком подходе основана теория удара Герца [62], которая справедлива для скоростей удара, много меньших скорости звука. При ударе на копре скорость груза порядка 1—5 м]сек, скорость шука в стали с = 5000 м)сек. Таким образом, сжатие роликов под действием налетающего груза подобно сжа- гию пружины. Если рассматривать идеальный случай (ударник груза плоский, сжимаются только ролики, причем в пределах упругости), то элементарными способами, используя закон Гука и уравнение гармонических колебаний, находим выражения для максимального давления удара Р,п^ времени туд:
(12)
Рис. 7. Типичные осциллограммы давленияа — холостой удар; б, в, г и д — удары по «снаряженному» приборчику; б —взрыва нет; виг — взрыв; д — взрыв (азид свинца и гремучая ртуть)Рис. 7. Типичные осциллограммы давленияа — холостой удар; б, в, г и д — удары по «снаряженному» приборчику; б —взрыва нет; виг — взрыв; д — взрыв (азид свинца и гремучая ртуть)Ми0Ми0t SP(t)dt,Тоt SP(t)dt,То
Рис. 7. Типичные осциллограммы давления
а — холостой удар; б, в, г и д — удары по «снаряженному» приборчику; б —взрыва нет; виг — взрыв; д — взрыв (азид свинца и гремучая ртуть)
Рис. 7. Типичные осциллограммы давления
а — холостой удар; б, в, г и д — удары по «снаряженному» приборчику; б —взрыва нет; виг — взрыв; д — взрыв (азид свинца и гремучая ртуть)
Ми0
Ми0
t SP(t)dt,
То
t SP(t)dt,
То
Соотношения (12) качественно отображают связь максимального давления удара на копре и времени уда- ра с массой груза М, кинетической энергией груза № (энергией удара), упругими свойствами роликов (7?м— модуль Юнга) и их размерами (/ — общая длина роли-* ков, S— площадь поперечного сечения). Выражение для Р.п получено из условия, что вся энергия удара W переходит в упругую энергию роликов. При этом энергия упругих колебаний, которые могут возникнуть при ударе, не учитывалась, так как она ничтожно мала, составляя 0.02 ujc часть энергии удара (ио— скорость груза) [63].
Осциллограммы холостого удара (рис. 7, а) близки по форме к полупериоду синусоиды, как это и должно быть для «статического» удара. Процедура обсчета осциллограмм показана на рис 8. При достижении максимального давления (момент времени Л) скорость груза равна нулю и по закону сохранения импульса будет:
i че SP— записанное на осциллограмме изменение силы иг начала удара т0 до остановки груза в момент ^.
Оптическим методом, о котором речь будет идти ниже, установлено, что скорость груза на копре К-44-2 при -соударении соответствует расчету по свободному падению и поэтому
М V2gH0 = S $ Р (О dt,
То
где Яо — высота падения; Р(0 —изменяющееся дав
ление.
Величина интеграла находится графически по осциллограмме, а само равенство служит условием нормировки. Ошибка измерения давления составляет 10% (как при градуировке на прессе, так и на копре). При ударе она складывается из ошибки градуировки (7%) и ошибки измерения отклонения луча осциллографа (3%). На
рхц;3 кг/см2
рис. 9 приведена зависимость максимального давления Рт от энергии удара W (копер К-44-2, грузы 10 и 5 кг).
П о ел едо в а тел ьны м граф ич е с ки м и нте гр иро в а н ие м функции P(t) по осциллограмме (рис. 8) строится график изменения скорости груза во времени u^t);
Ltm = u С р(/)dt.
Определив отсюда величину изменения кинетической энергии груза AIF = ~ — (Г) и используя исходе ную осциллограмму давления, можно построить зависив 40 I
мость P=^(AW). Проверка по многим осциллограммам показала, что Р=^ (A IF) не зависит от высоты падения груза, от массы груза и полностью совпадает с зависимостью максимального давления от энергии уда- ра (рис. 9). Это свидетельствует о том, что развивающееся при холостом ударе давление не зависит от скорости приложения нагрузки и определяется величиной затраченной на деформацию энергии, что нельзя было считать заранее очевидным, так как удар на копре неполностью упругий. Из обработки осциллограмм следует, что на пластическую деформацию металла роликов (и поддона), происходящую на первом этапе удара (до ti), расходуется около 20% энергии удара, а второй этап удара (после /1) полностью упругий. Потери энергии па пластическую деформацию металла являются одной из причин снижения (на 12—15%) экспериментальной зависимости Рт^р (IF) по сравнению с определяемой формулой (12).
Графическим интегрированием скорости и^ находите, перемещение центра тяжести груза во времени Айм = Айм(0 которое происходит за счет сжатия металлических деталей, главным образом роликов и ударника. Исключением времени t из зависимостей Р = Р(1) и Айм = Айм(0 определяется зависимость сжатия металла от давления Айм =
Айм(Р). Эта зависимость может быть также получена из Pm —v(IF) по дифференциальному соотношению PS = d\V/dh. Кривые Айм = Айм (Р) приведены на рис. 8: сплошная кривая для нагружения (до t^, пунктирные для разгрузки (после tx\ Зависимость Айм = Айм (Р) отражает геометрию соударения и материал сжимающихся элементов.
Копер К-44-2 имеет сферический ударник (Р=50 лш) и в зоне контакта происходит местная деформация. Нелинейный характер Айм = Айм (Р) обусловлен весьма значительными местными деформациями, которые, вероятно, имеют место па поверхностях раздела (поддон — ролик, ролик — ролик п в первую очередь груз — ролик) и являются другой причиной отклонения экспериментальной зависимости Ргп =
V(1F) от формулы (12).
Согласно выражению (12), время удара не зависит от высоты падения груза Но. В эксперименте, однако, наблюдается уменьшение удара с увеличением высоты падения
(рис. 10), что объясняется нелинейностью А^м = А/тм (^) и неполной упругостью удара. Зависимость A/tM = А/гм (Р) или Рт = ср (1^) однозначно определяет режим нагружения
Рис. 10. Зависимости времени удара от энергии удара/ — копер К-44-2, груз 10 кГ; II — копер Каста, груз 10 кГ; III — копер К-44-2, груз 5 кГРис. 10. Зависимости времени удара от энергии удара/ — копер К-44-2, груз 10 кГ; II — копер Каста, груз 10 кГ; III — копер К-44-2, груз 5 кГ
Рис. 10. Зависимости времени удара от энергии удара
/ — копер К-44-2, груз 10 кГ; II — копер Каста, груз 10 кГ; III — копер К-44-2, груз 5 кГ
Рис. 10. Зависимости времени удара от энергии удара
/ — копер К-44-2, груз 10 кГ; II — копер Каста, груз 10 кГ; III — копер К-44-2, груз 5 кГ
при холостом ударе и поэтому может быть принята за характеристику копра и приборчика. Следует заметить, что копер Каста и копра К-44-2 существенно отличаются друг от друга, что видно хотя бы из зависимостей времени удара от высоты падения груза (рис. 10).
Механика «снаряженного» удара
Осциллограммы давления при ударе по снаряженному приборчику (см. рис. 7, б, в, г) позволяют рассчитать кривую деформации заряда ВВ при нагружении ударом. Двумя последовательными графическими интегрировани-1 ями (см. рис. 8) (подобно тому, как это делалось и при холостом ударе) находится перемещение центра тяжести груза во времени Айм+вв = А/гм+вв(0 . В данном случае, однако, оно представляет собой сумму сжатия металла и изменения толщины деформирующегося в процессе удара образца. Для выделения деформации образца А/г= = Мг (/) из суммарного перемещения требуется вычесть сжатие металла по известным давлению Р = Р (/) и зависимости A/zm=A/im (^); при этом, когда давление возрастает, используется кривая нагружения, а когда убывает — кривая разгрузки.
Резкие изменения Р и А/г в некоторые моменты времени (разрешающаяся способность нашей съемки
составляет 5—10 мксек и эти изменения регистрируются как мгновенные) соответствуют разрушению образца и выбросу части вещества из области сжатия. Для установления природы разрушения образца при ударе был испытан ряд индивидуальных ВВ (тротил, тетрил, гексоген как монокристаллической плотности, так и дисперсный, тэп, октоген и др.), баллиститный порох Н, гексоген + 9% легкотекучей добавки типа парафина, молотый мел -и мел с различным процентным содержанием парафина (3, 5, 10 и 15%; парафин вводился таким же методом, каким осуществляется флегматизация ВВ), натриевая селитра, бариевая селитра, перхлорат аммония, свинец, клетчатка (бумага) и др.
Можно предположить несколько механизмов разрушения: 1) потеря устойчивости сыпучей среды; 2) резкое падение вязкости подобно тому, как это имеет место для твердообразных структур при высоких напряжениях и скоростях деформации; 3) разрушение образца при достижении предела прочности на плоскостях скольжения. Учитывая, что разрушения происходят у всех систем, кроме мела молотого, мела с парафином и свинца, если он не переупрочнен предварительным деформированием, а также то, что давление разрушения тем больше, чем 'прочнее вещество, можно считать, что разрушение имеет прочностной характер [64]. Спады давления отсутствуют и у эластичных полимеров (резина, тиокол).
Баллиститные пороха в зависимости от скорости относительной деформации и толщины образца ведут себя двояким образом: хрупко разрушаются после упругой деформации, либо испытывают эластическую и затем вязко-пластическую деформацию (в последнем случае получаются гладкие осциллограммы давления). Поведение баллиститных порохов находится в хорошем согласии с представлениями о механических свойствах линейных полимеров [65]. Часть изложенных сведений о поведении различных материалов при ударе на копре понадобится нам при разборе точек зрения других авторов.
Если происходит взрыв, то на осциллограмме давления тоже имеется резкий спад (см. рис. 7, в, г). При этом возникает вопрос, то ли взрыв и последующее быстрое расширение продуктов взрыва является причиной спада давления, то ли взрыв происходит в процессе спада. На рис. 7, д приведена типичная запись давления,
Рис. 11. Типичные диаграммы: давление — перемещение (а) и давление — деформация (б)
Рис. 12. Схема оптического метода измерения перемещений при ударе
1 — лампа фотовспышки; 2 — конденсор; 3 — перемещающийся ролик; 4 и 6 — линзы: 5 — щель; 7—вращающееся зеркало; 8 — фотопленка
которая получается при взрыве азида свинца и гремучей ртути [66]. Эти инициирующие ВВ детонируют и разрушают ролики, в том числе и датчик. Разрыв цепи равносилен бесконечному увеличению сопротивления и луч осциллографа «зашкаливается», причем никакого даже самого малого спада давления не обнаруживается (при проведении этих опытов яркость луча была намеренно увеличена). Отсюда ясно, что взрыв происходит до спада давления, а спад является следствием взрыва.
Возвращаясь к обсчету осциллограмм, заметим, что, исключая время из зависимостей Р = Р (/) и Мг=Мг (/), можно получить диаграмму давление — перемещение (Р—А/z) и диаграмму давление — деформация (Р—е), характеризующие процесс деформации и механические свойства образца (рис. И). Разрывы на этих диаграммах соответствуют выбросу части заряда из области сжатия при разрушении.
Оптический метод измерения перемещений
Для проверки правильности расчета Mi=Mi (/) нами совместно с Жученко [66] был разработан оптический метод регистрации перемещений на основе ждущего фоторегистра ЖФР-2. Оптическая схема метода представлена на рис. 12. Верхний ролик штемпельного приборчика 3 освещается через конденсор 2 импульсным источником света / (ИФК-20). Отражаясь от ролика, свет через
линзы 4 и 6 и находящуюся в сопряженных фокусах этих линз щель 5 попадает на вращающееся зеркало 7 и далее на фотопленку 8. С объективом «Индустар-51» и специально изготовленным тубусом длиной 56,5 см увеличение масштаба съемки происходило в 13 раз, что позволило при обработке результатов получить точность измерений не менее 0,02 мм. Так как объектом съемки служит боковая поверхность верхнего ролика, то в муфте и поддоне штемпельного приборчика делали секторный вырез с углом 90—120°. На боковую поверхность ролика наносили специальную белую эмаль с высокой отражательной способностью (альбедо примерно 0,9) и хорошей адгезионной способностью к металлу ролика. Поверх нес на небольшом участке (примерно 1 мм от нижнего торца верхнего ролика) наносили полосу матовой черной краски с высоким коэффициентом поглощения (примерно 0,99). Граница черного и белого полей, перемещаясь при ударе вместе с роликом, записывает на пленке развертку вертикального движения ролика. Съемка производилась на фотопленку с высокой чувствительностью. Синхронизация подсветки с ударом осуществлялась таким же способом, как и запуск осциллографа. Применение оптического метода совместно с тензометрическим методом измерения давления подтвердило правильность расчетных диаграмм Р— Ай и непосредственно показало факт выброса вещества в момент спада давления.
^й = (^й = (
^й = (
^й = (
С помощью оптического метода в работе [66] удалось получить некоторые дополнительные сведения по интересному эффекту резкого повышения частости взрывов для жидких и инициирующих ВВ в случае приподнятого верхнего ролика [67]. Оказалось, что в этом случае происходит дробный удар: ролик отражается от налетающего груза со скоростью, равной удвоенной скорости груза, затем он ударяет по заряду ВВ и отскакивает навстречу падающему грузу и т. д. При этом капля жидкого В В разбрызгивается, и основной удар происходит уже по ВВ, неполностью смачивающему ролик, что аналогично опытам Боудена [19] с зарядами в виде полосок и множества капелек, когда фиксировалось 100% взрывов (по Боудену, вследствие адиабатического сжатия газовых включений). При ударе по заряду твердого В В в приборе № 2 эффект приподнятого ролика не обнаруживается. Этот эффект проявляется в приборе № 4 для инициирующих ВВ при расположении заряда в центре. Эффект в этом случае вызван тем, что заряд разбивается на отдельные части и изменяется отношение h]D, что, как мы предполагали выше и увидим далее, имеет существенное значение.
Работа деформации заряда
Площадью диаграммы Р—Mi (см. рис. 11, а) определяется энергия, поглощенная зарядом при ударе. В литературе по чувствительности этой величине придавалось важное значение, так как предполагалось найти соответствие между энергией, затраченной на деформацию, и температурой разогрева. Предлагались разные способы ее оценки (по полной энергии удара [68], по всей потерянной при ударе энергии [69], по разности энергий восстановления при холостом и снаряженном ударах [70]). Критически рассмотрев эти способы, Холено для определения работы над зарядом при ударе Wbb широко использовал соотношение
wBB = Mg(H0—L^Y(13)
Xе /
где Но— высота сбрасывания груза; Hv — высота отскока; е — коэффициент восстановления копра.
Исходя из полученных диаграмм Р — Мц рассмотрим вопросы, связанные с потерями энергии в процессе удара и укажем границы применимости соотношения (13).
При холостом ударе (см. рис. 7, а^ энергия падающего груза №0 расходуется на упругую и пластическую деформацию металла. Упругая доля энергии U7^ реализуется при отскоке груза и составляет для большинства копров 0,6—0,8 энергии удара. Оптическим методом была измерена скорость груза при отскоке. Она оказалась выше, чем дает расчет по свободному падению иx=V2gHv что, по-видимому, связано со скольжением защелки груза о фиксирующую рейку. Опыты показали, что хорошо выполняется соотношение
MgH1 = 1wL (14)
где Т — коэфициент, учитывающий влияние скольжения защелки и составляющий для нашего копра (К-44-2) при грузе Юка примерно 0,9. При холостом ударе баланс энергии записывается следующим образом:
1$70 = ГД+^ или
MgH0 = гй 4- Д- MgHu(15)
т
где И7Д —энергия, затраченная на пластическую деформацию металла.
Если при каждой высоте сбрасывания Но высота отскока Нх повторяется достаточно хорошо, то 117 м тоже постоянно для каждого Но. При ударе по роликам с наклепом хорошо выполняется Нх = еН^ (а — коэффициент восстановления копра), что вместе с выражениями (14) и (15) дает
-^-1Wm,(16)
е )
т. е. при ударе по роликам с наклепом работа, затрачиваемая грузом на необратимую деформацию металлических элементов приборчика, пропорциональна упругой части энергии удара (для применявшегося нами копра и роликов е = 0,73).
При снаряженном ударе (см. рис. 7, б, в, а) часть энергии удара тратится на пластическую и упругую деформацию металла, остальная доля энергии U7BB—на упругую и неуп-
ругую деформацию заряда. В момент резкого спада давления и выброса части ВВ из области сжатия ролики, как показывают оценки, свободно или почти свободно разгружаются от давления Р( до Р, и теряют безвозвратно часть запасенной упругой энергии Wc, которая переходит в энергию звуковых волн, рассеивающихся в системе копра, основания и т. д. Назовем эту потерянную энергию сейсмическими потерями. Легко найти ее величину:
rc=S —i^№)-^o,п т
где п— число спадов давления, а значения U7 (Р/) и W7 (Ру) берутся из экспериментальной зависимости Рпг = ср (W), представленной на рис. 9. Приближенно эта величина следует из формулы (12):
l^-^У (Я-^),2£м „
Wbb —доля энергии удара, идущая на упругую и неупругую деформации заряда, определяется площадью диаграмм Р—Д/г. Упругая энергия, накопленная зарядом, переходит при разрушении (частично) в кинетическую энергию выбрасываемого ВВ (следует заметить, что в моменты спадов давления явление имеет не статический, а волновой характер). Таким образом, баланс энергии при снаряженном ударе записывается в виде
U70 = 1^ + W^ + Гс + №вв.
Используя выражения (14) и (16) и переходя к высотам падения и отскока, имеем
Гвв = Mg ( Но- //Л - Гс.(17)
\ в j
Для иллюстрации баланса энергии при ударе приведена табл. 1 (копер К-44-2, груз 10 кг, прибор № 2, масса заряда 0,050 г).
При малых энергиях удара максимальное давление тоже мало и не достигает предела прочности образца, осциллограммы давления имеют вид, близкий к осцилло-
Таблица 1
Баланс энергии (в кГМ') при ударе по зарядам ВВ весом 50 мг
вв
^0
WBB
№'с
1 Тксоген
0,50
0,14
0
0,07
0,27
0,50
0,12
0
0,08
0,28
1,00
0,20
0,52
0,11
0,15
1 ДЮ
0,18
0,51
0,12
0,21
1,50
0,22
0,60
0,21
0,44
1,50
0,21
0,42
0,28
0,61
2,00
0,25
0,54
0,24
1,07
Тэн
0,50
0,16
0
0,09
0,28
0,50
0,17
0,18
0,05
0,11
1,00
0,24
0,32
0,14
0,34
1,00
0,20
0,39
0,15
0,31
1,50
0,17
0,46
0,25
0,62
1,50
0,18
0,40
0,21
0,77
Гексоген + 9% легкотеку-
1,00
0,23
0,36
0,11
0,30
чен добавки типа парафи-
1,00
0,19
0,18
0,16
0,49
па
1,50
0,16
0,60
0,20
0,57
1,50
0,23
0,51
0,19
0,68
2,00
0,27
0,50
0,26
0,95
2,00
0,34
0,71
0,23
0,80
граммам холостых ударов, резкие спады давления отсутствуют и поэтому ^с=0. Резкие спады давления могут отсутствовать на баллиститпых порохах и свинце, отсутствуют на эластичных полимерах, в этих случаях также U^c =0. Таким образом, из выражения (17) следует, что соотношение (13) выполняется тогда, когда получаются гладкие осциллограммы давления.
Из приведенной таблицы видно, сколь малую долю энергии удара составляет энергия, идущая на деформацию заряда. Если бы она вся превратилась в тепло, то разогрев заряда был бы порядка 10° С. Тем нс менее эта энергия примерно в миллиард раз превышает энергию, необходимую для создания очага размером 1О4 см, обладающего критической температурой.
Заметим при этом, что мы не делаем здесь разделения всей работы деформации заряда на упругую ^вв и неупругую 1^в части. Если оценивать IFbb по формуле
2х
(где х — модуль объемного сжатия), то получаются величины такого же порядка, как и измеренные (при толщине прессованного заряда /i^0,4 мм, соответствующей 0,050 г, для гексогена Рпр = 4800 кГ/см2\ модуль объемного сжатия гексогена равен 1,1 • 105 кГ/см2 [71]). Отсюда следует, что Ц7вв либо имеет такой же порядок величины, либо она по величине меньше, чем I^bb*
Механические свойства твердых ВВ
Испытания производились в приборе № 2. Испытывались многие взрывчатые (тротил, пикриновая кислота, тетрил, аммиачная селитра, тэн, гексоген, октоген, тетразен, ТИРС, азид свинца, гремучая ртуть и др.) и некоторые инертные вещества при разных толщинах образцов. Для всех этих веществ рассчитанные диаграммы давление— деформация (Р— е) имеют вид, близкий к показанному на рис. 11,6 (в — относительная деформация образца). Если первый спад давления вызван взрывом заряда, то диаграмма в этом случае аналогична по виду первому участку (до первого разрушения) той же диаграммы (рис. И, б). Эти диаграммы характеризуют твердые ВВ как сильно упрочняющуюся среду (близкую к упругой), претерпевающую до разрушения очень малую деформацию (менее 10%). Поэтому, имея в виду только первый спад давления на осциллограмме, можно с хорошим приближением отождествлять толщину, при которой произошло разрушение или взрыв, с начальной толщиной заряда. Это, однако, справедливо только для прессованных зарядов. Дело в том, что между зарядом из твердого ВВ и роликами всегда имеются небольшие зазоры, которые приводят к явлению дробного удара. Прессованные заряды нечувствительны к удару роликом, а насыпные частично разбрасываются (разбрасыванию, вероятно, помогает и воздух, находящийся в порах).
Действительно, сравнение рассчитанных перемещений A/i в процессе удара с разностью начальной и конечной толщин образцов даст совпадение для прессованных образцов и расхождение для насыпных, достигающее иногда 40% от начальной толщины, т. с. удар как бы происходил по заряду толщиной меньшей, чем начальная. Поэтому все измерения, о которых далее будет идти речь, производились на прессованных зарядах.
В табл. 2 и на рис. 13и 14 приведены для ря-да В В экспериментальныерезультаты по измерениюдавлений, при которььхпроисходит разрушениеР пр или фиксируетсявзрыв Рвзр . Опыты про-изводились в приборе № 2(D=10 мм) при разныхначальных толщинах за-ряда. Давление прессова-ния составляло 5—20 тыс.атм и в большинстве слу-чаев подбиралось так,чтобы приблизительновдвое превышать РПр илиР взр. Плотность зарядовпри этом была приблизи-тельно на 10% нижеплотности монокристал-ла. Каждое значение втаблице (и соответствую-щая точка на графиках)
рения и в наиболее широком интервале скоростей, допускаемом копром К-44-2, выполнены на примере гексогена: при измерении Рпр скорость ударяющего груза изменялась в 4,5 раза (высоты падения 5 и 100 сж), а при измерении Рвзр—в 2,6 раза (15 и 100 см). Различие полученных результатов не превышает ошибки измерений (10%). Результаты приведенные в табл. 2 и на рис. 13 и 14, получены при высоте сбрасывания груза (10 кг) 25 см.
Полученные экспериментальные результаты по удельным давлениям разрушения Рпр в зависимости от начальной высоты заряда (см. табл. 2) с точностью до ошибки измерений описываются гиперболической зависимостью вида (10):
Рпр = <ГПР f 1 +Y(18)
X ^V^h)
Таким образом, эта формула в интервале 0,01^ ^/z./D^OJO экспериментально подтверждена и для случая хрупких систем при сжатии ударом. (Заметим, что из всех испытанных твердых взрывчатых и инертных веществ исключением явилась дина: она не укладывается в эту зависимость.) Данные измерений и формула (18) позволяют определить предел прочности Опр. Средние значения сгПр (усреднение производилось по всем опытам) для разных веществ приведены в табл. 3. Кривые прочности на рис. 13 и 14 нанесены с использованием этих средних значений пределов прочности и формулы (18). (Выше всюду говорилось о средних значениях измеряемых величин Рпр и Рвзр. Разброс данных около этих средних значений довольно большой и составляет ±25%, что больше ошибки измерений. Для иллюстрации разброса на рис. 15 представлены данные отдельных измерений для гексогена, их средние значения приведены в табл. 2 и на рис. 15.) ,
Полученные значения сгПр являются эффективными пределами прочности ВВ как поликристаллических тел (прочность монокристаллов обладает анизотропией). Обращает внимание то, что эти значения в 2—4 раза выше пределов прочности, обычно определяемых при сжатии прессованных шашек (/z/D^l). Остановимся в связи с этим на различаемых в металловедении [72] транскри- 54
Рис. 15. Разброс результатов измерения давлений при разрушении РПр (точки) и при взрыве ^Взр (крестики) для гексогена
сталлической и интеркристаллической прочностях для поликристаллических тел. Первая связана с разрушением ио зерну и определяется прочностью материала зерна, вторая — с разрушением по стыкам зерен и определяется прочностью-их сцепления. Транскристаллическая является максимально возможной прочностью поликристалли- ческого тела. Интеркристаллическая может лишь приближаться к ней (в случае металлов), вообще же говоря, она может быть как угодно низка, чего именно и следует ожидать для образцов, прессованных из порошка хрупких малопластичных материалов, каковыми являются твердые ВВ (в силу малой пластичности стыки между зернами «не залечиваются»).
Действительно, если* в случае металлов предел прочности на растяжение (ответственна интеркристаллическая прочность) близок к пределу прочности па сжатие (ответственны как интер-, так и транскристаллическая прочность), то в случае прессованных ВВ разрушение при
Рис. 13. Зависимости средних давлений__при разрушении ^лр (сплошные кривые) и взрыве ^взр (пунктирные кривые) от толщины заряда для октогена (ОВ). гексогена (vv), тетрила (ла) и тротила (□■)Рис. 13. Зависимости средних давлений__при разрушении ^лр (сплошные кривые) и взрыве ^взр (пунктирные кривые) от толщины заряда для октогена (ОВ). гексогена (vv), тетрила (ла) и тротила (□■)Рис. 14. Зависимость средних давлений /JHp и ^ВЗр от толщины заряда для тэна (ОВ) и пикриновой кислоты (ЛА)Точки -I- ОТНОСЯТСЯ К ДИНСРис. 14. Зависимость средних давлений /JHp и ^ВЗр от толщины заряда для тэна (ОВ) и пикриновой кислоты (ЛА)Точки -I- ОТНОСЯТСЯ К ДИНС
Рис. 13. Зависимости средних давлений__при разрушении ^лр (сплошные кривые) и взрыве ^взр (пунктирные кривые) от толщины заряда для октогена (ОВ). гексогена (vv), тетрила (ла) и тротила (□■)
Рис. 13. Зависимости средних давлений__при разрушении ^лр (сплошные кривые) и взрыве ^взр (пунктирные кривые) от толщины заряда для октогена (ОВ). гексогена (vv), тетрила (ла) и тротила (□■)
Рис. 14. Зависимость средних давлений /JHp и ^ВЗр от толщины заряда для тэна (ОВ) и пикриновой кислоты (ЛА)
Точки -I- ОТНОСЯТСЯ К ДИНС
Рис. 14. Зависимость средних давлений /JHp и ^ВЗр от толщины заряда для тэна (ОВ) и пикриновой кислоты (ЛА)
Точки -I- ОТНОСЯТСЯ К ДИНС
является усредненным значением измеряемой величины не менее чем по 10 опытам. В первую очередь необходимо было изучить, как влияют на эти усредненные значения дисперсность ВВ, давление прессования и скорость груза при соударении.
Влияние дисперсности изучалось на примере тэна, гексогена и октогена. Испытывались разные фракции с размерами зерна от 1 —10 до 315—400 мк. Получено, что средние значения РПр и РВзр в пределах ошибки опыта (10%) не зависят от дисперсности ВВ. Одинаковые значения также получаются как на прессованных образцах, так и на образцах монокристаллической плотности. Для труднопрессуемых ВВ дисперность влияет на разброс измеряемых величин около их среднего значения. С уменьшением размера зерна разброс несколько уменьшается, уменьшается также разброс по толщине отпрессованных зарядов, что, по-видимому, связано с улучшением однородности образцов. Поэтому для серийных измерений трудиопрессуемые ВВ (тэн, гексоген, октоген) использовались в- виде мелкоосажденных фракций (1 —10 мк).
Средние значения Рпр и Рвзр в пределах ошибки измерений не зависят также от давления прессования зарядов (ВВ брались разных дисперсностей) при одной и той же массе навески, если давление прессования превосходит 200 атм (три меньших давлениях прессования происходит разбрасывание части заряда из-за дробности удара). С увеличением давления прессования несколько уменьшается разброс получаемых данных, по-видимому, опять же по причине улучшения однородности образцов. Если давление прессования меньше, чем измеряемая величина, то при ударе происходит как бы допрессовка заряда, что проявляется в увеличении относительной деформации заряда к моменту разрушения по сравнению с хорошо отпрессованными зарядами. Поэтому серийные измерения производились на образцах, отпрессованных, как уже говорилось выше, до больших давлений, чем измеряемая величина. Если плотность зарядов после прессования Получалась ниже собственной плотности В В более чем на 10%, то такие заряды отбраковывались. Ист влияния на средние значения измеряемых величин /^рИ Рвзр и скорости удара. Влияние скорости изучалось на примере тэна и гексогена. Наиболее тщательные изме-
(19)(19)
(19)
(19)
растяжении происходит при очень низких напряжениях (порядка 10 кПсм^, а при сжатии для разрушения требуются напряжения порядка 102 кГ)см2 (100—200 кГ/см2). Надо сказать, что эти напряжения можно повысить, если улучшить сцепление между зернами и тем самым повысить интеркристаллическую прочность. Так, например,
Таблица 3
Значения температур плавления и эффективных пределов прочности для различных веществ
вв
Лиг °C
япр, кГ/см2
Дифениламин
52,9
190
Эвтектика тротил-тетрил
68,8
290
Тротил
81
340
Пикриновая кислота
121,9
520
Тетрил
131
530
Тэи
141
600
Аммиачная селитра
109, G
650
Гексоген
201
820
Октогея
280
1250
NaNO3
308
1430
Ba(NO3)2
592
2300
прочность на сжатие шашек ВВ, отпрессованных вместе с растворителем, значительно повышается.
Измеренные нами при ударе пределы прочности ппр являются показателями транскристаллической прочности, т. е. собственной прочности ВВ, так как по использованной (и теперь уже подтвержденной) задаче о деформации тонкого диска разрушение наступает при достижении предела прочности материала диска на сдвиг т Пр (Тпр^^пр/}^3) по всей контактной плоскости.
Остановимся на других результатах, касающихся механических свойств твердых ВВ. Эти результаты понадобятся нам в дальнейшем.
Были измерены совместно с Карпухиным [66, 73] эффективные пределы прочности широкого круга ВВ, эвтектических сплавов ВВ и некоторых инертных веществ и было показано, что эффективные пределы прочности испытанных веществ с точностью до ошибки измерений
следуют линейной зависимости от их температуры плавления (см., например, табл. 3):
Опр — 4,2 / пл,
где Тпл выражена в градусах Цельсия, а оПр—в кГ/см2. Связь прочности с температурой плавления объясняется тем, что как та, так и другая величина определяется энергией межмолекулярного взаимодействия. Заметим,
Рис. 16. Зависимости предела прочности от начальной температуры для тротила (/), гексогена (7/) и октогена (Iff)Рис. 16. Зависимости предела прочности от начальной температуры для тротила (/), гексогена (7/) и октогена (Iff)
Рис. 16. Зависимости предела прочности от начальной температуры для тротила (/), гексогена (7/) и октогена (Iff)
Рис. 16. Зависимости предела прочности от начальной температуры для тротила (/), гексогена (7/) и октогена (Iff)
однако, что полученная линейная зависимость (19) может быть принята лишь в первом приближении, так как механические характеристики могут в сильной степени зависеть, например, от полиморфизма, который является весьма распространенным для ВВ. Кроме того, исключение составляет дина, но она, как уже говорилось, не описывается и формулой (18) (средние значения РПр для дины показаны на рис. 14).
На примере октогена, гексогена и тротила изучалось влияние начальной температуры на предел прочности. Нагревание контролировалось термопарой, помещенной в образец. Динамический нагрев применялся в целях уменьшения возможного разложения ВВ. Измерение Рпр производилось при разных толщинах образцов, затем по формуле (18) находилось апр. Из рис. 16, на котором показано изменение предела прочности, видно, что он, как и следовало ожидать, с температурой понижается, обращаясь в нуль в точке плавления.
В металловедении изменение механических свойств рассматривают в связи с изменением соответственной тем-
пературы Т0/Тпл (в °К), считая, что при равных соответственных температурах следует ожидать одинаковой подвижности структурных элементов решетки или одинаковой степени теплового разрушения кристалла. Хотя это рассуждение в случае металлов более всего относят к изменению пластических свойств, оно хорошо иллюстрируется и нашими результатами по измерению о^р (как уменьшение прочности с увеличением начальной температуры, см. рис. 16, так и уменьшение прочности при нормальной температуре с уменьшением температуры плавления вещества связаны с уменьшением соответственной температуры). В теории обработки металлов давлением [74] считается, что при То/Тпл^ОД — 0,5 существенную роль в пластической деформации играет рекристаллизация, при более высоких значениях Т01Тпл все заметнее становятся релаксационные эффекты, и для описания деформационных свойств применяют модель вязкопластического тела при Т0/Тил >0,7— 0,8 и модель вязкой жидкости при TjTna > 0,8 — 0,9. Приведенные значения соответственных температур относятся к медленным процессам, вообще же они относительны: увеличиваются со скоростью деформации и уменьшаются с увеличением степени деформации. Во всяком случае при нагружении ударом эти значения должны быть выше. Некоторая аналогия со сказанным о металлах имеется и для твердых ВВ. Из осмотра большого числа осциллограмм давления и полученных из них диаграмм Р — е следует, что при приближении Т0/Тпл к единице спады давления выглядят менее резко и пластичность ВВ увеличивается. Замечается это, если ВВ имеет соответственную температуру Т0/Тпл ^ 0,9. В условиях медленного нагружения пластичность должна проявляться при меньшем граничном значении соответственной температуры. Известно, например, что прессуемость ВВ улучшается при повышении температуры, а при нормальной температуре хорошо прессуются низкоплавкие ВВ, такие как тротил (Т0/Тпл = 0,85), тетрил (0,75), дина (0,91), и плохо, как правило, прессуются те ВВ, температура плавления которых выше, чем тетрила (так, для плохо прессующегося тэна Т^ГГ^ = 0,72).
Таким образом, в условиях медленного прессования, как можно ориентировочно судить, граничное значение Тй!Тпл = = 0,72— 0,75, в то время как при нагружении тонких слоев ударом пластичность замечается при TjTnn^ 0,9. Хотя обсуждение механических свойств в связи с значением 58
соответственной температуры затрагивает лишь общие черты поведения ВВ и неясны пределы его применимости для разных ВВ (по-видимому, требуется учесть тип решетки, тип связи и т. д.), все же общая тенденция несомненна, и, может быть, небычное поведение дины каким-то образом связано с высоким означением соответственной температуры.
Зависимость давления, при котором фиксируется взрыв,от толидины заряда
Экспериментально полученная картина поведения ВВ (см. рис. 13 и 14) в основном совпала с предполагаемой (см. рис. 4), за исключением того, что давления Рвзр (средние значения), при которых фиксируется взрыв, располагаются не в области, а с точностью до ошибки измерений ложатся на кривую прочности. Давление, при котором происходит переход от разрушения к взрыву, естественно ассоциировать с критическим напряжением в приборе № 2 Ркр. В табл. 4
Таблица 4
Величины критических напряжений в приборе № 2 для различных ВВ
ВВ
^кр'^-\ кГ/см2
^кр» мм
Тротил
—11
—0,08
Пикриновая кислота
—9,5
-0,11
Тетрил .
-8,4
—0,12
Гексоген
7,0
0,25
Октоген
6,4
0,43
Тэн
4,8
0,27
приведены измеренные значения Ркр и йкр (толщина заряда, при которой в приборе № 2 разрушение сменяется взрывом). Для более точного определения Ркр и >р число испытаний в области перехода от разрушения образца к взрыву было увеличено. На рис. 17 для примера представлены результаты подобных измерений для гексогена; горизонтальной линией показано выбранное значение для величины Ркр; как видно,
Рис. 17. Разброс результатов измерений в области перехода от разрушения к взрыву при двух скоростях удара для гексогена
2,2 м{сек. • — ^ф, X—Рвзр; 4,4 м!сек: О^^пр, +—Bb3P
отклонение от него случаев взрыва (вниз) и случаев разрешения (вверх) относительно невелико (до 15 %); кривая прочности перенесена с рис. 15.
Как показали опыты, величина Ркр, определенная таким образом, не зависит в пределах ошибки измерений от давления прессования заряда (при одной и той же массе навески), дисперсности ВВ и скорости груза при соударении. Для иллюстрации независимости величины Ркр от скорости на рис. 17 приведены данные измерений при двух скоростях удара; 2,2 м)сек (/70 = 25 см) и 4,5 м!сек (Но^ 100 см).
Если судить по разбросу, то точность приведенных в табл. 4 величин близка к ±10%; знак «приблизительно» стоит у тех ВВ, hKp которых мало, что затрудняет измерения (столь тонкие слои не пропрессовываются) и точность в этом случае хуже.
Сделаем пояснение относительно характера осциллограмм, получаемых при разных толщинах заряда. При h<^hKp запись имеет вид, представленный на рис. 7, в, если энергия удара позволяет достигнуть давлений, превышающих условие
прочности; в противном случае осциллограмма имеет такой же вид, как при холостом ударе (см. рис. 7, а). Если h > ^/iKp, то могут иметь место осциллограммы двух видов (см. рис. 7, б, г): будет взрыв или нет, зависит от того, окажется ли после разрушения (или нескольких разрушений) и выброса части вещества оставшаяся толщина заряда меньшей, чем /гкр, и если окажется, то хватит ли оставшейся энергии удара (после сейсмических и других потерь), чтобы превзойти условие прочности.
Заметим, что так называемая стандартная навеска (0,050 г) соответствует в прессованном состоянии для органических веществ заряду толщиной /г ^0,4 мм. Сказанное позволяет объяснить такой факт, встречающийся в практике испытаний: при ударе по снаряженному прибору (навеска «стандартная») зафиксирован отказ, при повторном ударе с той же высоты происходит взрыв. При первом ударе энергия, оставшаяся после разрушения (или нескольких разрушений), оказалась недостаточной, чтобы достигнуть предела прочности остаточного слоя. При повторном ударе энергия вновь высока и продел прочности остаточного слоя достигается.
Если для вторичных ВВ большую часть интервала толщин зарядов, в котором производились измерения (0,1 л^^Л^1,0 ум), занимают разрушения и тротил, например, взрывает лишь при очень тонких зарядах, то для инициирующих ВВ во всем этом интервале происходят взрывы: осциллограммы давления для тетразена и ТИРС всегда имеют вид, изображенный па рис. 7, в, я для азида свинца и гремучей ртути —на. рис. 7, б, что связано, как уже говорилось выше, с разрушением датчика при взрыве. На азиде свинца и гремучей ртути также можно получить осциллограммы типа показанной на рис. 7, в, если использовать достаточно малые заряды и между зарядом и датчиком помещать промежуточный ролик (или два): тогда при взрыве происходит разрушение промежуточного ролика и датчик остается цел. Средние значения Рв3р в зависимости от толщины за- ряда приведены в табл. 5 (значения Рвзр даны в тыс. (I глг).
Было проверено, что на эти значения, как и ранее, не влияет давление прессования (при одной и той же массе навески) и скорость груза при соударении. Влияние дисперсности це изучалось.
Р^О^кГ/см2Р^О^кГ/см2О 0,2 0,40,60,81,0h,MMО 0,2 0,40,60,81,0h,MMРис. 18. Зависимости средних давлений при взрыве для инициирующих В В а—азид свинца; • — ТНРС, ■ —тетразенРис. 18. Зависимости средних давлений при взрыве для инициирующих В В а—азид свинца; • — ТНРС, ■ —тетразенПолученные значения Рвзр для инициирующих ВВ, как и в случае вторичных, хорошо укладываются в гиперболическую зависимость от А типа (18):
Р^О^кГ/см2
Р^О^кГ/см2
О 0,2 0,40,60,81,0
h,MM
О 0,2 0,40,60,81,0
h,MM
Рис. 18. Зависимости средних давлений при взрыве для инициирующих В В а—азид свинца; • — ТНРС, ■ —тетразен
Рис. 18. Зависимости средних давлений при взрыве для инициирующих В В а—азид свинца; • — ТНРС, ■ —тетразен
что показано на рис. 18. Значение константы С для каждого из инициирующих также приведено в табл. 5. Используя аналогию с вторичными ВВ (см. рис. 13), можно было бы эту константу толковать как предел прочно-
сти, однако подобная зависимость может быть связана не только с пределом прочности, но и с
достижением напряжения, приводящего к определенной (одной и той же при разных h/D^ степени деформации, так как для упрочняющегося тела зависимость напряжения от деформации взаимооднозначна (монотонно возрастает).
Таблица 5
Средние значения давлений (в тыс. атм^ при которых фиксируется взрыв, в зависимости от толщины заряда (инициирующие ВВ)
ВВ
Толщина зарада А, мм
С10-«, 1 кГ jcM2 I
0,15
0,20
0,25
0,35
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
Азид свинца
17,0
—
9,8
6,9
5,6
5,1
5,0
1,551
ТНРС
—
—
11,6
7,5
6,1
5,3
—
4,0
—
3,7
1,221
Тетразен
10,2
—
7,1
4,8
3,6
3,4
—
2,4
2,2
2,2
0,75 I
Пока лишь можно утверждать, что предел прочности инициирующих ВВ нс меньше полученных значений константы С. Что касается величины критического напряжения в приборе № 2 для этих ВВ, то она должна лежать ниже 62
измеренных значений Рвзр (см. табл. 5), если эта величина вообще существует (этот вопрос связан с температурой плавления инициирующих ВВ).
Выше говорилось, что экспериментально полученная картина поведения ВВ в основном совпала с предполагаемой (по крайней мерс для вторичных ВВ), за исключением того, что Рвзр заполняют нс область (см. рис. 4), а совпадают с кривой прочности (см. рис. 13). Обратим, однако, внимание па следующее: предполагаемая картина относилась к условиям образования эффективного очага, а экспериментальная картина построена по данным взрыва. Поэтому аналогию между этими «картинами» можно проводить только в том случае, если реальный период индукции мал настолько, что в условиях удара можно пренебречь разницей между тем давлением, когда эффективный очаг образовался, и давлением Рвзр, при котором этот очаг воспламенился. Заметим также, что только в этом случае можно интерпретировать минимальную величину Рвзр, которую обозначим через РВЗр. мин> как Ркр.
Поэтому перед обсуждением факторов, определяющих возбуждение взрыва в приборе № 2 в свете полученных [^зультатов, рассмотрим вопрос о периоде индукции эффективного очага до взрыва.
§ 4. Критические условия деформации
Об адиабатическом периоде индукции
Осциллограммы давления (см. рис. 7, в) дают время задержки взрыва от начала удара т3. Эго время при сбрасывании груза с высоты 25 см и толщине образца h ^ Акр составляет для разных ВВ примерно 100 — 200 мксек. 11ри увеличении скорости удара, например в 2 раза (Яо =
100 см, минимальное давление Рвзр.мин (А = Акр), при котором фиксируется взрыв, не изменяется (см. рис. 17), в время задержки уменьшается до 50— 100 мксек. Следовательно, период индукции в этих случаях по порядку величины нс превышает 10-4 сек.
Проведем более точный анализ. Используем для этого осциллограмму давления в случае взрыва (см. рис. 7, в). Изменим временную координату так, чтобы по новой координате
^ад f^ад fРис. 19. К определению адиабатического периода индукцииРис. 19. К определению адиабатического периода индукцииГ = т3 — / (/ — старая координата) момент взрыва был при V = 0, а начало удара при V = т3, т. е. будем отсчитывать время от момента взрыва к началу удара. На рис. 19 (кривая /) схематически показана в новых координатах интересующая нас часть осциллограммы давления (от начала удара до момента взрыва при Рвзр). Теперь пусть при любом давлении (для простоты будем считать, что давление по всему ролику одинаково и равно среднему Р) возникают горячие очаги, температура которых равна температуре плавления при этом давлении, т. е. каждому значению Р соответствует определенная температура Т = 7ПЛ = 7ПЛ(Р). Примем приближенное соотношение для зависимости температуры плавления от давления
^ад f
^ад f
Рис. 19. К определению адиабатического периода индукции
Рис. 19. К определению адиабатического периода индукции
Тпл (Р) - Т^ + аР.
Каждому значению температуры Т в свою очередь отвечает определенное значение адиабатического периода индукции Тад. Если нанести зависимость адиабитическо- го периода индукции от температуры на тот же график (см. рис. 19), то в принципе могут быть три случая: эта зависимость (кривая //) не имеет общих точек с кривой /, тогда не может быть у взрыва при /' = 0; зависи- 64
мость (кривая ///) дважды пересекает кривую /, тогда взрыв должен был бы произойти до того момента, когда он реально произошел; и, наконец, зависимость адиаба- шческого периода индукции от температуры (кривая /V) имеет одну общую точку с кривой /. Последний случай единственно реальный при таком подходе. Из условий КаСаНИЯ КрИВОЙ /—Р = Р^ И ЗаВИСИМОСТИ Тад=Тад (7) имеем:
Т = Тпл + аР,
Г'
(20)(20)^ад — (Рвзр Р) ——,dP^тад dt'Ct —— = ,dT dP
(20)
(20)
откуда легко получается, что
Рвзр —RT2Р ^Е(Т-ТИЛ/RT^ТаА " Е(Т-ТИЛ)
При получении этого результата использовано два предположения:
давление по ролику одинаково, т. е. Р = Р;
температура горячего очага при любом давлении равна соответствующей температуре плавления.
[Первое предположение несущественно, так как результат не изменяется; если истинное давление в очаге растет пропорционально среднему, т. е. PllCT~kP(k — коэффициент пропорциональности). Второе предположение явно неверно, так как по нему уже в начале удара (начале деформации) должен был бы образоваться очаг (очаги) с температурой, равной нормальной температуре плавления, т. е. должен был бы произойти мгновенный разогрев от То до Тпл. Поэтому заменим это предположение другим, а именно: естест- пышо полагать, что разогрев увеличивается с увеличением деформации и напряжений (следовательно, и Р) и достигает температуры плавления лишь вблизи Рвзр- Возможная кине-
(21)(21)i. Т. Афанасьев, В. К- Боболев65
(21)
(21)
тика разогрева при этом иллюстрируется на рис. 19 пунктирными прямыми. Для любой из таких прямых dTfelt' <2 <С adP/dt' (вообще говоря, прямолинейность их, пропорциональность роста температуры с уменьшением V несущественна, важно лишь, чтобы это неравенство соблюдалось вблизи ^взр). Теперь уже может осуществляться не только случай касания кривой зависимости адиабатического периода индукции от температуры ЦУ) с кривой /, но и случай пересечения кривой этой зависимости (///) с кривой /, лежащей выше точки касания зависимости тад = тад(Т) с пунктирными прямыми. Все они учитываются следующим соотношением:
dx dVа ——
dT dp
Заменяя последнее из выражений системы (20) на соотношение (22), получаем окончательный результат:
Рвзр — РрРвзр — РрRT2RT2£(Т-ТПЛ) *RT2£(Т-ТПЛ) *RT2ададI а.^-^пл)I а.^-^пл)Следует подчеркнуть, что этот результат справедлив независимо от того, происходит ли рост температуры в одном и том же горячем очаге или в каждый следующий момент образуются новые очаги с большей температурой. Полученный результат относится ко всем случаям взрыва: как к Рвзр, так икРвзр.мш,. Взрыв, как мы знаем, происходит, если достигнута температура не меньше критической, т. е. при Т > Ткр. Оценка по (23) показывает, что для большинства вторичных ВВ от Т = Ткр и по крайней мере до Т = = 1000°К в нашем случае (т3 = 10~4 сек.):
Рвзр — Рр
Рвзр — Рр
RT2
RT2
£(Т-ТПЛ) *RT2
£(Т-ТПЛ) *RT2
ад
ад
I а.
^-^пл)
I а.
^-^пл)
взр '—взр '—адад\ V,1 Г взр,10"5 (сек.),
взр '—
взр '—
ад
ад
при ЭТОМ, В частности, Рвзр—Ркр^ 0,1 Двзр.мин- Поскольку (Рвзр—Р), а также (Рвзр.мин—Ркр) не превышают ошибки измерений, то можно считать, что аналогия между экспериментально полученной картиной поведения ВВ (рис. 13) и предполагаемой (рис. 4) правомочна и что мы экспери-
ментально определили Р^ для различных ВВ (см. табл. 4). Этот же факт может служить объяснением независимости измеряемых величин Рвзр, в том числе и Рвзр. мип ^ Ркр, от скорости удара.
Условие прочности
После изложения экспериментальных результатов по механическим свойствам ВВ, механике снаряженного удара и средним давлениям, при которых происходит разрушение Р пр или взрыв заряда Рвзр, обратимся опять к предполагавшейся картине «поведения» ВВ в приборе X® 2. При составлении этой картины мы исходили в целях упрощения из представлений о механических свойствах ВВ по результатам обычных ^h!D^\^ изотермических испытаний и из решения задачи по изотермической деформации тонкого диска. При этом мы заранее были готовы встретиться в реальном случае со сколь угодно сильными отклонениями от предлагаемой картины из-за влияния неизотермичности. И довольно неожиданным является то, что проведенные опыты не показали никаких заметных эффектов неизотермичности, кроме самого факта возбуждения взрыва. Действительно, хорошо выполняется решение изотермической задачи; энергия деформации заряда мала и к тому же она либо наполовину, либо почти вся упругая; кроме того, заряды при нагружении ударом хрупко разрушаются, претерпевая до разрушения деформацию, близкую к упругой.
Оцепим тепловой эффект деформации, считая, что упругая и неупругая деформации одного порядка, как эго обычно имеет место для хрупких поликристалличе- ских тел, т. е. е = 0,1 (в — относительная деформация). Пусть деформация происходит при максимальном напряжении, равном пределу прочности (сгпр= 3504- -41250 кГ!см?У температура, соответствующая такой степени деформации, будет равна
Jcp
(7-0,42/ нГм/кал— механический эквивалент тепла). Учитывая, что эта оценка еще и завышена, можно сде-
дать (Следующий вывод: предел прочности достигается практически изотермически и взрыва до разрушения быть не может. Вместе с тем выше мы видели, что взрыв происходит до спада давления, являющегося результатом разрушения или взрыва. Отсюда следует, что образование очага и взрыв происходят во время (в процессе) разрушения. С этой точки зрения совпадение точек взрыва с кривой прочности (см. рис. 13) представляется совершенно естественным.
Как было показано выше, период индукции в наших опытах тад^10-5 сек. Каково же время разрушения? Разрушение и движение вещества начинаются на свободной поверхности. Спад давления не может произойти раньше, чем волна разрушения достигнет оси заряда. Отсюда время разрушения не может быть меньше времени прохождения волны разрушения. Поскольку скорость последней не превышает скорость звука (например, трещины распространяются со скоростью в 2—3 раза меньшей, чем скорость звука), то время разрушения в наших условиях (D = 10 мм) по порядку величины составляет 10-5 сек. Таким образом, период индукции и время разрушения согласуются ио порядку величины.
Интересно оценить величину деформации, необходимую для образования критического разогрева: оценка производится так же, но с той лишь разницей, что большие деформации принято характеризовать логарифмом относительной деформации (логарифмическая деформация). Получаем следующее (заниженная оценка):
In 6 = /СР Ю ™ 40.
Такая колоссальная деформация невозможна на хрупких материалах. Имея в виду такую деформацию, следует думать скорее о жидкости, чем о твердых телах. Поскольку нас интересует вообще необходимый тепловой эффект неупругой деформации, то для твердых тел существует только один такой процесс, который не ограничен величиной деформации до предела прочности, а именно, трение. Эти соображения в какой-то мере могут служить ориентиром при исследовании процесса механического разогрева.
Таким образом, выяснено, что инициирование взрыва в приборе № 2 осуществляется при прочностном разрушении, если выполнено условие критических напряжений: Р > Ркр. Обратимся снова к инициирующим ВВ. Теперь ясно, что для них не только выполняется гиперболическая зависимость Рвзр от h/D, но и то, что взрыв не мог произойти до того» как начинается прочностное разрушение. Таким образом, константа С в экспериментальной зависимости (19) является не чем иным, как пределом прочности сгпр. Если теперь допустить, что для инициирующих ВВ выполняется полученная эмпирическая зависимость предела прочности от температуры плавления (как мы видели, она выполняется не только для органических соединений): опр (кГ/сл?) ^ 4,2 Тпл (°C), то она может быть использована для предсказания их температур плавления. В табл. 6 приведены для инициирующих ВВ пределы прочности, соответствующие им температуры плавления и температуры вспышки при 5-секундной задержке.
Таблица 6
Значения пределов прочности, температур плавления и вспышки для инициирующих ВВ
вв
Уцр, кГ 1см?1
^пл» °с
Тор
1 ВСП’
Азид свинца
1550
(370)
345
ТНРС
1220
(290)
265
Тетразен
750
(180)
154
Подобное предсказание температур плавления для инициирующих ВВ, по-видимому, не может иметь хорошую точность, хотя бы из-за того, что сама использованная эмпирическая зависимость дает разброс ±10%. Тем нс менее получившиеся значения температур плавления прямых возражений не вызывают, так как все они лежат выше температур вспышки. В дальнейшем, обсуждая вопрос о существовании критических напряжений для инициирующих ВВ, мы будем ориентироваться на них как на возможные значения температур плавления этих В В.
Имея в виду основную задачу этой главы — исследование критических условий возбуждения взрыва в
приборе № 2,— подведем итоги результатов тензометрических измерений. Эксперименты, поставленные в соответствии с предполагаемой картиной «поведения» ВВ (см. рис. 4), достаточно полно выяснили механическую сторону этой картины. В отношении возбуждения взрыва эта картина получила конкретизацию: образование локального разогрева и взрыв происходят в процессе прочностного разрушения заряда. Показано, что критическими условиями возбуждения взрыва в приборе № 2 являются условия прочности:
пр ипрпр ипрD3 УзиD3 Узи
пр ипр
пр ипр
D
3 Узи
D
3 Узи
и условие критических напряжении:
^ ' кр-
Найдено, что величина критического напряжения в приборе № 2 не зависит от скорости воздействия. Вопрос о зависимости Ркр от /? и hID остался открытым и будет выясняться в следующей главе при разборе механизма локального разогрева. Рассмотрим, в довершение этой главы, причины вероятностного характера испытаний ВВ на копре и получим с помощью определения частости взрывов некоторые дополнительные результаты.
§ 5. Частость взрывов
Кривые частости
Наиболее распространенным типом испытаний ВВ на чувствительность является копровая проба, которая заключается в следующем: задавая высоту падения груза, находят, возбуждается ли взрыв при дайной энергии удара, или нет. Особенностью таких испытаний является то, что в некотором диапазоне при одной и той же энергии удара встречаются случаи со взрывом и случаи без взрыва. Поэтому производят ряд опытов на каждой высоте сбрасывания груза и определяют так называемую частость взрывов f=NB3p/N1 где Л/Пзр— число взрывов, N — общее количество испытаний (обычно ^ = 25). Зависимость / от высоты сбрасывания Щ (или энергии удара №0) называют кривой частости. Поскольку подход к возбуждению взрыва как к следствию
образования эффективного локального разогрева при деформации заряда в целом не содержит никакого вероятностного момента, то вопрос о вероятностном характере испытаний вызывает особый интерес.
Вероятностный характер испытаний, по-видимому, ■связан с разбросом величин, определяющих возбуждение взрыва. Естественно ожидать, что этот разброс подчиняется нормальному (гауссовскому) закону отклонения величин от их среднего значения. Кривые частости, будучи построены в координатах частость f — энергия удара Wo, имеют несимметричную форму. В координатах же /— ^о они приобретают симметрию и могут быть описаны нормальным распределением вероятностей. Это свидетельствует о том, что возбуждение взрыва при ударе определяется величинами, пропорциональными корню из энергии удара. Таких величин две: давление, развиваемое при ударе, и скорость груза в момент соударения. В результате тензометрических измерений было показано, что критические условия возбуждения взрыва в приборе № 2 связаны с давлением и что от скорости удара они не зависят.
Обратимся к условию прочности, которое, как и условие критических напряжений, является критическим условием возбуждения взрыва. Поскольку взрыв инициируется при прочностном разрушении, то разброс величин Рвзр около их средних значений следует рассматривать как разброс прочности зарядов. Заметим, что относительные отклонения измеряемых величин РПр и Рвзр от их средних значений примерно одинаковы при любом h (см. рис. 15) и достигают довольно значительной величины (±25%). Таким образом, вероятностный характер испытаний объясняется разбросом прочности зарядов. В свою очередь, однако, возникает вопрос о причинах этого разброса. По-видимому, причиной разброса является неоднообразие (термин Холево) изготовляемых зарядов, связанное с прессованием тонких слоев. Действительно, если тонкие слои, с одной стороны, позволяют достичь высоких давлений на малопрочной среде и поэтому необходимы для возбуждения взрыва, то, с другой стороны, тонкие слои препятствуют пропрессовке заряда и получению зарядов хорошего качества (даже при очень высоких давлениях прессования плотность остается примерно на 10% ниже плотности
монокристалла). Взаимообусловленность этих факторов, по-видимому, и приводит к тому, что при всем разнообразии методов испытаний мы везде сталкиваемся с частостью взрывов.
f to
Рис. 20. Зависимости частости взрывов от энергии удара для октогена при разных толщинах заряда
X —0,30 мм (I), О — 0,35 мм Uh.V —0,40 ям ЦН)
1,01,52,0 2,53,0
М,кГм 14
Исходя из кривых прочности (и отвлекаясь при этом от разброса) и критических условий возбуждения взрыва в приборе № 2 (условие критических напряжений и условие прочности), построим для этого прибора зависимость / = = / (Ц70), причем пусть / принимает значение, равное единице, если критические условия выполняются, и равное нулю в противоположном случае. Такую зависимость назовем идеальной и будем сравнивать ее с экспериментальной кривой частости. Если энергия удара такова, что максимальное давление при холостом ударе Р,п (см. рис. 9) меньше, чем величина критического напряжения Ркр, то при любой толщине заряд а_ взрыва быть не должно. Если энергия удара ^0>U70(PKp), то возможны два случая.
пр ^прпр ^пр3 Из h3 Из hПервый случай — Л ^ /гкр (осциллограмма давления, см. рис. 7, в\ Взрыв должен происходить всегда, когда максимальное давление холостого удара Рпг больше, чем давление, требующееся по условию прочности
пр ^пр
пр ^пр
3 Из h
3 Из h
тогда / = 1 при №0тогда / = 1 при №0
тогда / = 1 при №0
тогда / = 1 при №0
№0 (Ркр) и / = 0 при ^ < ^(Рпр).
Таким образом, используя зависимость Рвзр = Рвзр (К) (см. рис. 13) и l^o = №0 (Рт) (см. рис. 9) для разных ВВ
и любого /i^/iKp, можно найти граничное значение энергии удара U70, при которой идеальная функция f скачком переходит от 0 к 1. Эти значения нанесены на рис. 20 пунктирными вертикальными линиями. На этом же рисунке даны экспериментальные точки по частости взрывов; кривые частости нанесены сплошными линиями. Граничные значения U^o> найденные по результатам тензометрических измерений, практически совпадают, как видно из рисунка, с точками 50% взрывов (/ = 0,5) на кривых частости.
Сделаем некоторые замечания о ширине кривых частости, т. е. ширине области, в пределах которой частость изменяется от нуля (Н7о — нижний предел кривой частости) до единицы (1Го — верхний предел).
В идеальном случае IFo = 1Го и равно вычисленному граничному значению энергии удара. В реальном случае И^о—l^o^O- Как уже говорилось, относительные отклоне ния измерявшихся величин Рвзр и Рпр от их средних значений примерно одинаковы при любом к, поэтому при уменьшении к и соответствующем возрастании Рпзр увеличиваются абсолютные отклонения. Это обстоятельство вместе с тем, что с увеличением максимального давления холостого удара Рт уменьшается dPmfdW0 (см. рис. 9), должны приводить к увеличению ширины кривых частости U7q — ^о с уменьшением к. Приведенные на рис. 20 кривые частости хорошо следуют такому выводу. Наименьшая ширина кривой частости должна наблюдаться при к = kwp.
Второй случай—к^к^ (осциллограммы давления, см. рис. 7, б, г). В этом случае при достижении давления Рпр, определяемого условием прочности, условие критических напряжений Р ^ Ркр не выполняется, так как при к 2> ккр РпР<^Р^ и происходит разрушение заряда, при котором толщина заряда уменьшается до некоторой величины кх (выброс части заряда) и энергия удара уменьшается на А^ за счет сейсмических и других потерь. Уменьшенной энергии удара (U70 — Д^) соответствует и меньшая величина максимального давления Рт, развиваемого при холостом ударе. В случае кк ^ ккр и Рт^ ^np^i) > Р^р должен быть взрыв, в случае кк ^ ккр и Prn <Г Рпр Qi^ взрыва быть нс должно, в случае кк^>ккр и Рт< PnpW не должно быть
ни^взрыва, ни последующего разрушения; в случае ^^ккр и Рт > Рир (Ат) должно произойти второе разрушение, при котором толщина заряда уменьшится до некоторого А2, а энергия удара до (U70 — Д^ — AU72) и опять же возбуждение взрыва должно зависеть от соотношения А2 и Акр, а также Р"п, Ркр и Pnp^h\
Какова бы ни была начальная толщина заряда, взрыв может быть только при А^Апр. Число разрушений образца зависит от энергии удара, начальной толщины заряда, общей длины роликов штемпель-аппарата и общего объема роликов. Граничное значение энергии удара, при котором должен быть скачок идеальной функции f от нуля до единицы, может быть найдено следующим образом:
Pm - Кг (Wo - AW\ - д«72 -.. . -ДЦ7П) =КР (hn) > Ркр, (24) причем
^П—1 Акр.
Для нахождения граничного значения 11% требуется иметь довольно большое число побочных зависимостей, которые отдельно не изучались. Из большого числа осциллограмм давления и рассчитанных из них диаграмм Р— AAL следует, что изменения ДА/ и Дй%, происходящие при каждом разрушении, имеют значительный разброс. Поэтому кривые частости, обусловленные именно разбросом, в области А> >hKp должны быть весьма широки, во всяком случае шире, чем при h = Акр. Действительно, испытания вторичных ВВ при «стандартной» навеске (50 жг), которой приблизительно соответствует А = 0,4 мм прессованного заряда (как мы видели у всех испытанных вторичных ВВ, кроме октогена, АКр <Г 0,4 мм), дают довольно растянутые кривые частости, и для ряда ВВ вообще трудно получить высоту сбрасывания, при которой наблюдается 100% взрывов (/ = 1), впрочем последнее связано с аномалией кривых частости. В табл. 7 и на рис. 21 представлены данные по частости взрывов для некоторых ВВ.
Кривая частости для октогепа при толщине заряда 0,5 мм приведена в качестве примера нормального хода кривой частости. Тротил, тетрил и даже гексоген являются случаями аномалии, так как, увеличивая энергию удара, мы должны всегда, согласно выражению (24), получить f=l. Тем не менее тетрил, начиная взрываться после энергии удара 11%= 1,5 кГм, при увеличении энергии не дает никакой кривой частости, частость взрывов
независимо от энергии удара колеблется между 0 и 0,24. Тротил же вообще не взрывается в приборе № 2 при «стандартной» навеске, хотя осциллограммы давления показывают, что при высоких энергиях удара как для тро-
всех разрушений достигавсех разрушений достигаРис. 21. Зависимости частости взрывов от энергии удара для тетрила (~) и гексогена (А) при толщине заряда 0,4 лм и для октогена (Cj при толщине заряда 0,5 мм
всех разрушений достига
всех разрушений достига
тила, так и для тетрила после
ются давления, значительно превышающие РКр . Объяснение этой аномалии будет предложено в следующей
главе. Таблица 7
Процент взрывов для гексогена, тетрила и тротилапри «стандартной» навеске (50 лег и Л^0,4 леле) и для октогена(h—0,5 леле)
0,5
0
0
—
—
0, 6
0
—
—
—
0,8
12
—
—
—
1,0
48
20
—
0
1,5
68
36
—
—
2,0
—■
48
—
—
2,5
96
52 и 68
16 и 0
0
3,0
100
64
4
—
3,5
—
72
16 и 0
—
4,0
100
84
8
—
4,5
—
—
16 и 4
—
5,0
—
80
—
—
5,5
—
24
—
6,0
92
8
—
6,5
—
—
16
—
10,0
—
—
—
0
Энергия удара, кГм
ОктогенГекс оген
T етрил
Тротил
Рассмотрев поведение идеальной функции /=/(№о) и реальных кривых частости в двух случаях Ао ^ Акр и Л>Лкр, можно отметить хорошее согласие между ними и сделать вывод относительно ширины вероятностной области: наименьшая ширина этой области должна быть при А0=Акр.
Изменение частости взрывов с толщиной заряда
Так как толщина заряда Л (отношение h/D) при возбуждении взрыва в приборе № 2 играет во многом определяющую роль, то представляет интерес исследовать зависимость f = / (Л) при постоянной энергии удара. Исходя, как и ранее, из критических условий возбуждения взрыва при ударе в приборе № 2, построим идеальную зависимость f=f (^), причем /=1, если критические условия выполняются и / =0 в противоположном случае. Пусть затем энергия удара такова, что максимальное давление при холостом ударе Р,п больше, чем Ркр- Тогда для
3/3 (Рт-апр)
условие прочности нс достигается и f =0 (рис. 22). При некотором й2>Лкр рассматриваемая функция также обращается в нуль, ибо чем больше А, тем больше разрушений, и, следовательно, больше сейсмические и другие потери. Возрастание потерь энергии при увеличении А должно привести
Рис. 22. Идеализированная зависимость частости взрывов от толщины заряда при постоянной энергии удара
Рис. 23. Зависимости частости взрывов от толщины заряда при одной и той же энергии удара (2,5 «Гм для разных В В
□ — октоген; X —гексоген; △ —тетрил; О— пик-риновая кислота; -Iтротил
к тому, что (24) не выполнится, и тогда / =0. Ожидаемая зависимость f = f (К) при постоянной энергии удара представлена на рис. 22. (Эта зависимость упрощена в области h>hKpi где она должна принимать дискретный характер.) Экспериментальные значения частости взрывов при разных толщинах заряда даются для октогена, гексогена, тетрила, пикриновой кислоты и тротила в сводной табл. 8 и на рис. 23; при этом энергия удара постоянна и равна 2,5 кГли
При уменьшении энергии удара, как это следует из предшествующего объяснения, область ^^^кр^^г» гДе f =L должна уменьшаться и в пределе ht->hKp и h^^hKp. Экспериментальные зависимости f = f (К) при разных энергиях удара показаны на рис. 24 (октоген). Соответствующие данные помещены в табл. 8.
Как видно из рис. 23 и 24, эксперимент хорошо подтверждает развиваемые представления: максимум частости наблюдается при тех же величинах Нкр) которые были определены выше тензометрическим методом (рис. 13). В пределе минимальная энергия, которая еще способна возбудить взрыв, должна быть такова, чтобы соответствующее ей максимальное давление Ргп (см. рис. 9) было бы равно Ркр.
Рис. 24. Зависимости частости взрывов от толщины заряда для октогена при разных энергиях удара □ — 2,5 кГм; Л — 1,0 кГм; О — 0,8 кГмРис. 24. Зависимости частости взрывов от толщины заряда для октогена при разных энергиях удара □ — 2,5 кГм; Л — 1,0 кГм; О — 0,8 кГм
Рис. 24. Зависимости частости взрывов от толщины заряда для октогена при разных энергиях удара □ — 2,5 кГм; Л — 1,0 кГм; О — 0,8 кГм
Рис. 24. Зависимости частости взрывов от толщины заряда для октогена при разных энергиях удара □ — 2,5 кГм; Л — 1,0 кГм; О — 0,8 кГм
Этот предел характеризуется тем, что величина критического напряжения Ркр равна давлению по условию прочности, т. е. для /2кр получаем выражение
^кр — _■(2о)
3 /3 (Ркр - %)
При этом в идеальном случае для всех h^h^ и h<^hKp f =0, и взрыв возбуждается только при /г = hKp.
если РкР^2,6ацР.если РкР^2,6ацР.Рассмотрим теперь, как влияет на возбуждение взрыва в приборе № 2 начальная температура. Мы видели, что максимум частости взрывов находится в точке h = /гкр (см. рис. 24). С увеличением начальной температуры /iKp будет уменьшаться, согласно (25), так как предел прочности с температурой падает. Это должно привести к тому, что кривые f — f (/С) будут смещаться в сторону меньших А, т. е. частость взрывов должна возрастать для h<^hKp и падать для /1>йкр. Нами была определена зависимость частости взрывов от толщины заряда для октогена при нормальной температуре и 130° С (Ц7о=1,О кГлг, см. табл. 8).
если РкР^2,6ацР.
если РкР^2,6ацР.
оз eJ s
^
\o03
f
Рис. 25. Зависимости частости взрывов от толщины заряда для октогеи а при разных начальных температурах (энергия удара 1.0 кГлг)
△ — 20°С; О — 130°С
Результаты приводятся на рис. 25 и полностью подтверждают сделанное заключение о влиянии начальной температуры. Другим подтверждением могут служить опыты Васильева [36], в которых для вторичных ВВ наблюдалось падение частости взрывов с увеличением температуры в приборе № 2 при «стандартной» навеске (50 яг). Таким образом, изменение частости взрывов в приборе № 2 при изменении начальной температуры связано только с изменением прочности ВВ.
Таблица 9
Значения толшин зарядов /гкр (в М-М), при которых происходит переход от разрушения к взрыву (прибор № 2)
ВВ
По измерениям давления
По пику частости
Октоген
0,43
0,42—0,43
Гексоген
0,25
0,25
Тетрил
-0,12
-0,10—0,13
Тэн
0,27
0,27
Тротил
-0,08
-0,10
Сравним результаты, полученные двумя независимыми методами: определением частости взрывов и пзмере-
ния давления. В табл. 9 приводятся величины /?кр, при которых наблюдается пик частости взрывов (см. рис. 23 и 24). Как видно, расхождение результатов двух независимых методов не превышает ошибки тензометрических измерений. Поскольку определение частости взрывов производилось при большем числе испытаний, чем измерение давления, то хорошее согласие результатов, полученных тем и другим методами, дает дополнительное подтверждение критическим условиям возбуждения взрыва в приборе № 2.
Выводы
Ограничение периода индукции очагового теплового взрыва временем удара (10 Зсек.) позволяет оценить критические температуры разогрева. Составляя для большинства вторичных ВВ 400—600еС, они намного превышают их температуры плавления. Поэтому для образования эффективной «горячей точки», согласно положению о плавлении как границе локального разогрева, требуется приложение высоких давлений (порядка 104 кПсм2). Из-за малой прочности вторичных ВВ (порядка 102 кГ}см2) получить такие давления при неупругой деформации можно только в особых условиях, наиболее распространенным примером которых могут служить условия деформации в тонких слоях. Характерно, что во всех методах, предлагавшихся для испытаний В В на чувствительность, осуществляется именно деформация в тонких слоях.
Измерения давления при ударе по тонкому слою (прибор № 2) показали, что все испытанные ВВ (тротил, пикриновая кислота, тетрил, тэн, гексоген, октоген) и инертные органические вещества после деформации, близкой к упругой, испытывают прочностное разрушение, которое сопровождается выбросом части вещества из области сжатия и резким спадом давления. Средние значения давлений Рпр, при которых происходит разрушение образцов, хорошо описываются гиперболической зависимостью
D X3^3/г/D X3^3/г/
D X
3^3/г/
D X
3^3/г/
где аПр—предел прочности; h и 1/— высота и диаметр образца.
Эта зависимость аналогична зависимости, применяющейся в теории обработки металлов давлением для пластического тела. Если Рпр превосходит некоторую критическую величину Р кр (критическое напряжение з приборе № 2), то вместо разрушения фиксируется взрыв. Средние значения давления Р Зр,прп которых фиксируется взрыв, хорошо описываются той же зависимостью. Объяснением этому служит то, что образование локальных разогревов и возбуждение взрыва происходят в процессе прочностного разрушения заряда.
Обработка экспериментальных записей давления в случае взрыва методами теории теплового взрыва позволила оценить период индукции самовоспламенения «горячей точки»: но порядку величины он не превышает Ю"5сск. (соответствующий критический размер «горячей точки» составляет 10 4 щи).
С помощью полученных критических условий возбуждения взрыва — условия прочности и условия критических напряжений — простое объяснение получили наблюдающиеся зависимости частости взрывов от энергии удара, толщины заряда и начальной температуры.
ГЛАВА II
МЕХАНИЗМ РАЗОГРЕВА ВВДО КРИТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР
О неизометрической деформациипластических тел
В предыдущей главе было выяснено, что эффективный локальный разогрев при возбуждении взрыва ударом в приборе № 2 может образоваться только в процессе прочностного разрушения, если удовлетворяется условие критических напряжений. На данном этапе изучения естественно исследовать более широкий вопрос, а именно, как вообще при разрушении твердого тела может образоваться разогрев с температурой, равной (или приблизительно равной) температуре плавления. Такого вопроса, как и вообще вопроса о неизотермических эффектах при разрушении, -связанных с неуиругон деформацией, в литературе по -прочности не ставилось. Исследование в области разрушения твердых тел (главным образом металлов) ведется экспери ментальными способами, при этом в основном изучается характер поверхностей разрушения в тех условиях, которые экспериментально наиболее обозримы, чаще всего при растяжении (разрыве). В таких условиях неизотериические эффекты, по-видимому, незначительны, хотя, как установлено, разрушение не может быть абсолютно хрупким: на поверхности разрушения всегда имеются следы пластической деформации.
Существующие теории прочности процесса разрушения не рассматривают, они определяют лишь момент, когда оно должно начаться. Подобные работы для интересующего нас вопроса ничего не дают. Обычно принимаемые условия прочности по форме аналогичны условиям текучести, используемым в теории пластичности: последняя же, однако, находит не только то, как и где
они достигаются, по главным образом рассматривает протекание пластической деформации при действии этих условий. Пластическое течение и последующее разрушение в твердых телах методами теории пластичности исследовалось Томасом [77] (подход, конечно, был изотермический); при этом за поверхность разрушения принимались незатухающие разрывы скольжения (поверхности разрыва скоростей деформации). Поставленные затем эксперименты хорошо подтвердили сделанные расчеты. Поступим в какой-то мере так же, а именно: будем искать интересующие нас нензотермические эффекты (и 'необязательно при разрушении), рассматривая поведение пластических сред. Это, с одной стороны, придаст рассуждению общность и, с другой стороны, позволит воспользоваться результатами области, хорошо разработанной теоретически.
Остановимся прежде всего па причинах локальности разогрева и, в частности, па том, насколько обязательным является случай именно локального разогрева. Разогрев должен происходить тогда, когда тепло, выделяющееся при -пластической деформации, не успевает отводиться из зоны деформации. К локальности разогрева должна приводить неоднородность деформации по объему деформируемого тела. Таким образом, в условиях достаточно быстрой деформации причины неоднородности пластической деформации суть причины локальности разогрева. Равномерный же разогрев должен получаться при однородной деформации. Возможных случаев однородной деформации, кроме тривиального и не интересного для нас случая упругого всестороннего сжатия (растяжения), всего три: простое растяжение, простое сжатие и чистый сдвиг. Обсудим, в каких из этих случаев деформация различных пластических тел дей ст в ите л ьно однородна.
Описание упруго-пластических деформаций теория пластичности производит с помощью двух моделей: идеалыю-пластического тела и упрочняющегося тела, которыми охватываются пластические свойства реальных материалов. Вид зависимости между напряжением а и деформацией е для этих тел при простом (одноосном) сжатии — растяжении представлен на рис. 26, а. При нагружении этих тел сначала происходит упругая деформация. После того как величина напряжения дости-
Рис. 26. К обсуждению поведения пластических lea при непзотсрмической деформации
гает значения <т = (У$, дальнейшая деформация идеально- пластического тела протекает .при постоянном напряжении, равном пределу текучести ск, а упрочняющегося тела при возрастающем напряжении вследствие роста тре- дела текучести с деформацией (скорость роста предела текучести с деформацией D^dckU, называют модулем пластичности). Модуль .пластичности D, будучи характеристикой пластических свойств тел (для упрочняющегося тела D>0, для идеально-пластического 7) = 0), может быть также использован в качестве величины, характеризующей способность различных тел к однородной деформации (заметим, кстати, что упругое тело может рассматриваться как предельный случай упрочняющегося тела при D = E). Переход от однородной деформации к неоднородной связан с неустойчивостью деформации, причем модуль (пластичности, по Качанову [78], является показателем пластической «устойчивости» материала. Родственной к задаче исследования устойчивости деформации является задача исследования единственности решения [79] (в том и в другом случае рассматриваются вариации от решения по деформациям); при этом зачастую отсутствие единственности решения ведет к неустойчивости. Используя это обстоятельство, систематизируем различные тела по однородности деформации в зависимости от величины модуля пластичности (рис. 26, о).
D=E, чисто упругая среда, решение всегда единственно, во всех трех случаях (простое растяжение, простое сжатие, чистый сдвиг) деформация однородна;
E>D>0, упрочняющаяся среда; для нее остается справедливым все то, что сказано относительно упругой среды, за исключением случая простого растяжения; в случае растяжения при D/o^l деформация неустойчива— образуется шейка и деформация становится неоднородной [80];
D = 0, идеально-пластическое тело; в общем случае единственность решения отсутствует, что является существенным затруднением в теории идеально-пластической среды [81]; в случах простого растяжения и чистого сдвига пластическая деформация неустойчива и неоднородна; устойчивость и однородность сохраняются лишь в случае простого сжатия.
D<0, если бы существовала такая среда, то ее, по-ви- димому, следовало бы назвать разупрочняющейся; из примеров вышеперечисленных сред следует, что чем меньше D, тем меньше остается случаев однородной деформации; очевидно, что разупрочняющаяся среда абсолютно неустойчива и деформация ее во всех случаях неоднородна; для такой среды следует ожидать эффектов самоопроизволыюго развития деформации (например при задании «мертвой» нагрузки).
Итак, мы обсудили неоднородность деформации тел, характеризующихся разными значениями модуля пластичности, используя результаты, полученные изотермической теорией пластичности. Основываясь па изложенных выводах, рассмотрим возможность осуществления однородной неизотермической деформации. При этом к использованным моделям тел нужно сделать то дополнение, что пластические свойства существенно зависят от температуры: предел текучести уменьшается с ростом температуры. Если в изотермических условиях скорость деформации была несущественна, то при неизотермической деформации скорость процесса играет решающую роль, так как сама неизотермич11юсть возникает тогда, когда тепло не успевает отводиться из зоны деформации. При этом во всех случаях, когда изотермическая деформация была неоднородна, должны образоваться локальные разогревы. Что же будет со случаями, однородными '.при изотермической деформации? Очевидно, что при однородной деформации, если тепло, выделяющееся при пластической деформации, не отводится (адиабатические условия), то происходит равно-
мерное по образцу повышение температуры и уменьшение предела текучести с деформацией. Зависимости напряжения от деформации для пластических тел в адиабатических условиях показаны пунктиром на рис. 26, б. Для того тела, которое при изотермической деформации было идеально-пластическим (кривая Г) в адиабатических условиях после упругого участка деформации сразу наступает разупрочнение (кривая /'), а для того, которое было упрочняющимся (кривая //), разоупрочие- ние наступает после некоторого (до точки ЛГ) участка деформации! с упрочнением (кривая II'). С переходом к разупрочнению деформация, как мы знаем, должна становиться неоднородной. Если выделяющееся тепло частично отводится, то деформация также неоднородна в силу появления пластической неоднородности самой среды (в разных точках тела из-за неравномерного распределения температуры предел текучести разный).
Таким образом, мы получили, что неизотермичсская деформация тела, идеально-пластического в изотермических условиях, всегда неоднородна; что же касается пензогермическои деформации тела, которое в изотермических условиях было упрочняющимся, то случай однородной деформации может осуществляться при адиабатической деформации только до точки Л! (см. рис. 26,6), после прохождения точки /И деформация всегда неоднородна. Поскольку нас интересуют разогревы, близкие к температуре плавления, с 'приближением к которой предел текучести стремится к пулю, то ясно, что для получения такого разогрева точка Л1 должна быть пройдена. Таким образом, можно сделать вывод о том, что пластическая деформация, приводящая к интересующему нас разогреву, всегда неоднородна и, следовательно, разогрев при деформации пластических тел может происходить только локально.
Продолжая обсуждение неизотермпческой деформации пластических тел, заметим, что установление обязательности локального случая разогрева не дает еще конкретных сведений о механизме разогрева и ничего не говорит, в частности, о размере зоны разогрева. Характер локализации деформации, по-видимому, может быть различным в зависимости or геометрических, динамических и кинематических условий деформации [75, 76]. Анализ этих вопросов упирается, однако, в чрезвычай-
Рис. 27. Иллюстрация к обсуждению механизма разогрева среды при сдвиге
ные трудности, что связано, как говорилось выше, с неразвитостью теории неизотермических деформаций. ОграиичиваясЕ. качественным подходом, 'рассмотрим ча- стпый случай пеизотермической деформации пластических тел—деформацию при сдвиге. Рассуждение при этом будет иллюстрироваться рисунком 27.
Обратимся сначала к идеально-пластическому телу. Поскольку из изотермической зависимости напряжения от деформации (см. рис. 26, кривая /) непосредственно следует только адиабатическая зависимость между теми же величинами (см. рис. 26, кривая 7'), то в первую очередь остановимся на следующем вопросе: возможен ли адиабатический случай деформации при сдвиге—случай, когда скорость деформации и размер зоны деформации таковы, что теплоотводом можно пренебречь. Для начала рассуждения предположим, что адиабатичность процесса выполняется. Тогда идеально-пластическое тело в адиабатическом случае (см. рис. 26, кривая Г) деформируется до Ts=Os/|^3 упруго, а затем пластически с отрицательным модулем пластичности, т. е. подобно разупрочняющейся среде. В пределах упругости деформация однородна и тепловыделение отсутствует. На рис. 27 изображен сплошными линиями (ABCD") максимальный упругий сдвиг (напряжение при этом равно пределу сдвига т$). Дальнейшее увеличение деформации сдвига должно перевести образец в пластическое состояние. Пластическая деформация, однако, будет происходить неустойчиво и неоднородно, так как любое увеличение сдвига, скажем в области около поверхности EF, вызывает местное разупрочнение (понижение предела сдвига), ввиду чего вся последующая пластическая деформация сосредотачивается в этой области.
При прогрессивном уменьшении предела сдвига в области пластической деформации остальная часть образца (вне этой области) не может находиться -под большим напряжением, в ней должна происходить самопроизвольная упругая разгрузка; при этом потенциальная энергия, запасенная в образце при упругий деформации, реализуется в работу пластической деформации, локализованной в области около EF. Для иллюстрации пластической неустойчивости деформации (область ЕЕ может образоваться и развиться в любом сечении образца) рис. 27 дан в двух вариантах (и н б). Обращаясь теперь к области пластической деформации (области, расположенной «около» некоторой поверхности EF) и применяя к ней предыдущее рассуждение о неустойчивости деформации, мы должны прийти в конечном итоге к тому, что вся пластическая деформация сосредоточена вдоль поверхности ЕЕ (именно так и изображено на рис. 27). Тогда поверхность ЕЕ является поверхностью разрыва скоростей деформаций и плоским источником тепловыделения.
Плоский источник тепловыделения не может находиться в адиабатических условиях. И хотя разрыв в скоростях деформации происходит физически не вдоль поверхности, а вдоль слоя конечной толщины, где имеют место большие деформации сдвига, все же процесс тепловыделения. по-видимому, не может идти адиабатически, так как этот слой считается чрезвычайно малым по толщине [78]. Таким образом, мы пришли к противоречию: 'предполагая адиабатичность деформации, нашли неоднородность деформации, масштаб которой несовместим с требованием адиабатичности. Что же изменится, если снять требование адиабатичности и учесть теплоотвод? Несмотря на ряд усложнений, общие черты процесса должны сохраниться. Так, температура должна быть максимальна (и, следовательно, предел текучести минимален) в том месте, где действует источник; также должна происходить самолокализация деформации в некоторой плоскости ЕЕ с переходом упругой энергии образца в работу пластической деформации на разрыве. Однако разупрочнение из-за действия теплоотвода должно быть более слабым, и соответствующая кривая зависимости напряжения от деформации должна располагаться между кривыми / и /' (см. рис. 26, б).
Таким образом, теплоотвод «смягчает» процесс. Важной особенностью процесса является его самопроизвольность, которая заключается в том, что после достижения предела текучести в дальнейшем он может развиваться самостоятельно без работы внешних сил; при этом энергетическим источником разогрева служит упругая энергия, запасенная в образце. Температура разогрева должна определяться зависимостью предела текучести от температуры, величиной запасенной упругой энергии и теплоотводом.
Обратимся теперь к среде, упрочняющейся в изотермических условиях деформации (см. рис. 26, кривая //). Адиабатическая зависимость напряжения от деформации показана на рис. 26,6 пунктиром (кривая //'). При достаточно быстром сдвиге деформация будет близка к адиабатической и тогда вплоть до точки М она будет однородной (jD>0). После точки М (£><0) должен развиться такой же процесс, как только что рассматривался. Таким образом, этот процесс является общим для всех пластических тел. Заметим, что для такого процесса требуется отсутствие растягивающих напряжений в направлении, перпендикулярном EF, чтобы на разрыве пе образовалась трещина; сжатие, наоборот, препятствует образованию трещин [82]. Условия деформации на разрыве можно рассматривать аналогично трению: трение пластических тел и пластическую деформацию па поверхностях скольжения, как отмечалось Дерягиным [83], следует рассматривать как единый процесс трепия- скольжения.
Таким образом, из качественного анализа деформации пластических тел при сдвиге вытекает представление о новом, существенно неизо термическом типе процесса, который возникает из-за неустойчивости деформации и приводит к образованию разрыва скоростей деформаций; процесс обусловлен падением предела текучести с ростом температуры и развивается самопроизвольно с переходом упругой энергии в работу пластической деформации. Количественное описание процесса (даже при простейшей идеализации) сталкивается с трудностями исследования сложного нелинейного уравнения.
Поскольку речь идет о новом процессе, то, по-види- мому, не лишним будет -сослаться на другой процесс, где наблюдаются сходные явления,— образование и разви-
тие шейки при испытании пластичных металлов на растяжение. Шейка образуется в любом месте растягиваемого образца, когда нарушается устойчивость деформации. Дальнейшая пластическая деформация концентрируется в шейке. При этом также наблюдается эффект самопроизвольного перехода упругой энергии, запасенной в образце, в работу пластической деформации шейки. Этот эффект тем сильнее, чем длиннее, растягиваемый образец [84], и при достаточно длинном образце процесс должен быть полностью самопроизволен: образование шейки и разрыв образна должны происходить без увеличения общей деформации образца (без дополнительной работы внешних сил) [85]. Локализация пластической деформации как при неизотермическом сдвиге, гак и в шейке при растяжении вызвана местным понижением необходимого усилия деформирования, однако при не- изотермическом сдвиге причиной такого понижения является падение предела текучести с ростом температуры, а при растяжении — уменьшение поперечного сечения образца. Заметим кстати, что деформация в шейке сопровождается зачастую заметным разогревом, который, однако, ограничен величиной деформации шейки до разрыва.
Обсуждение идеализированных моделей пластических тел, допускающих бесконечную пластическую деформацию, имеет для пас служебное значение, так как эти модели далеки по -свойствам от твердых ВВ. Тем не менее в результате этого обсуждения удалось хотя бы качественно подойти к малоизученным вопросам неизотермической деформации и выявить новый механизм локального разогрева. Используя представления об этом механизме, рассмотрим далее разрушение хрупкого тела при сдвиге.
Описание механизма разогрева
Если при сдвиге (см. рис. 27) достигнут предел прочности Тир. то образуется поверхность разрушения, например, плоскость EF. При дальнейшем сдвиге (за счет тепловыделения на этой плоскости при трении и местного повышения температуры) предел прочности понижается и становится меньше, чем предел прочности в остальной части образца. Остальные части образца должны упруго разгрузиться до меньшего напряжения, равного пределу
прочности на плоскости EF, так как образец не может находиться при разных напряжениях (нарушено равновесие сил). Освобождающаяся при этом упругая энергия должна перейти в работу трения на той же плоскости, что вызовет еще большее снижение предела прочности, снова потребуется упругая разгрузка остальной части образца и т. д. Этот процесс непрерывен и развивается самопроизвольно. Упругая энергия при этом переходит в работу трения до тех пор, пока не достигнута температура плавления и не образовалась жидкая фаза, после чего упругая энергия переходят в работу деформации вязкой прослойки. Выделяющееся при вязкой деформации тепло приводит к прогрессивному плавлению на границах жидкой и твердой фаз и тем самым к увеличению жидкой прослойки. Процесс заканчивается, когда будет израсходована вся упругая энергия образца, а также та ее часть, которая перешла в кинетическую энергию относительно движения верхней и нижней частей образца. Поскольку кинетическая энергия тоже должна перейти в работу деформации расплавленной прослойки, то при подсчете баланса энергий ее можно отдельно не учитывать и считать, что общее количество тепла, выделившееся при разных видах нсупругой деформации (трение, течение вязкой жидкости), просто равно упругой энергии, запасенной образцом при сдвиге. Сделаем несколько замечаний о роли всестороннего сжатия в рассматриваемом процессе. Упругая энергия всестороннего сжатия не дает вклада в разогрев. Однако наличие все- -стороннего сжатия имеет значение, так как, во-первых, оно препятствует образованию трещины, во-вторых, удельная сила грення равна тпр, если нормальное напряжение превосходит сгпр, и, в-третьих, от давления всестороннего сжатия зависит температура плавления.
Изложенный процесс достаточно хорошо отвечает требованиям к механизму разогрева твердых ВВ, -полученным выше. Кроме того, что процесс происходит после достижения предела прочности, он связан с трением и деформацией жидкости, на которые указывалось выше (см. гл. I, § 4, стр. 68), как на единственные возможности получить требующиеся температуры разогрева за счет неупругой деформации. Трудности строгого количественного подхода к такому процессу еще более велики, чем в случае пластических тел, так как появился но-
вый фактор — плавление и вместе с ним следующее противоречие: согласно модели вязкой жидкости, напряжение на сдвиг пропорционально коэффициенту вязкости и градиенту скоростей, т. е. при тонкой прослойке это напряжение заведомо больше, чем предел прочности твердой фазы, который не зависит от скорости и обращается в нуль при температуре плавления; таким образом, как бы получается, что легче разрушаться твердой фазе, чем сдвигаться жидкости, и неясно, как может образоваться жидкость. Не вдаваясь подробно в это противоречие, которое связано с тем, что процесс оказался на стыке двух разных моделей — вязкой жидкости и твердого тела (может быть здесь в какой-то степени применимы представления о граничной смазке, но явление ко всему прочему осложняется фазовым переходом), заметим только, что вблизи поверхности раздела твердая фаза, вероятно, разрушается и «диспергируется» в жидкость. Тогда перегрев жидкой фазы относительно температуры плавления должен быть невелик, так как тепло, выделяющееся при вязкой деформации, расходуется на плавление дисперсной (твердой) фазы, распределенной в жидкости. Если передача тепла в твердую фазу (как дисперсную, так и граничащую с зоной вязкой или вязкопластической деформации) должна осуществляться теплопроводностью, то теплопередача в быстродсформирующейся жидкости, по-видимому, производится конвекцией, чго способствует выравниванию температуры в зоне деформации. Эти соображения о причинах, препятствующих перегреву жидкой фазы относительно температуры плавления, могут рассматриваться, если принять во внимание столь сложный характер процесса, только как предположения, имеющие интерес в связи с положением о температуре плавления как границе разогрева. Что же касается возможности образования жидкости в разбираемом процессе, то достижимость температуры плавления следует из опытов по трению металлов [28], а возможность самого плавления при трении — из хорошо известного процесса сварки металлов трением [8G, 87]. Заметим, что, привлекая в качестве аналогии сварку металлов трением, мы обходим физические сложности разбираемого процесса строгой ссылкой на существующий факт.
Где бы ни возникла при сдвиге поверхность разрушения ЕЕ (см. рис. 27, а и б), разогрев, образующийся
б итоге рассматриваемого самопроизвольного процесса, должен быть одинаковым. Если предположить пря- моугольность профиля температуры разогрева, то его размер г определится величиной температуры плавления и величиной запасенной в образце упругой энергии, которая зависит от объема образца Sa. Приравнивая упругую энергию сдвига образца выделившемуся количеству тепла, имеем
9
--JrpS [г (Г™ - Т,) |-£.], (26) 2G
(27)(27)прямо- оправ- прогрспрямо- оправ- прогрсгде G — модуль сдвига ВВ; L—теплота плавления; S — площадь поперечного сечения образца (считаем, что поперечные размеры образца много больше его высоты о) пли
(27)
(27)
прямо- оправ- прогрс
прямо- оправ- прогрс
2Л?р[е(Т„-Г0) + £| где температура плавления зависит от давления.
Приближение распределения температуры угольным профилем, по-видимому, может быть данным для г, превышающих характерный размер
ва, т. е. при r>V'X.T (%— коэффициент температуропроводности ВВ; г — время самопроизвольного процесса). Если же г<^хт» то процесс, начинаясь как трение на поверхности разрушения, из-за теплоотвода не может достигнуть температуры плавления. Для нахождения времени т требуется количественная теория процесса, однако можно утверждать, что с повышением давления всестороннего 'сжатия и ростом температуры плавления при конечном размере образца а всегда можно перевесги неизотермический процесс в твердую фазу.
В рассмотренной схеме сдвига поверхность разрушения EF могла образоваться в любом месте образца (см. рис. 27, а и б). При более сложных условиях деформации (сложное напряженное состояние) образование поверхности разрушения и последующий неизотермическнй самопроизвольный процесс могут происходить только там, где допускается разрыв скоростей деформации, так как требуется выполнение геометрических и кинематических условий совместности деформаций.
Экспериментальное подтверждениемеханизма разогрева
Опыты с модельными зарядами
При деформации в приборе № 2 разрыв скоростей деформация допускается на большей части контактных поверхностен, где достигается предел прочности па сдвиг; в то же время разрыв не может образоваться па серединной -плоскости образца (2=0), где касательное напряжение равио -пулю (см. рис. 3, п). Для проверки этого вывода нами вместе с М. Ю. Косыгиным были поставлены опыты с модельными зарядами.
Изготовлялись модельные заряды —заряды вторичного ВВ (октоген) с тонким слоем азида свинца, нанесенным (напудренным) либо на серединную плоскость, либо па верхнюю и нижнюю плоскости заряда (контактные плоскости). Поведение зарядов со слоем свинца в середине не показало никаких отличий от поведения самого октогена. Если же слой азида свинца находился на контактных плоскостях (верхней, нижней или сразу на двух), то при тех толщинах заряда, когда чистый октоген только разрушался (/г>Акр), всегда происходил взрыв. Перед тем как изложить другие опыты, подтверждающие предложенный механизм, остановимся еще на двух результатах, полученных с помощью слоевых зарядов. Один из них — это определение критического напряжения Ркр в приборе № 2 для азида свинца и второй — экспериментальное доказательство независимости величины Ркр от h и h/D. Из опытов с октогеном (рис. 28) следовало, что тонкий слой азида свинца не изменяет прочности заряда (прочность соответствовала октогену). Вместе с тем слои азида свинца, будучи нанесен на контактные плоскости, ведет процесс возбуждения взрыва. 11сходя из этого, были поставлены опыты по определению Ркр азида свинца. На существование критического напряжения у азида свинца указывает величина предсказанной температуры плавления (370эС), которая лежит ниже, чем температура плавления добавок (500° С), показавших в опытах Боудена |19] сенсибилизирующий эффект. В то же время критическое напряжение Ркр в приборе № 2, если оно существует, должно быть ниже, чем 3700 агпм, так как при этом давлении азид свинца, помещенный на контакте заряда с роликом.
свинцасвинцаОТОТвнутри области точкивнутри области точки
свинца
свинца
ОТ
ОТ
внутри области точки
внутри области точки
всегда приводил к взрыву зарядов толщиной 1,0 лш на основе октогена. Поэтому для определения Рнр азида свинца в качестве прочностной основы использовались вторичные ВВ (тротил, тетрил, тэн и гексоген) с прочностью,
Рис. 28. Зависимости средних давлений при разрушении (светлые точки) и при взрыве (черные точки) от толщины зарядов вторичных 13 В, припудренных слоем азида
♦ — октоген: V ▼ —гексоген; О*—тэн; Да—тетрил и □■ — тротил ( 0 — заряды октогена с азидом свинца на серединной плоскости)
меньшей, чем у октогена. Результаты измерения давлений в опытах со слоевыми зарядами представлены па рис. 28 и 29. Горизонтальными пунктирными линиями на рис. 28 выделена область разброса результатов измерений при пе|>еходе
Рис. 29. Разброс результатов измерений в обпасти перехода от разрушения к взрыву для зарядов тро- гила, припудренных слоем азида свинца
разрушения к взрыву;
не приведены, точки вне области соответствуют средним значениям Рпр и Рюр по многим измерениям. Точки на рис. 29 (прочностная основа — тротил) соответствуют результатам отдельных измерений, в том числе и в области перехода. Сплошная горизонтальная линия на рис. 28 — выделенное
значение РКр азида свинца. При разных прочностных основах оно одинаково и составляет 2600 (+ 200) атм. Таким образом, в исследованном интервале толщин зарядов Ркр не зависит от h и /г/D, поскольку при изменении h меняется nh/D. Заметим, что вопрос о зависимости Ркр от h и h/D оставался последним вопросом, который требовалось выяснить в связи с предполагаемой картиной «поведения» ВВ (см. рис. 4).
Поведение В В при статическом сжатии
Производили медленное нагружение зарядов октогена, гексогена, тэна, тетрила и тротила в приборе Mb 2. Для нагружения был использован 30-тонный пресс. Испытывали заряды разной толщины. При этом измеряли остаточное изменение толщины заряда с давлением. Данные для тротила приведены на рис. 30. Достаточно толстые заряды (Л0>-0,8 льн) разрушаются при тех же (в пределах обычного разброса) давлениях, как и при ударе (кривая прочности, полученная для тротила при ударе на копре, нанесена на рис. 30 пунктиром). Заряды меньшей толщины при 1нагруженип разрушаются не всегда и могут непрерывно деформироваться вплоть до такого высокого давления, как 20 000 атм. Выше этого давления измерения нс производились, так как примерно около 20 000 атм наблюдается остаточная деформация роликов и их контактные поверхности становятся вогнутыми. До того как достигнуто давление, соответствующее кривой прочности, полученной при ударе, деформация заряда слабо увеличивается с давлением, затем остаточная деформация возрастает быстрее с ростом давления, т. е. наблюдается значительная пластическая деформация, которая, однако, сопровождается упрочнением, отчего кривая статического нагружения идет выше и круче, чем кривая прочности.
Таким образом, тротил при статическом нагружении и нс слишком больших /?0 ведет себя как упрочняющееся тело, допускающее значительную пластическую деформацию. Па кпивой статического нагружения часто происходит разрушение, притом тем чаще, чем толще образец и чем быстрее производится нагружение (нагружение производилось вручную, поэтому не имеет смысла говорить о конкретных величинах скоростей нагружения;
97974 Г. Т. Афанасьев, В. К. Боболев
97
97
Рис. 30. Кривые статического нагружения зарядов тротила различной толщины (на прессе)Рис. 30. Кривые статического нагружения зарядов тротила различной толщины (на прессе)
Рис. 30. Кривые статического нагружения зарядов тротила различной толщины (на прессе)
Рис. 30. Кривые статического нагружения зарядов тротила различной толщины (на прессе)
под быстротой следует по- ннмать темп нагружения). Поведение остальных испытанных В В аналогично поведению тротила, при этом переход к развитой пластической дефор маиии коррел и руетс я со своей кривой прочности, полученной при ударе.
Объяснение такого поведения ВВ при статическом сжатии и, в частности, его отличия от поведения ВВ при ударе, по- видимому, следует искать в двух факторах: влиянии скорости нагружения, которая в сопоставляемых случаях различается на 3—4 порядка, и влиянии давления. От скорости на
гружения, как известно, зависит возможность протекания релаксационных процессов и при ее увеличении, как правило, наблюдается переход к хрупкости. Однако влияние одной лишь скорости недостаточно, так как образцы с большим отношением hJD ведут себя хрупко как при ударе, так и при статическом нагружении, в том числе и при испытаниях прессова-нных шашек (/?/£)^1) на раздавливание. Существенное влияние на механические свойства твердых тел, как это следует из исследований Бриджмена [89], оказывает давление: оно, в частности, увеличивает величину пластической деформации металлов до разрыва, а мрамор, хрупкий при обычных условиях, при высоком давлении становится пластичным материалом. Если, однако. пластически продеформировать материал под давлением и затем сиять давление, то хрупкость восста
навливается.
Существенное влияние давления в нашем случае следует из следующего опыта: образцы, продеформирован- ные при статическом нагружении до некоторой толщи-
ны /zh замеiiio отличающейся от начальной ho и до давления, намного превосходящего РПр Uh) по кривой прочности, подвергались затем удару; при этом были получены пределы прочности образцов, соответствующие кривой прочности; таким образом, пластическое упрочнение образцов при снятии давления также снимается.
Подведем итог сказанному. При больших hjD, когда давление мало, ВВ как при ударе, так и при статическом сжатии ведут себя хрупко; при малых USD и более высоком давлении в условиях статического нагружения они приобретают способность пластически деформироваться, а в условиях нагружения ударом (высокая скорость нагружения) ведут себя хрупко.
Как уже говорилось, на кривой статического нагружения часто происходят разрушения, причем они происходят при тем большем давлении, чем меньше hoiD. Разрушение может также происходить при снятии нагрузки [88]. При этом существенно, что разрушение образцов сменяется взрывом при переходе через те же значения Ркр, которые получены при ударе. Однако из-за увеличения давления при разрушении с уменьшением h/D попасть при разрушении на Ркр или давление, близкое к нему, можно лишь при некоторой оптимальной начальной толщине заряда h0 (для тротила она примерно равна 0,4 мм, что соответствует навеске в 50 ,иг). Величины Ркр, найденные в опытах при статическом нагружении, составляют для тротила 10 500, для гексогена — 6700 и для октогена 6100 ачш (для тетрила получено максимальное давление разрушения 6000 атм, а единственный взрыв при 9000 атм; вызвать взрыв тэна при статическом нагружении не удалось, разрушения происходили только при больших h0/D и давлениях не выше — 3000 атм; по-видимому, в опытах не удалось найти для этих ВВ оптимальную толщину заряда Ло). Совпадение величин Ркр, полученных при ударе и при статическом нагружении, с точки зрения предложенного механизма разогрева, вполне естественно, так как скорость самопроизвольного процесса не должна зависеть от скорости внешнего воздействия.
Аномалия кривых частости
Выше для некоторых ВВ в области Л0^>Лкр отмечена аномалия кривых частости, которая заключается в том, что частость взрывов не достигает 100%, как бы ни увеличн-
валась энергия удара (см. табл. 7, рис. 21). Предложенный механизм разогрева позволяет объяснить эту аномалию, исходя из конечной величины упругой энергии, запасенной в образце. При некоторой предельной толщине заряда hn она может оказаться недостаточной для создания очага требующейся температуры и размера. Если теперь hn не намного меньше Акр, то толщина заряда, уменьшающаяся при разрушениях и выбросах вещества, может оказаться меньше, чем hn; тогда взрыва быть не должно. Как бы ни велика была энергия удара, частость взрыва перестает зависеть от энергии удара и определяется числом случаев, когда уменьшающаяся скачками толщина заряда попадает в интервал от /zKp до hn.
Точная оценка величины йп вызывает трудности по двум причинам. Во-первых, она должна относиться к минимальному по размеру очагу, воспламенение которого приводит к самораспрэстраияющемуся взрывчатому превращению. Если, следуя Боудену, считать, что этот размер составляет 10"5 см, то для гексогена из выражения (27) находится величина «„, равная 0,3 лы/. Во-вторых, использование выражения (27), полученного для случая «свободного» сдвига, вряд ли возможно для условий деформации в приборе № 2, где при переходе упругой энергии сдвига какого-либо элемента в работу деформации на разрыве сама упругая энергия этого элемента может пополняться за счет дополнительного сдвига из-за большого градиента давления по радиусу (см. рис. 3,6), н тогда оценка кп по выражению (27) должна быть завышенной. Заметим, что конечная толщина отказавших при испытаниях зарядов оказывается равной нескольким сотым миллиметров; по-видимому, величина hn для испытанных ВВ близка к 0,1 мм.
Сравнение испытанных ВВ по степени проявления аномалии хорошо согласуется с данным объяснением. Аномалия должна проявляться тем сильнее, чем меньше интервал (Акр —Ап)- Действительно, аномалия кривой частости отсутствует для октогена (см. рис. 21), у которого/гкр =0,43 лш, еле заметна для гексогена (йкр =0,25 льч), сильно выражена в случае тетрила (Акр =0,12 льи) и имеет крайнее проявление для тротила (/zKp ^ 0,08 лиг), который вообще не взрывается при «стандартной» навеске в приборе № 2.
Поскольку выше везде речь шла только о приборе № 2 (все эксперименты проводились в этом приборе), то указывалась толщина заряда, так как диаметр был постоянным
(£)=10 мм). Теперь же, когда имеется свидетельство не зависимости Ркр от /г и h/D, можно перейти в соответствии с предполагавшейся картиной «поведения» ВВ (см. рис. 4) к величине h/D вместо h и говорить, например, о величине (^ ^)кр вместо Ahp, которая относилась до сих пор лишь к прибору № 2. Если уменьшать диаметр D, то величина /гкр тоже должна уменьшаться, причем так, чтобы было (h,/D) = const. Отсюда следует, что с уменьшением D (а значит и /гкр) аномалия частости взрывов должна проявляться все сильнее до тех пор, пока Нкр не окажется меньше, чем йп, и тогда совсем не должно быть взрывов.
в приборе № 2. Из (/г/£))кр ^ const следует,в приборе № 2. Из (/г/£))кр ^ const следует,Обратимся в связи с этим к испытаниям на копре Велера (О=1,5льи) и введем для толщины заряда, при которой должен происходить переход от разрушения к взрыву, следующие обозначения, учитывающие разницу в диаметрах: йкр—Для испытаний по Велеру и /?кР — для испытаний
в приборе № 2. Из (/г/£))кр ^ const следует,
в приборе № 2. Из (/г/£))кр ^ const следует,
ЧТО /1кр = = 0,15ЬкР, т, е. для вторичных ВВ (по крайней мере для большинства) h^^hn, что объясняет отсутствие взрывов при испытании их по Велеру. Случаи же разложения вторичных ВВ при больших энергиях удара на копре Велера вызваны, по-видимому, разогревом элементов из мягкого
металла при их деформировании, что, впрочем, требует дополнительной проверки. Иначе обстоит дело с инициирующими ВВ, у которых (й/П)кр велико. Например, у азида свинца
(№)кр =(№)кр =CnpCnpз Vs ip — <7 > r u 'Kp vup/з Vs ip — <7 > r u 'Kp vup/= 0,43,= 0,43,(28)(28)
(№)кр =
(№)кр =
Cnp
Cnp
з Vs ip — <7 > r u 'Kp vup/
з Vs ip — <7 > r u 'Kp vup/
= 0,43,
= 0,43,
(28)
(28)
откуда hip =0,64 мм. Для возбуждения взрыва инициирующих ВВ на копре Велера требуются небольшие энергии удара, что связано с малой площадью ударника.
Разбор известных моделей средыи механизмов разогрева
Изложенные выше экспериментальные результаты получены в приборе .№ 2. При этом изучены механические свойства твердых ВВ. режим деформации и критические условия возбуждения взрыва в этих условиях, а
также развиты представления о механизме разогрева до критических температур. Опираясь на полученные экспериментальные данные, рассмотрим высказывавшиеся в литературе взгляды на модель среды, отвечающей твердым В В, и механизм разогрева, которые в отсутствие этих данных, как уже говорилось, носили предположительный характер. Проведение разбора на данной стадии изложения должно также послужить дополнительной проверкой механизма разогрева, предложенного в настоящей работе.
Обратимся прежде всего к неоднородности системы, которой многие исследователи придавали важное значение. На возможности образования локального разогрева за счет неупругой деформации на неоднородностях (пластическая деформация отдельных зерен, разрушение и трепне их друг о друга) указывалось Харитоном [13], а затем Кистяковским и Коннором [7]. Позднее Холе- во [2, 3], сопоставляя поведение штатных ВВ в приборах № 1,2 и 3, а также Сухих и Харитон [27], наблюдая разрушение крупных зарядов при ударе по плоскостям скольжения, пришли к выводу о том, что определяющей при возбуждении взрыва является неупругая деформация заряда в целом. Этот вывод, фиксирующий и обобщающий результаты экспериментов, был положен в основу настоящей работы, и исключений из него не обнаружено. Попытаемся объяснить отсутствие влияния неоднородностей на возбуждение взрыва и найти те случаи, когда влияние неоднородности может быть существенным. Неоднородность системы можно характеризовать размером частиц ВВ и размером пустот, около которых при нагружении происходит множество локальных разрушений. Размер фрагментов разрушения, по-види- мому, близок к размеру пустот. Для того чтобы локальное разрушение приводило к взрыву, необходимо, чтобы давление при этом было не меньше истинного критического напряжения Ркр и размер зоны разрушения а был не меньше «п — масштаба неоднородности, существенной при возбуждении взрыва, т. с. необходимо, чтобы
гГ кр,
а>а^^_fc(7кр _г0) + L]~ —L.(29)
Последнее соотношение получено из выражения [27]. В пропорциональную связь выделена величина, наиболее сильно различающаяся для разных ВВ. При этом использовано
(принимается, что коэффициент Пуасссопа ц равен 0,5). До тех пор, пока давление ниже, чем Ркр, любые неоднородности должны быть неэффективны. При больших же давлениях к взрыву могут приводить только те неоднородности, которые по размеру больше оп. Существенно то, что с повышением давления неоднородность системы сильно уменьшается по сравнению с исходной; например, при прессовании происходит дробление зерен, пустоты между ними становятся все меньше, поэтому для вторичных ВВ, у которых величина Ркр имеет порядок 104 атм и величина пп, ло-видимому, больше 0,1 лом, неоднородности неэффективны и определяющей при возбуждении взрыва оказывается деформация заряда как целого. Это справедливо и для смесей вторичных ВВ, у которых также не обнаружено влияния неоднородностей [90|. Из выражения (29) следует, что неоднородности должны сказываться, если Ркр и ап малы, или, другими словами, мало Ркр и велико опр. Поэтому роль неоднородностей может оказаться существенной в случае инициирующих ВВ (хотя бы некоторых) при большом размере зерна, так как при испытании их в мелкодисперсном виде влияния неоднородностей замечено не было (см. рис. 18).
Упомянув работу Сухих и Харитона [27], где были обнаружены следы плавления па плоскостях скольжения, по которым происходило разрушение зарядов, и было указано на температуру плавления как границу разогрева, отметим хорошее соответствие этого факта тому выводу настоящей работы, что плавление происходит в процессе прочностного разрушения на поверхностях разрыва скоростей деформаций.
Важное значение деформации на неоднородностях с точки зрения не только механизма возбуждения взрыва, но и механизма деформации, придавал Холево [2, 3], что не противоречит, однако, сделанному им выводу о необходимости деформации заряда как целого для возбуж-
дения взрыва. Так Холево предполагал, что в начальной стадии удара кристаллики ВВ деформируются пластически и оплавляются на границах, при этом образуется структурированная система,которая ведет себя затем подобно телу Бингама — Шведова. Для характеристики механических свойств ВВ, проявляющихся при нагружении ударом, Холево широко использовал термин «текучесть», понимая под «текучестью» способность заряда выдавливаться из-под пуансонов при ударе. При этом «текучесть заряда» считалась зависящей от предела текучести и температуры плавления ВВ. Разогревы при течении гетерогенной структурированном системы должны носить локальный характер, и после достижения температуры плавления рассматриваются как вязкостные разогревы.
Исходя из того, что скорость тепловыделения при деформации вязкой жидкости пропорциональна коэффициенту вязкости и квадрату градиента скоростей, Холево считает, что максимальная скорость тепловыделения при определенных условиях деформации может иметь место при некоторой оптимальной текучести заряда, так как скорость тепловыделения мала при малой вязкости, а при большой вязкости малы градиенты скоростей. Взрыв возбуждается тогда, когда скорость тепловыделения достаточна для создания высокотемпературных разогревов, время воспламенения которых меньше оставшегося времени удара. Отсюда скорость деформации и время удара наряду с текучестью заряда и реакционной способностью В В считаются основными факторами, определяющими возбуждение взрыва. Методов измерения текучести не предлагалось и суждение о большей или меньшей текучести ВВ выносилось из сравнения частости взрывов в приборах № 1 и 2. Предложенная Холево модель деформации и возбуждения взрыва при ударе качественно объясняла влияние условий деформации на результаты испытаний. К настоящему времени выполнено большое количество отечественных и несколько зарубежных работ [6, 8, 37, 61, 91, 92 и др.], иллюстрирующих идеи Холево. Заметим, что ни у Холево, ни в одной из последующих работ не дано подтверждения тому, чтобы кристаллические ВВ деформировались при ударе как вязко-пластическое тело. Результаты настоящей работы противоречат подходу к твердым ВВ как вязко- 104
пластическому телу. Это относится даже к таким системам, как ВВ с добавкой типа парафина [64, 93], которые, казалось бы, ближе всего стоят к модели Холево. Поскольку идеализация механических свойств той или иной моделью зависит от скорости деформации и соответственной температуры, то можно полагать, что вязко-пластическая модель окажется реальной при деформации ударом для твердых ВВ с очень низкой температурой плавления, либо при начальных температурах, близких к температуре плавления. В связи с этим заметим, что отмеченное выше «загадочное» поведение дины (7'0/Гпл= = 91) может быть вызвано приближением к вязко-пластическому случаю деформации, так как обжиг роликов при взрыве дины имеет в отличие от остальных испытанных твердых ВВ такую же русловидную форму, как и при взрыве баллиститпых порохов в зоне вязко-пластической дефор м а цин.
Остановимся на работе Риделя и Робертсона [23], в которой впервые была поставлена задача по очаговому тепловому взрыву и приближенно оценены для вторичных ВВ критические температуры горячих точек. Поскольку эти температуры оказались значительно выше температур плавления, то авторы предложили следующий механизм разогрева: при испытании вторичных ВВ ударом образуется некоторое количество жидкой фазы, которая под действием перепада давления совершает в образце капиллярное течение с высокой скоростью и разогревается при вязком течении до критических температур. Оценка температур разогрева при течении в капилляре (использовался закон Гагена — Пуазейля) вполне удовлетворила авторов работы. Однако, как было сообщено нам В. С. Козловым, вызвать взрыв тротила и пикриновой кислоты, нагретых до 130° С, при продавливании в капилляр даже в более жестких условиях, чем это предусматривали расчеты Риделя и Робертсона, оказалось невозможным.
Переходя к исследованиям Боудена с сотр. [11, 19], рассмотрим только те выводы, которые относятся к твердым ВВ. Основным является вывод о температуре плавления как границе механического разогрева (влияние давления на темпера гуру плавления при этом не учитывалось), из которого в какой-то -мере исходят остальные выводы. По мнению Боудена, из всех твердых ВВ только
инициирующие могут взрываться за счет тепловыделения при собственной деформации, так как они самовоспламеняются при нагревании до наступления плавления. При этом считается, что локальные разэгревы образуются при трении кристалликов друг с другом и с поверхностью воздействующего тела. Если принять предсказанные выше температуры плавления инициирующих В В и определявшиеся Боуденом в опытах с добавками критические температуры, то у инициирующих ВВ, как и у вторичных, температура плавления оказывается ниже критической температуры. Тогда для них должно существовать критическое напряжение и механизм трения кристалликов должен быть неэффективен. Действительно, на примере азида свинца выше было показано существование критического напряжения и, кроме того, по было замечено влияния неоднородности системы па возбуждение взрыва этих ВВ (оговоримся, что инициирующие ВВ использовались в мелкодисперсном виде). По Боудену, те ВВ, у которых Ти« <7^ не могут быть взорваны за счет собственного разогрева при деформации, и только два механизма могут отвечать за возбуждение взрыва: разогрев при адиабатическом сжатии газовых включений п разогрев высокоплавких (Гпл^Гкр) добавок примеси при трепни их друг с другом и поверхностью ударника. Сенсибилизирующее действие таких добавок Боуденом показано во многих экспериментах (при малой концентрации добавок вряд ли можно говорить о трении их между собой).
Обсудим механизм адиабатического сжатия газовых включений. Известно, что если быстрое сжатие газа происходит независимо от деформации ВВ (сжатие газа поршнем над слоем ВВ), то в этом случае легко (при степени сжатия воздуха, равной примерно 20) осуществляется воспламенение В В [19, 94]. В то же время, если во ВВ присутствуют газовые включения размером менее 0,1 льп, то их сжатие при ударе должно быть почти изотермическим [20]. Недейственность механизма адиабатического сжатия газовых включений для штатных ВВ следует из опытов Холево в приборе № 3 с насыпными зарядами. Сравнивая поведение тэна, расположенного на наковальне в форме кольца (большое газовое включение) и в форме сплошного слоя, Боуден получил при расположении тэна кольцом больший процент взрывов п
расценил это как подтверждение своей точки зрения. Однако достаточно было увеличить высоту кольца и диска, чтобы картина стала обратной (опыты .Андреева с сотр.), хотя кратность сжатия воздуха должна была при этом возрасти. Заметим, что в опытах Боудена с тэном развивались давления при ударе более 12 000 атм; результаты этих опытов хорошо соответствуют данным, полученным в настоящей работе для прессованных зарядов тэпа, когда возбуждение взрыва за счет адиабатического сжатия газовых включений явно невозможно. Возбуждение взрыва в твердых ВВ при ударе никем после Боудена не связывалось с механизмом газовых включений. Недейственность механизма газовых включений для твердых В В, по-виднмому, имеет следующую причину: уже при небольших давлениях зерна начинают дробиться, большая часть воздуха выходит из заряда (частичный разброс насыпного заряда, отмечавшийся выше, вероятно, связан с фильтрацией воздуха через норы), хрупкость ВВ препятствует «запечатыванию» газовых включений, оставшийся воздух рассеивается по заряду и размер включений становится настолько мал, что они сжимаются изотермически.
Проводя испытания при быстром сдвиге по схеме, близкой к изображенной на рис. 1,J, Боуден не получил взрыва для вторичных ВВ и отсюда сделал вывод о невозможности вызвать взрыв этих ВВ за счет разогрева их при неупругой деформации и, в частности, при трении, гак как температуры плавления (граница разогрева) вторичных ВВ лежат ниже их температур вспышки. Позднее Козлов, исходя из повышения точки плавления с давлением, провел опыты по такой же схеме воздействия при более высоких давлениях прижатия и получил взрывы всех испытанных им веществ. Козлов полагает, что локальные разогревы образуются за счет тепловыделения при внешнем (сухом) трении на границе раздела ВВ — воздействующее тело, и испытание по схеме (см. рис. I, д) вслед за Боуденом называет испытанием к трению. Козлов истолковал результаты своих опытов, которые, казалось бы, непосредственно приводят к пониманию роли давления при возбуждении взрыва механическими воздействиями, как опровержение положения о 1емпературе плавления как границе разогрева, хотя в условиях высокого давления они являлись таким опро-
вержепием лишь относительно нормальной температуры плавления. Согласно механизму, предложенному в настоящей работе, трение на поверхностях разрыва скоростей деформаций является одной из основных стадий процесса разогрева; при этом поверхности разрыва в зависимости от условий деформации могут находиться как внутри заряда, так и совпадать с контактными поверхностями (для деформация в тонких слоях последний случай преобладает). Если давления достаточно велики (заметно превышают Ркр), то взрыв должен происходить за счет разогрева только при сухом трении до того, как процесс выйдет на плавление (условием этого является превышение скорости тепловыделения при химической реакции над скоростью механического тепловыделения).
Обратимся к работам Болховитинова [29, 31, 37, 38]. Эти работы подчинены количественному подходу к процессам возбуждения взрыва. Болховитиновым для описания поведения твердых ВБ при ударе использовалась модель вязкой жидкости [37, 38], а при формулировании критических условий деформации—модель идеальнопластического тела [31]. Несмотря на то, чго в том и другом случаях находится скорость тепловыделения при неупругой деформации, сам режим деформации полагался изотермическим в том смысле, что не учитывалось изменение механических констант (коэффициента вязкости, предела текучести) с температурой. Данное замечание относится и к работе авторов [39], где также использовалась модель идеально-пластического тела и, хотя речь шла о развитой пластической деформации, не обращалось внимания на возможность изменения режима деформации при ударе вследствие тепловыделения. Болховитиновым дано обобщение положения о плавлении как границе -разогрева [29, 31], что привело к пониманию роли давления при возбуждении взрыва механическим воздействием и открыло широкие перспективы для количественного изучения явления.
После разбора основных точек зрения на механизм деформации и возбуждения взрыва, существующих в литературе, рассмотрим экспериментальные результаты по частости взрывов, полученные разными исследователями в различных приборах, и попытаемся дать им объяснение, исходя из представлений, развиваемых в настоящей работе.
Применимость полученных выводовк условиям деформации,отличным от условий прибора № 2
Излагавшиеся ранее экспериментальные результаты получены в приборе №2. В этих условиях было проведено исследование критических условии возбуждения взрыва. При постоянстве величины критического напряжения в приборе №2 полученные выводы должны быть применимы к условиям деформации, подобным условиям прибора №2, т. е. при разных диаметрах.
Выше было дано объяснение поведения ВВ при испытании по Веллеру (0=1,5 лл). Полученные выводы могут быть также использованы для объяснения результатов опытов Андреева и Торебилиной [6] в предложенном ими приборе №4 (см. рис. 31, tz). Опыты проводились в двух вариантах: при помещении навески ВВ в центр роликов (диаметр заряда 5 мм) и при равномерном распределении навески по торцу роликов (П=19 лш); кроме того, изменялась величина навески (2, 10, 50 мг). Результаты этих опытов представлены в табл. 10 (копер К-44-2, груз 10 кг, высота падения груза 25 щи). В случае центрального расположения заряда высокий процент взрывов наблюдается утех ВВ, величина (/z/D)Kp которых велика (например, инициирующие В В и такие вторичные, как тэн, гексоген, октоген). Если же. величина VUD)^ мала (тротил, пикриновая кислота), то больший процент взрывов наблюдается при равномерном распределении навески. Аналогично объясняется влияние величины навески на частость взрыва.
Андреевым и Беляевым [36] приводятся результаты, полученные в различных условиях деформации. Обратимся к результатам опытов В. С. Орешина, которые производились по схеме, показанной на рис. 31, б. В исходном положении заряд ВВ нагружен высоким давлением (см. вариант прибора № 1). Затем муфта ударом (или вручную через рычаг) переводится в положение, соответствующее прибору А” 2 (на рис. 31, б изображено пунктиром). Заряд ВВ отделяется от муфты резиновым кольцом, что предотвращает трепне муфты по заряду при ее перемещении. В опытах определялась частость взрывов в зависимости от приложенного давления. Точка 50% взрывов для тэна получена при давлении
Про
ВБ
цент взры
>л' °C
ВОВ в при
^ВСН' °C (по Касту)
боре № 4
>сп* "^
(5 сек.)
Таблица 10 при ударе на копре
Навеска, ли.
центральное расположение
равномерное расположение
. 2 1
ю |
50
2 1
10 1
50
Тринитробензол
Тротил
Пикриновая кислота
Тринитрорезорцин
Тринитроксилол
Тринитроанилин
Тринитродиаминобензол
Тетрил
Гексил
Гексоген
Октоген
Тэн
Дина
Гексанитро дифенил
Гсксаиитродифенилоксид
Гексаннгрооксанилид
Пикрат лития
Пикрат свинца
Пикрат калия
Стифнат калия (двузамещенный)
Азид аммония
Азид свинца
Азид кальция
Гремучая ртуть
ТНРС
Тетразен
Перхлорат аммония
* Натеска 20 ли.
122,5
80,5 121,9
178
182 191,5
280
131
240 201
280
141
52
240 260
331
Нет ВСПЫШКИ
300
зои
225
330
225
190
250
220
210
235
>320
>330
285
330
170
140
310
550
475
322
257
325
260
335
225
345
210
265
154
0
12
32
8
0
4
16
96
96
92
64
16
28
92
76
20
68
4
8
1110
100
100
100
юо
48
8
0
32
32
20
4
32
20
1(10
92
100
92
44
68
100
100
12
100
100
100
64
100
100
100
84
4
0
36
84
44
12
16
92
92
84
60
44
60
10(3
16
96
100
0
100
100
84
20
0
4
4
0
0
8
8
0
о
0
4
0
84
0
0
0
0
0
60
1)
20
56
24
64
0
12
0
и
0
8
и
0
0
68
0
68
4
0
88
0
0
4
8й
12й
92
56
64
4
4
4
24
8
36
0
0
44
8
0
4
8
88
28
20
8
12
8
0
4
96
12
96
0
Рис. 3L Некоторые схемы испыта иий В В ределялась частость взрывРис. 3L Некоторые схемы испыта иий В В ределялась частость взрыв
Рис. 3L Некоторые схемы испыта иий В В ределялась частость взрыв
Рис. 3L Некоторые схемы испыта иий В В ределялась частость взрыв
4700 атм, что сопадает с величиной критического напряжения в приборе № 2 (см. табл. 4, рис. 13). Результаты этих опытов представляют интерес с той точки зрения, что возбуждение взрыва в данном случае М вызвано самопроизвольной деформацией заряда под действием упругой энергии, запасенной при сжатии.
Остановимся на испытанн- п ях ВВ при быстром сдвиге. В. С. Козловым н В. А. Мамаевым производились испытания по схеме, изображенной на рис. 1, д 117]. При этом оп- а в зависимости от величины дав
ления прижатия Ртр (см. рис. 2, навеска 20 .иг). В табл. 11 приведены Ртр (50%) и Рчр (100%) —величины давлений прижатия, при которых частость взрывов составляет соответственно 0,5 (50%) и 1 (100%). В таблице также даны значения В гр. и (100%). полученные С. М. Муратовым при той же схеме воздействия, но с зарядом ВВ, помещенным в оловянное кольцо.
Близкая схема воздействия была использована В. М. Бочковым и В. А. Куприяновым. Они осуществляли в приборах №1 и 2 сдвиг поворотом ролика на 10° (навеска 30 .иг).
В табл. И помещены следующие значения удельных давлений прижатия: Л—п (30%) и Р\_п (100%) для при. бора № 1 и Рц-п (50%) и Рц-П (100%) для прибора №2. Кроме того, в таблице даны значения критического напряжения Рхч> в приборе № 2, полученные нами при ударе. Обращает на себя внимание параллелизм всех приведенных величин давления. Этот параллелизм иллюстрируется графиками зависимостей Р-1р(50%) и Рц-П (50%) от Ркр (рис. 32): Р\_и (100%) от Ркр (см. рис. 32), а также Р-гр (100%), Ргр.м (100%),IVn (Ю0%) и РГ-п (30%) от Ркр (рис. 33).
В схемах воздействия, изображенных на рис. 1, 3 и рис. 31, г, происходит сдвиг «в приборе № 2», а в схеме
Значения «рунических напряжений (в тыс. кПсм-'), полученные в разных приборахЗначения «рунических напряжений (в тыс. кПсм-'), полученные в разных приборах
Значения «рунических напряжений (в тыс. кПсм-'), полученные в разных приборах
Значения «рунических напряжений (в тыс. кПсм-'), полученные в разных приборах
Рис. №. Сравнен не результатов, полученных при ударе и при быстром сдвиге или трении
По оси абсцисс отложено критическое напряжение Р в приборе_№ 2, до оси ординат: I — РТ—п (100%) (Л):
П- Лгр (50%) (О) и Рц-п (50%) (□)
£7—азид свинца; б —тэи; ^ _ гексоген; г — тетрил; д — пикриновая кислота: е — тротил
рис. 31, в — сдвиг «в приборе № 1». Величины Ркр примерно совпадают с величинами давлений прижатия, которым соответствует 100% взрывов при сдвиге «в приборе №2». В то же время они значительно превосходят величины давлений, которым соответствует 50% взрывов при сдвиге «в приборе № 2», и оказываются примерно в 1,5 — 2 раза ниже, чем давления Р[_п (100%), соответствующие 100% взрывов при сдвиге «в приборе № 1». Напомним, что по оценке, которая производилась в гл. 1, § 2, величины истинных критических напряжений Ркр оказались в 2 — 2,5 раза выше, чем Ргр(100%).
Для объяснения различия абсолютных значений критических напряжений, относящихся к разным условиям (прибор № 2 — удар, прибор № 2 — сдвиг и прибор № 1 — сдвиг), обратимся к распределению гидростатического давления в приборе № 2 (см. рис. 3, б, пунктир). Будем ориентироваться на это распределение, хотя оно, по-видимому, хорошо выполняется лишь вблизи прочностного разрушения. Величины Ртр, приведенные в табл. 11, получены при сдвиге верхнего ролика на 2 мм. Однако, как показано Мамаевым, если этот сдвиг составляет всего 0,1 мм, то результаты изменяются слабо. Отсюда следует, что взрыв происходит в начале сдвига, поэтому можно пользоваться исходным распределением гидростатического давления. Помещая кристалл тэна в различные по радиусу места оловянного диска, Мамаев показал, что наименьшие давления прижатия, требующиеся для возбуждения взрыва, соответствуют распо-
ложейлю кристаллика в центре. Отсюда следует, что возбуждение взрыва при сдвиге по схеме О (см. рис. 1) происходит при максимальном давлении, которое примерно в 2—2,5 раза выше, чем среднее, т. е. во столько же раз, во сколько ожидаемые величины Ркр превосходят Р^ (100%). При сдвиге в приборе ЛЬ 2 поворотом ролика возбуждение взрыва также должно происходить вблизи центра, поскольку сдвиг на величину 0,1 лш достигается уже в 1 мм от центра. Тем самым совпадение величин Рц-п и Ргр при одной и той же частости взрывов (см. рнс. 32 и 33) представляется совершенно естесгвенпым. Что касается сдвига «в приборе № 1», то распределение давления при очень малом зазоре должно быть равномерным |95].
В действительности же равномерность распределения, по-видимому, искажена, ибо при равномерности вероятностный характер испытаний должен был бы отсутствовать. Будем считать в этом случае распределение давления приблизительно равномерным, т. е. Р^Р (по-видимому, при 100% взрывов распределение ближе всего к равномерному). При соблюдении равномерности распределения переход к взрыву был бы связан с достижением истинного критического напряжения Ркр. В известном согласии с этим величины Л-п (100%) примерно в 1,5 — 2 раза превосходят величины Ртр (100%) и Рц—п (Ю0%). Из рис. 32 следует такое же соотношение между величинами Ркр и Р^-.Р^^ 1,5-4- 4—2 Рцр (по-видимому, коэффициент пропорциональности
Рис. 33. Сравнение резупьтатов, полученных при ударе и при быстром сдвиге или трении
Ни оси абсцисс отложено критическое напряжение ^кр в приборе № 2. по осн ординат: О— ^Гр Ш-(1%); D-PTp. м W v —
- РИ„П (100%); д ~-Р1_п(30'Ы и азид свинца: б—тэи; в — гек- пп еп: г — тетрил; д — пикриновая кислота; е — тротил
несколько ближе к 2). Параллелизм критических напряжений в разных приборах подтверждает то, что каждое из них (в том числе и критическое напряжение Ркр в приборе № 2, полученное при ударе) определяется главным образом величиной истинного критического напряжения.
Хотя согласие результатов, полученных при ударе и при сдвиге, в общем довольно хорошее, анализ более тонких эффектов затруднен отсутствием точных сведений о распределении напряжений и количественной теории механизма разогрева.
Несколько отвлекаясь, сделаем одно замечание, относящееся к инициирующим ВВ и касающееся их температур плавления. В табл. 12 приведены предсказанные выше для них температуры плавления Тга, величины Ртр(50%), Ртр (100%) и Ркр (в тыс. кГ/им2), температуры вспышки при 5-секундной задержке Гвсп и температуры плавления добавок Рил. д. которые в опытах Боудена [19] показали сенсибилизирующий эффект. Существование критических напряжений указывает на то, что температура плавления находится ниже критической температуры. Предсказанные температуры плавления действительно лежат ниже температур плавления добавок Рпл.д» сенсибилизирующих ВВ (напомним, что величина 7%,. д интерпретировалась Боуденом как критическая температура очагов разогрева). Таким образом, не настаивая на хорошей точности предсказанных температур плавления для инициирующих ВВ, можно отметить, что они нигде не вступают в противоречие с известными данными.
Обратимся далее к возбуждению взрыва при ударе в приборе К» 1 (см. рис. 1, а). Частость взрывов в этом приборе существенно зависит от величины зазора. Этому случаю соответствует задача выдавливания в теории обработки металлов давлением (например, выдавливание гильз). Данная задача строго не решается и к ней обычно применяют упрощенные подходы, например следующий [96]: складывают два средних давления деформирования, выдавливания в зазор (осадка полосы толщиной I и шириной Л) и осадки основного диска (с отношением hiDy
Поступая таким образом, для среднего давления разрушения в приборе № I получаем
Рпр —1 ^ГфРпр —1 ^Гф1ф1фh , D \2 УЗ/ ' зУТ/г/h , D \2 УЗ/ ' зУТ/г/(31)(31)
Рпр —1 ^Гф
Рпр —1 ^Гф
1ф
1ф
h , D \
2 УЗ/ ' зУТ/г/
h , D \
2 УЗ/ ' зУТ/г/
(31)
(31)
где I — величина зазора.
Используя выражение (31), рассмотрим качественно возбуждение взрыва при ударе в приборе № 1. Предположим, что критические напряжения в приборах № 1 и 2 при ударе отличаются мало, т. е. Р^р ~ Вкр. Тогда в силу повышения кривой прочности, согласно (31), толщина заряда rip, при которой должен происходить в приборе № 1 переход от разрушения к взрыву, должна быть больше, чем таковая для прибора № 2 (rip), причем тем больше, чем меньше зазор. Это приводит к тому, что тротил, у которого /ind или (/i/D)kp мало, при «стандартной» навеске взрывается в приборе № 1, тогда как в приборе № 2 он не взрывался, а частость взрывов тетрила увеличивается по сравнению с прибором № 2. Поскольку /1кр2>^кр» то Уже такое вещество, как гексоген (rip = 0,25 xui), если его испытывать в приборе № 1, попадает при «стандартной» навеске в область /К^йкр. Это видно хотя бы из того, что частость взрывов его с повышением температуры увеличивается (табл. 13) (увеличение частости взрывов в этом случае связано с уменьшением предела прочности вещества). Для высокоплавких ВВ в приборе № 1 зачастую наблюдается 0% взрывов при «стандартной» энергии удара (W^ = 2,5 кГм), что в согласии с выражением (31) объясняется их высокой прочностью (условие прочности не достигается). Увеличение rip (зависит от величины зазора) по сравнению с rip должно приводить к исчезновению аномалии кривых частости, так как увеличивается интервал между й!<р и /in. Действительно, тетрил («стандартная» навеска) дает в приборе № 1 кривые частости, которые с повышением энергии удара достигают 100%. Сложность прибора Ле 1 по сравнению с прибором № 2 заключается в том, что поведение ВВ в приборе № 1 определяется двумя размерами (/г и L D = const), в то время как в приборе № 2 всего лишь одним (/z, D = const).
В опытах П- И. Васильева [36| были переменными величина зазора и начальная температура Т„, от которой зависит <тпр. При сопоставлении влияния зазора и температуры результаты, полученные Васильевым (см. табл. 13), хорошо объясняются с помощью условия прочности в приборе № 1 (см. уравнение 31) и условия критических напряжений: Р^РкР. Объяснение получает также влияние предварительной подпрессовкн заряда, которая может в зависимости от величины зазора для разных ВВ как увеличивать, так и уменьшать частость
взрывов. Эго объяснение основано на увеличении пластичности ВВ при повышенных давлениях в условиях статического нагружения (данное явление обсуждалось выше) и заключается в следующем: при подпрессовке ВВ может
h + 6 2 ¥31h + 6 2 ¥31Рпр ^прРпр ^пр+ ~3 V 3 h /+ ~3 V 3 h /выдавливаться частично в зазор и тогда условие прочности (31) изменяется. Если такое выдавливание невелико, то приблизительно имеем
h + 6 2 ¥31
h + 6 2 ¥31
Рпр ^пр
Рпр ^пр
+ ~
3 V 3 h /
+ ~
3 V 3 h /
где 6 — высота заполнения зазора.
Таким образом, влияние подпрессовки сказывается через изменение условия прочности. Следует упомянуть опыты по определению частости взрывов в приборе № 1 при ударе с частичным заполнением зазора инертным веществом (опыты проводились с тетрилом, для заполнения зазора использовался воск [92]). Так-как заполнялся зазор между муфтой и нижним роликом, то во втором члене формулы (31) следует опустить коэффициент '/2. Заметим, что проведенный анализ возбуждения взрыва в приборе № I в зависимости от различных факторов является в известной мере качественным (использованные формулы имеют приближенный характер, кольцеобраз- иость зазора может искажаться из-за смещения ротиков). Еще более сложен для анализа так называемый «стандартный» прибор (см. рис. 1, г). Дополнительную сложность по сравнению с прибором № 1 вносит использование роликов с фасками. И хотя многие закономерности, полученные для приборов № 1 и 2, могут проявляться в «стандартном» приборе, нам кажется, что он так же мало пригоден для исследовательских целей, как и для испытаний ВВ па чувствительность.
В работе [30] была предпринята попытка подтвердить роль давления при возбуждении взрыва ударом (условие критических напряжений, по терминологии настоящей работы). При этом использовались данные Лейгма- на [33], полученные в приборе № 1, и сопоставлялись величины давлений Рт, развивающиеся при ударе, которым соответствует 50% взрывов, с разностью температуры вспышки при 5-секундной задержке и температуры плавления (при этом подразумевалось, что
Процент взрывов в приборе № 1 в зависимости от величины зазораПроцент взрывов в приборе № 1 в зависимости от величины зазора
Процент взрывов в приборе № 1 в зависимости от величины зазора
Процент взрывов в приборе № 1 в зависимости от величины зазора
М(г-смУ/гМ(г-смУ/гРис. 34. Зависимость разности ^всп —^пР от максимального давления удара [3(J]Рис. 34. Зависимость разности ^всп —^пР от максимального давления удара [3(J]эта разность по крайней мере параллельна разности критической температуры и температуры плавления). Хотя в итоге такого сопоставления пропорциональность Рт~Т 11Сп — Тип и была получена (рис. 34), однако этот результат (несмотря на справедливо ожидаемое РКр~7кр — 7пп) следует считать _случайным, так как условие Рпр = Ркр выполняется только при /г = АкР , последнее же вряд ли имело место для
М(г-смУ/г
М(г-смУ/г
Рис. 34. Зависимость разности ^всп —^пР от максимального давления удара [3(J]
Рис. 34. Зависимость разности ^всп —^пР от максимального давления удара [3(J]
всех использованных при сопоставлении веществ (21 пан-
мелование).
Заканчиваяповедения ВВ
обсуждениеобсуждениев различныхусловиях деформации, отметим, что результаты испыта-в различныхусловиях деформации, отметим, что результаты испыта-ний ВВ в разных приборах не только хорошо объясняются с помощью тех представлений, которые были выше развиты для условий прибора № 2, но и сами дают им дополнительное подтверждение. Отсюда следует обобщение полученного ранее вывода: задача возбуждения взрыва при механическом воздействии в общем случае сводится к прочностной (изотермической) задаче с особо наклады-
обсуждение
обсуждение
в различных
условиях деформации, отметим, что результаты испыта-
в различных
условиях деформации, отметим, что результаты испыта-
ваемым условием на давление всестороннего сжатия Р>Ркр ('при этом, однако, имеется следующее ограничение: размер деформирующегося заряда должен быть не. меньше некоторого предельного, определяемого запаса упругой энергии, необходимой для создания эффективного очага).
Выводы
С помощью анализа неизотермической деформации пластических сред доказывается, что разогревы при пластической деформации, приближающиеся к температуре плавления, могут достигаться только локально. Конкретный механизм разогрева при этом зависит от условий деформации. Здесь рассмотрен механизм разогрева при сдвиге. Получено, что при исизотермическом сдвиге пла-
стических тел должен возникать разрыв скоростей деформаций, на котором происходит выделение тепла. При этом упругая энергия, запасенная в образце, переходит в работу деформации на разрыве, являясь энергетическим источником разогрева. Существенной особенностью такого процесса разогрева является его самопроизвольность. Возникновение локального разогрева при сдвиге обусловлено неустойчивостью иеизотермической деформации.
Идею процесса разогрева при пластическом сдвиге с некоторыми физическими усложнениями удалось затем применить для хрупкого прочностного разрушения, при котором происходят, как показано в гл. I, образование и возбуждение взрыва в твердых В В при ударе. Трение и последующее плавление на поверхности разрыва скоростей деформаций при прочностном разрушении имеют аналогию с явлениями, происходящими при сварке металлов трением. Получен ряд подтверждений предложенного механизма разогрева. Так, опыты с модельными зарядами показали, что образование разогревов и возбуждение взрыва в приборе № 2 происходят па контактных поверхностях, где как раз имеет место разрыв скоростей при разрушении. Подтверждающими являются также опыты по возбуждению взрыва при медленном сжатии, указывающие на самопроизвольность процесса. Из предложенного механизма вытекает понятие о существовании предельного (наименьшего) размера образца, при котором запас упругой энергии может еще обеспечить образование эффективного очага. Это понятие позволило объяснить определяющую роль деформации заряда как целого при возбуждении взрыва механическим воздействием. Объяснение также получило явление аномального хода кривой частости, отмеченное в гл I.
В результате изучения механизма разогрева полущен следующий вывод: задача возбуждения взрыва при механических воздействиях в общем случае сводится к прочностной (изотермической) задаче с дополнительным условием на давление всестороннего сжатия (применимость задачи ограничивается некоторой предельной величиной размера заряда). Этот вывод позволил объяснить многочисленные экспериментальные результаты, полученные при возбуждении взрыва в различных условиях деформации.
Г Л AB A III
ЭЛЕМЕНТЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ПОДХОДАК ЗАДАЧАМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТВЕРДЫХ ВВК МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
Развитие взрывав условиях механических воздействий
Как говорилось в § I введения, в вопросе о существовании такого свойства ВВ, как определенная чувствительность к механическим воздействиям, имеется противоречие. Из одних только условий возбуждения взрыва (условия критических напряжений и условия прочности) такой характеристики не следует. Эти условия определяют лишь образование самовоспламеняющегося горячего очага -и ничего не говорят о том, к какому результату приведет в дальнейшем локальное самовоспламенение. В то же время известно, например, из копровых испытаний, что взрывчатое превращение, начинаясь локально, может в дальнейшем затухать. Укажем в этой связи на работу Беляева, Боболева и Ратнер [97], в которой было предложено рассматривать вероятность взрыва при ударе как произведение вероятности возбуждения очага п вероятности распространения взрывчатого превращения от очага. Очевидно, что при изучении чувствительности ВВ к механическим воздействиям необходимо, кроме процессов возбуждения взрыва, исследовать процесс распространения взрывчатого превращения. Весь материал, изложенный выше, относился к возбуждению взрыва, т. е. к образованию разогрева критической температуры и его самовоспламенению. Гораздо меньше исследовался процесс распространения взрывчатого превращения из начального очага взрыва. Спецификой процесса распространения в условиях, например, воздействия ударом является то, что распространение происходит в тонком
слое ВВ, поджатом высоким давлением. Остался открытым вопрос о минимальном размере очага, воспламенение которого приводит к самораспространяющемуся процессу. В работах Боудена и сотрДН, 19. 22], Боболева и Дубовика (66, 98, 99] исследовались режимы саморас- иространяющегося процесса методами высокоскоростной фоторегистрации, при этом наковальня или одно из тел, ограничивающих заряд, изготовлялись из прозрачного материала (стекло, плексиглас).
В опытах Боудена с жидкими ВВ при ударе очаг инициирования задавался небольшой полостью в ударнике. При этом вначале развивается горение, скорость которого быстро возрастает примерно до 300—400 м/сек, затем внезапно следует переход в малую скорость детонации (детонация возникает впереди ускоряющегося фронта пламени). Аналогичная картина развития получена при инициировании искрой и взрывом проволочки в тонком слое жидкого ВВ, ограниченном твердыми поверхностями. Сели инициирование производится взрывом кристаллика азида свинца, то в этом случае детонация с малой скоростью может возникать сразу. Большая часть опытов, относящихся к жидким ВВ. проводилась на нитроглицерине.
Переходя к твердым ВВ, обсудим сначала случай развития взрыва в условиях тонкого слоя (1 мм^, предварительно поджатого давлением примерно в 1000 атм, при инициировании накаливанием или взрывом проволочки [98] (схема соответствующих опытов показана па рис. 35). Распространение взрывчатого превращения от центра инициирования сначала происходит с ускорением, а затем с постоянной скоростью. Для такого процесса и, в частности, его самоускорения нам кажется подходящим следующее объяснение: поскольку при распространении пламени от очага отвод газообразных продуктов реакции практически исключен, то в продуктах развивается высокое давление и они играют роль своеобразного поршня, воздействующего на окружающее ВВ в радиальном направлении и вызывающего в нем возмущение в виде волн сжатия. Движение вещества впереди фронта пламени приводит к нарушению сплошности (образованию трещин), куда и проникают горячие газы, усиливая процесс трешинообразовапия: горение принимает струнный характер (на покадровой съемке
видны отходящие от основной области, охваченной свечением, многочисленные острые выбросы свечения); увеличение поверхности горения и давления в продуктах способствует прогрессивному сгоранию вещества и усилению волн сжатия, что в принципе может вызвать переход горения в детонацию, если режим струйного горения нс стабилизируется.
Вне. 35. Схема постановки опытов при исследовании развития взрыва в тонком слое, находящемся под давлением (инициирование накаливанием или взрывом проволочки)
/ — слой ВВ; 2 — проволочка; 3 — прозрачное основание; 4—зеркало;
5 — ждущий фоторегистр
Для нс слишком мощных ВВ распространение плавно ускоряется и, достигнув 300 м/сек для тетрила и 500 м/сек для дины, идет далее с постоянной скоростью (по-видимому, в этом случае имеет место стабилизировавшийся режим струйного горения). В случае мощных ВВ после ускорения пламени до 300 —500 м/сек происходит резкий переход па стационарный режим распространения со скоростями: 700 м/сек у октогена, 700—800 м/сек у гексогена и 900—1000 м/сек у тэпа. Происхождение этого режима волновое, так как он возникает впереди ускоряющегося фронта пламени. Поэтому, учитывая порядок скоростей, естественно его рассматривать как режим детонации с малой скоростью. Непосредственным подтверждением предполагаемой интерпретации режимов может служить следующий опыт 166]: на пути уста- повпвшегося процесса помещается преграда (использовалась латунная пластина толщиной 1 мм. врезанная в плексиглас), при этом в случае октогена, гексогена и тэпа процесс передается через преграду и следует далее с той же скоростью, а в случае тетрила и дины не передается. В очень мощных ВВ типа тэпа малая скорость детонации неустойчива, опа постепенно ускоряется до 1100 м/сек и скачком переходит в детонацию с нор-
мальной скоростью. Ускорение и переход в детонацию, по-видимому, являются результатом усиления волны под действием догорания ВВ за фронтом малой скорости детонации, если этому догоранию не воспрепятствует большая деформация оболочки. Если продолжением сжатого ВВ является несжатое, то интересно знать, какие изменения произойдут при распространении взрыва из области сжатия в несжатое ВВ. В описываемых опытах получено, что детонация с малой скоростью переходит при этом в детонацию с нормальной скоростью, соответствующей насыпной плотности, а быстрое горение (до 500 м/сек) затухает.
Некоторые экспериментальные результаты по развитию взрыва при ударе по тонкому слою В В (0,1 льи) приведены в книге Боудена [19]. Если для тэна быстрое горение ускорялось в зоне сжатия примерно до 1000 м/сек, резко переходя при выходе в несжатое вещество в детонацию с малой скоростью (от 1000 до 2500 м/сек в зависимости от плотности и толщины слоя ВВ), то для гексогена и тетрила горение ускоряется до меньших скоростей (100—300 м/сек) и затухает при выходе из зоны сжатия. При воздействии ударом и создании очага инициирования небольшим количеством азида свинца в гексогене и тетриле сразу развивается детонация с малой скоростью, которая передается на окружающее боек ВВ, несколько увеличиваясь по скорости. Картина развития взрыва в столь же топком слое тэна, плотно зажатом между твердыми поверхностями (при инициировании проволочкой), аналогична картине, полученной при ударе. Гремучая ртуть и органические азиды ведуст себя подобно тэну. Неорганические азиды, помещенные в виде тонкого слоя между твердыми поверхностями, при инициировании искрой или накаленной проволочкой детонируют с малыми скоростями, лежащими в пределах от 770 м/сек (азид кальция) до 2300 м/сек (азид свинца). В то же время, как говорилось выше, заряды азида и гремучей ртути (h^0,2 мм) в приборе Хе 2 детонируют при ударе с нормальной скоростью, о чем свидетельствует разрушение роликов.
Сумма изложенных сведений по распространению взрыва, несмотря на их разрозненность, дает некоторое качествеишое представление о характере происходящих процессов и указывает на их сложную зависимость от
условий опыта (толщины слоя, давления и пр.). Количественной теории наблюдающихся режимов, пределов их распространения и условий перехода одних режимов в другие в настоящее время нет. Поскольку режимы распространения взрывчатого превращения могут быть различными, то для практических оценок чувствительности ВВ необходимо, кроме условий возбуждения взрывчатого превращения, установить, будет ли это превращение распространяться, а если будет, то в какой форме.
Классификация механических воздействий
Под чувствительностью В В к какому либо воздействию понимают его способность реагировать на это воздействие возникновением горения, взрыва пли детонации (36]. Причем в понятии чувствительности к ударной волне подразумевается возбуждение детонации, в понятии чувствительности к тепловым воздействиям — возникновение вспышки. С этой точки зрения понятие чувствительности к механическим воздействиям, в сущности, не определено. Ответ на то, о возбуждении какого взрывчатого превращения идет речь, когда говорится о чувствительности ВВ к механическим воздействиям, очевидно, следует искать в практических задачах чувствительности как раздела теории ВВ. Одна задача—безотказное инициирование определенного режима взрывчатого превращения с помощью механического воздействия. Здесь постановка ясная. Другая задача — оценка опасности обращения и производства ВВ. В ряде случаев опасность того или иного режима взрывчатого превращения тоже ясна. Обращая внимание на условия распространения взрыва, введем классификацию механических воздействий — разделение всех механических воздействий на два разряда:
Л. Д е ф о р м а ц и я в з а м к и у т о м о б ъ е м с (прессование, шнекование, снаряжение боеприпасов, разрывной снаряд при выстреле). В таких условиях достаточно локального воспламенения, чтобы взрыв распространился на весь объем, т. е. определяющим является процесс возбуждения взрыва и оценка опасности должна выводиться на основе следующей схемы процесса: воздействие (деформация) ■—разогрев ВВ —тепловое самовоспламенение. При этом для каждого частного случая 126
деформации ВВ в замкнутом объеме (для каждых частных условий деформации! существует своя определенная задача — прочностная задача с дополнительным условием на давление всестороннего сжатия. Ограничение применимости этой задачи, согласно 'Которому размер деформирующегося заряда должен быть не меньше некоторого предельного, в большинстве случаев, по- видимому, не существенно, так как предельные размеры довольно малы. Опасность деформации ВВ в замкнутом объеме должна зависеть как от свойств ВВ (критического напряжения, механических свойств)., так и от условий деформации. Хотя каждый частный случай вполне определенен, в то же время для разных случаев замкнутых объемов определенной механической чувствительности как свойства взрывчатого вещества не существует.
Б. Механическое воздействие по открытому объему. При таких воздействиях всегда существует зона действия 'внешних спя (зона сжатия), которая окружена основной массой ВВ, и определяющим опасность является не только процесс возбуждения взрыва, но и процесс распространения взрывчатого превращения от начального очага па основную массу ВВ, так как последний может затухать как в зоне сжатия, так и при выходе из нее. В условиях испытаний твердых В В на копре горение, возникшее от очага воспламенения, затухает при спаде давления в конце удара пли из- за выброса части ВВ из области сжатия (причиной выброса может быть действие сильно сжатых продуктов горения). В обоих случаях горение затухает при гидродинамической разгрузке области сжатия. Если теперь предположить, что эти факторы могут действовать всегда, то для непрерывного распространения взрывчатого превращения горение должно перейти в детонацию до наступления разгрузки области сжатия. Учтем также результат. полученный при изучении распространения -взры-ва в тонких поджатых слоях В В [19, 66, 98]. Если продолжением поджатого слоя является несжатое ВВ, то быстрое горение при переходе в несжатое ВВ затухает, а детонация передается (при этом детонация с малой скоростью может переходить в детонацию с нормальной скоростью). Таким образом, в качестве основы для разбора задач при воздействии по открыто-
му объему ВВ может быть принята следующая принципиальная схема: механическое воздействие — разогрев ВВ — тепловое самовоспламенение очага — горение с переходом в детонацию в зоне сжатия—детонация в несжатом ВВ. (Заметим, что, принимая такую схему процесса, мы ориентируемся па большинство вторичных ВВ. Если же взрывчатая система горит столь быстро, что разгрузка не сможет привести к затуханию горения, то тогда схему развития процесса следует соответствующим образом изменить.)
В дальнейшем будем разбирать только механическое воздействие по открытому объему В В. Ка к уже говорилось, количественной теории для стадии «горения с переходом в детонацию в зоне сжатия» в настоящее время нс имеется. Однако очевидно, что при выходе из зоны сжатия и в несжатом ВВ должны выполняться условия (по крайней мере критические) для распространения детонации. Рассмотрим несколько задач по возбуждению детонации ударом, исходя из критических условий возбуждения взрыва в зоне сжатия и критических условий распространения детонации вне зоны сжатия, точнее при выходе из зоны сжатия (будем предполагать, что переход горения в детонацию в зоне сжатия всегда происходит, так как только при таком предположении пока возможен дальнейший анализ вопроса).
Некоторые общие случаимеханического воздействияпо открытому объему ВВ
Удар по «полупространству»
Рассмотрим некоторые модельные задачи, отражающие наиболее общую форму воздействия. Будем разбирать случай удара абсолютно жесткого тела по заряду твердого ВВ. При этом скорость ударяющего тела много меньше скорости звука во взрывчатом веществе, т. е. процесс удара происходит статически. На рис. 36 приведены схемы механического воздействия по заряду ВВ в наиболее общем виде. Обратимся к схеме, изображенной на рис. 36, а. Такой постановке отвечает задача из теории пластичности о вдавливании жесткого штампа с плоским
Рис, 36. Схема удара по полупространству (сетка линий скольжения дана по Прандтлю)
а —случай без внедрения; б — случай с сильным внедрением
основанием в полупространство. Воспользуемся для простоты решением двумерной задачи (имеется несколько сходных решений, полученных методом характеристик: Прандтля [100], Хилла [101] и Прагера [102], среда идеализируется как жестко-пластическое тело). На рисунке нанесены линии скольжения по Прандтлю. Из названных решений следует, что максимальное гидростатическое давление при деформации (на поверхностях скольжения) приблизительно равно 3crs. Такова же величина давления штампа на полупространство. По мере внедрения штампа давление будет увеличиваться вплоть до тех пор, пока поле линий скольжений не примет вид, показанный на рис. 36, б [103]. При этом давление штампа на среду и максимальное давление всестороннего сжатия на поверхностях скольжения достигают значения 4.80$ . Экспериментальные измерения, проводившиеся при внедрении цилиндрического плоского штампа, дали величину ^3,1 Os [58].
Предположим, что решение для жесткопластической среды выполняется и для хрупких тел, если вместо предела текучести подставить предел прочности стпр (такое предположение экспериментально подтвердилось для деформации в тонких слоях). Поскольку по условию критических напряжений необходимо, чтобы гидростатическое давление было не меньше РКр, то при ударе по схемам, изображенным на рис. 36, эффективный очаг может
5 Г. Т. Афанасьев В. К. Боболев 129
образоваться лишь у тех ВВ, у которых
-^- <3-ь 4,8, (32) °гф
иначе говоря, для этих ВВ при выполнении условия прочности, если удар производится по рассматриваемой схеме, условие критических напряжений удовлетворяется автоматически. Выше было получено, что Ркр ~ РчР (100%) (см. рис. 33) и РКр = 1,5—2 Ркр . Из сравнения величины пределов прочности (см. табл. 6) и критических напряжений (см. табл. 12) следует, что для испытанных инициирующих веществ (или некоторых из них) возможно получить взрыв при ударе по полупространству. Это одна из интересных экспериментальных задач, выполнение которой позволит уточнить условие (32).
Для того чтобы возбудить детонацию полупространства ВВ ударом, очевидно, требуется удовлетворить критическим условиям инициирования детонации. Будем считать, что диаметр ударяющего тела D должен быть не меньше критического диаметра детонации t/Kp, а минимальный размер ударяющего тела Оман, еще способного возбудить детонацию, должен быть равен ему. Отсюда следует выражение для минимального усилия удара, способного возбудить детонацию полупространства ВВ:
^МНН ^кр-(33)
Выражения (33) распространяются на класс ВВ, отвечающих соотношению (32). Они получены из прочностной задачи и предположения о критических условиях инициирования детонации. Существенно, однако, вспомнить об ограничении задачи возбуждения взрыва для зарядов малого размера (в рассматриваемом случае для малых размеров зоны удара). Если этот размер больше критического диаметра детонации, то уд ар с параметрами, определяемыми выражениями (33), не вызовет детонации заряда, так как взрыв вообще не возбудится. Критические диаметры детонации очень малы у инициирующих ВВ (например, у азида свинца он порядка 10~2 мм [104]). Из модельной схемы сдвига (см. рис. 31), па которой разбирался механизм ооразования локального разогрева, сле- 130
д\ет некоторый предельный размер образца ant связанный с запасом упругой энергии, необходимым для создания наименьшего очага, способного привести к саморас- пространяющейся химической реакции. При деформации ВВ в приборе №2 предельная толщина заряда hn должна быть меньше, чем ап из-за большого градиента давления по радиусу. Этот градиент вызывает дополнительный сдвиг и переход упругой энергии (теперь уже все- стороннего сжатия) из зоны максимального давления в работу неупругой деформации на поверхности разрыва скоростей деформаций. Примем условно для удара по полупространству, что предельный размер зоны удара равен ап (такое предположение, по-видимому, весьма близко к действительности, так как гидростатическое давление в данном случае имеет тот же порядок, что и предел прочности). Тогда при an> dKp выражения для минимального размера ударяющего тела и минимального усилия удара, при которых должно происходить возбуждение взрыва (и последующая детонация), принимают следующий вид:
Fмин = (3 -т- 4,8) -у- Dмин^пр»
Омни = Сп. (34)
Полученные выражения могут иметь значение в первую очередь для инициирующих ВВ. Однако произвести конкретные оценки, связанные с этими выражениями, пока нельзя. В дальнейшем требуются специальные теоретические и экспериментальные исследования для уточнения самих приведенных выражений и для определения таких величин, как dKp и ап.
Если ^кр^^пр» то такие ВВ, согласно условию критических напряжений, вообще не должны допускать механической обработки, т. е. должны быть сверхчувствительными. Интересно при этом заметить, что испытанные инициирующие ВВ не попадают в разряд сверхчувст- витсльных (и это соответствует действительности: например, при соблюдении тщательных 'Предосторожностей они допускают механическое измельчение), так как для мнх Ркр><Тпр. Условие Ркр^опр не ис" черпываст вопроса о сверхчувствительности ВВ, связанной с тепловым механизмом инициирования. Для сверхчувствительности необходима также легкость возбуждения детонации; кроме того, необходимо, чтобы величина а „была достаточно мала. Тем более сверхчувствительными к механическим воздействиям должны быть вещества, у которых 7'кр$СГгии РКр=0. Эффективные горячие очаги в таких
веществах могут образовываться при сухом трении кристаллитов ВВ друг о друга. Прикосновение посторонних тел, если оно сопровождается трением, может вызывать взрыв таких ВВ, причем это должно происходить тем легче, чем ниже их температура вспышки (точнее критическая температура). Возможно, что данными соображениями объясняется сверхчувствительность веществ вроде йодистого азота (температура вспышки йодистого азота при 30-секундной задержке составляет 50’ С), однако не исключено, что подобная сверхчувствительность связана не с тепловым эффектом механического воздействия, т. е. не с разогревом ВВ при деформащЕИ i[H, 36].
Для большинства вторичных ВВ отношение Лхр/Лпр значительно больше чем 34-4,8, ы при ударе по схеме, изображенной на рис. 36, эффективный очаг образоваться не может, так как при этом никогда не выполняется условие критических напряжений из-за недостаточной величины предела прочности. Отсюда также следует, что такие операции, как сверление и резание зарядов, не опасны для вторичных ВВ (если не допускать разогрева сверла и режущего инструмента), так как ограничение давления всестороннего сжатия величиной 34-4,8 опр справедливо, во всяком случае, и для этих операций.
Удар по тонкому слою
Выше получено, что из-за большой разницы между величинами критического напряжения и предела прочности, которая имеет место для большинства вторичных ВВ, возбудить их взрыв по схеме механического удара по «полупространству» невозможно. Поскольку давление, сильно превышающее предел прочности среды, может быть получено при деформации в тонких слоях, рассмотрим другую модель удара по заряду ВВ (рис. 37).
На жесткой плоской поверхности находится слой ВВ, по которому производится удар жестким цилиндрическим телом (диаметр D) с плоским основанием. Рис. 37, а иллюстрирует удар по слою высокой плотности, рис. 37, б — по малоплотному слою ВВ, например насыпной плотности. В последнем случае, прежде чем начнется существенный рост давления, ВВ в зоне удара должно сильно уплотниться. Условия деформации в зоне удара аналогичны условиям прибора № 2 (боковое давление окружающей ударник массы В В можно не принимать во внимание, так как прочность В В на растяжение даже в литом состоянии очень низка) и подробно разби- 132
Рис. 37. Схемы удара по тонкому слою
а — плотность слоя близка к максимальной; б — слой низкой плотности (в начале удара происходит подпрессовка вещества)
рались выше. При выполнении критических условий возбуждения взрыва в зоне удара произойдет воспламенение. Распространяясь от очага воспламенения, взрывчатое превращение должно стать детонационным, чтобы выйти за пределы области сжатия. Известно, что детонация может распространяться не по любому заряду, а лишь по заряду, диаметр которого не меньше (/кр — критического диаметра детонации (при цилиндрической форме заряда). В нашем случае зарядом, по которому должно обеспечиваться прохождение детонации, является слой толщиной /г; детонация возможна только тогда, когда толщина h не меньше некоторой критической / кр, причем величина /кр по самому смыслу объяснения критического диаметра детонации [105] пропорциональна с/кр , т. е. для распространения детонации за пределы зоны удара необходимо, чтобы 1г ^ Up =Ыкр (^ — коэффициент пропорциональности, по-видимому, близкий к V2) - Обратим внимание на то, что /кр в зоне сжатия (двухсторонняя оболочка) меньше, чем в несжатом слое. Таким образом, распространение детонации лимитируется несжатым ВВ и в первую очередь выходом из зоны сжатия в несжатое ВВ.
Теперь, используя критические условия возбуждения взрыва в приборе № 2
Рпр = ^пр ( 1 Ч_ ^ = ^взр,(35)
V з/зй'
если
и необходимое условие распространения детонации h ^/кр >(36)
получаем выражения параметров воздействия (диаметра ударяющего тела D и усилия удара F), результатом которого должна быть детонация всего слоя ВВ. При Рпр = Ркр и h = /кр из выражений (33) и (34) следуют выражения для минимальной силы воздействия и минимального диаметра ударяющего тела, при которых это еще возможно:
р — л Р
МИН ^МИНД кр '
= 3 /3 -кр ~ -^ /кр.(37)
Если размер ударяющего тела меньше Омн„ пли сила воздействия меньше FMHH. то детонация всего заряда невозможна (при условии, конечно, что скорость ударяющего тела много меньше скорости звука) и взрыв может произойти лишь в зоне удара. Перечислим варианты, которые могут встретиться при ударе по тонкому слою:
1г<^ир детонация всего слоя невозможна, возможен взрыв в зоне удара, если F ^ -^-D2PKpi
h^kp, при D<D№11 детонация всего слоя невозможна, может быть лишь взрыв в зоне удара после одного или нескольких разрушений, если F > -^-D2PKp (после разрушений толщина слоя под ударником становится меньше, чем /кр; при разрушении происходит выброс вещества из зоны сжатия и разброс части ВВ, окружающего ударник); при D > DMI1:I может быть возбуждена детонация всего слоя ВВ, если F> ^-DlPKp> F^.
Таким образом, при ударе по тонкому слою детонация может быть возбуждена в некоторой области изменения параметров удара F и D, соответственно равных или превышающих FMUH п Омин, если толщина слоя 1г равна или превосходит кр.
Подобно тому, как это делалось ранее для удара по полупространству, для удара по тонкому слою следует
указать на ограничение выражений для Емин и Омиг„ связанных с критическим слоем детонации, когда величина последнего оказывается меньше hn— предельной толщины заряда в приборе № 2, при которой еще может образовываться очаг, способный вызвать самораспространяющийся процесс взрывчатого превращения. При hnj>lKp выражения для ^мии и DMmi имеют вид
F — — D2 Р
г МИН . ^МИН* кр 1
4
Р-.Н =3 /3 ^"-"ДЛп.(38)
апр
О количественной оценке чувствительности ВВк механическим воздействиям
(воздействие по открытому объему)
Принцип, «минимальности воздействия»
При рассмотрении некоторых общих случаев механического воздействия по открытому объему ВВ (удар по «полупространству» и удар по тонкому слою) были найдены для каждого случая параметры удара, который может возбуждать детонацию всего заряда. В каждом конкретном случае результат воздействия полностью определяется такими параметрами, как диаметр ударяющего тела D и усилие F, развивающееся при ударе (скорость удара не влияет на значения D и F и от нее требуется лишь одно — она должна быть не так велика, чтобы привести к образованию ударной волны, инициирующей детонацию). Поэтому именно D и F должны лежать в основе подхода к оценке чувствительности.
Ясно, что чем большие размеры ударяющего тела и усилия, требуются для возбуждения детонации какого-либо ВВ, тем менее чувствительно это ВВ к удару, т. е. чувствительность ВВ к удару может быть поставлена в соответствие с величинами D МШ[ и FMHn. Величины DMUK и F „ин характеризуют такое воздействие, при котором условия для возбуждения взрыва оптимальны. Чтобы, однако, убедиться в этом или найти еще более оптимальные условия для возбуждения взрыва, проведем дальнейший анализ условий воздействия. Введем
следующий принцип — принцип «минимальности воздействия»: из всех (Возможных условий воздействия чувствительность ВВ характеризуется параметрами такого воздействия, при котором эти параметры минимальны. Для того чтобы параметры «минимального воздействия» могли действительно выступать в роли характеристики чувствительности, требуется, хроме всего прочего, чтобы они зависели только от свойств самого ВВ и фиксированных параметров состояния (фиксированным параметром состояния ВВ, например, является начальная температура).
Таким образом, согласно принципу «минимальности воздействия», сравнение ВВ по чувствительности производится не по параметрам воздействия в одинаковых условиях, а по параметрам воздействия в условиях, оптимальных для возбуждения детонации и своих для каждого ВВ. Например, тс ВВ, у которых Л<Р >34- 4-4,8 Опр (большинство вторичных), не должны детонировать при ударе по «полупространству». Не должны они также детонировать при ударе по тонкому слою, если толщина слоя меньше критической для распространения детонации /кр . Детонация может быть возбуждена при ударе по тонкому слою с толщиной, большей или равной /кр (имеется в виду толщина слоя, сжатого под ударником). Поэтому именно этот случай следует счи- тать ответственным за чувствительность вторичных В В; при этом характеризовать ее следует параметрами «минимального воздействия».
Выше были получены выражения для F «ии и РМИн для цилиндрической формы ударяющего тела. Покажем, что при ударе по тонкому слою ВВ (см. рис. 37) из всех конфигураций плоского штампа именно цилиндрическая соответствует требованию «минимальности воздействия». Приведем выражение для среднего давления деформации жестко-пластического тела при прямоугольной форме штампа (а и b— стороны прямоугольника) [106]
Отсюда видно, что усилие деформирования (F = Psab) будет наименьшим в случае квадратного сечения штампа, но при этом оно все равно превышает в л/4 раза то
усилие, которое требуется при цилиндрическом штампе. Остановимся на возможности перекоса штампа. Допустимый тангенс угла перекоса ограничен (с точки зрения возбуждения взрыва) величиной порядка (h/D) кр, которая для испытанных вторичных ВВ мала. При таких малых углах перекоса среднее давление деформирования. как показывают расчеты по осадке клиновидных поковок [58], почти не изменяется.
Зависимость чувствительности ВВк удару от параметров состояния ВВ
Рассмотрим зависимость параметров «минимального воздействия» оте параметров состояния ВВ: начальной температуры То, дисперсности (р— размер зерна) и плотности о. Остановимся сначала на ударе по тонкому слою — случае, ответственном за чувствительность вторичных ВВ. Ниже даются выражения для £)мим и FM)II! в предположении, что / _ 1 л .
• кр " “Кр.
г л Г)^ рг МИН - - -~кр’
4
D»„ = 2.6 Л^£зДО. d„p(7V (i, p).(39)
^np (Ту)
Остановимся на зависимости этих величин от параметров состояния ВВ. Температура и дисперсность являются фиксированными параметрами состояния ВВ. плотность же в практических условиях может быть разной. Влияние плотности на величины ГМнп и DM1I1I сказывается через зависимость, от плотности критического диаметра детонации. На рис. 38 приведены данные, полученные в работах [107—109]. характеризующие изменения критического диаметра детонации химически однородных вторичных ВВ с изменением плотности. Как видно, критический диаметр уменьшается с ростом плотности и, проходя через минимум, резко возрастает вблизи плотности монокристалла. В соответствии с принципом «минимальности воздействия» величины DMim и ГМни должны находиться при той плотности, когда критический диаметр детонации наименьший (такое значение критического диаметра обозначим через dKp. М1Ю, а критическую
Рис. 38. Зависимости критического диа- гетра детонации от плотности заряда: а—верхняя кривая—для тротила с размером зерна 0,07—0,2 .ч.ч. нижняя — для тротила с размером зерна 0,01— 0.05 aim (данные получены в тонкостей- кой стеклянной оболочке) [107].б — тротил с средним размером зерна 0,06 .мл (целлофановая оболочка толщиной 0.05 ля) 1108],в — пикриновая кислота с размером зерна 0,1—0,75 мм (тонкостенная стеклянная оболочка) [107]Рис. 38. Зависимости критического диа- гетра детонации от плотности заряда: а—верхняя кривая—для тротила с размером зерна 0,07—0,2 .ч.ч. нижняя — для тротила с размером зерна 0,01— 0.05 aim (данные получены в тонкостей- кой стеклянной оболочке) [107].б — тротил с средним размером зерна 0,06 .мл (целлофановая оболочка толщиной 0.05 ля) 1108],в — пикриновая кислота с размером зерна 0,1—0,75 мм (тонкостенная стеклянная оболочка) [107]
Рис. 38. Зависимости критического диа- гетра детонации от плотности заряда: а—верхняя кривая—для тротила с размером зерна 0,07—0,2 .ч.ч. нижняя — для тротила с размером зерна 0,01— 0.05 aim (данные получены в тонкостей- кой стеклянной оболочке) [107].
б — тротил с средним размером зерна 0,06 .мл (целлофановая оболочка толщиной 0.05 ля) 1108],
в — пикриновая кислота с размером зерна 0,1—0,75 мм (тонкостенная стеклянная оболочка) [107]
Рис. 38. Зависимости критического диа- гетра детонации от плотности заряда: а—верхняя кривая—для тротила с размером зерна 0,07—0,2 .ч.ч. нижняя — для тротила с размером зерна 0,01— 0.05 aim (данные получены в тонкостей- кой стеклянной оболочке) [107].
б — тротил с средним размером зерна 0,06 .мл (целлофановая оболочка толщиной 0.05 ля) 1108],
в — пикриновая кислота с размером зерна 0,1—0,75 мм (тонкостенная стеклянная оболочка) [107]
толщину детоиациониоспособного слоя через /чз. мин-Таким образом, для оценки чувствительности вторичных ВВ к удару получаем
(^мнн)абс — Я/4 (T^MH^aec^ipi
(DM„H)e6c = 3 /3 2Ь_5Д'{Д 1т „„ (г0, ^апр ^о)
= 2,6 ^аЛ^зЯН d (Г^).(40)
% (Го)
Обратимся к зависимости чувствительности вторичных ВВ к удару от дисперсности и начальной температу- 138
ры. Влияние дисперсности ВВ на чувствительность, согласно (40), проявляется только через изменение критического диаметра детонации, который уменьшается с уменьшением размера зерна [110—112]. На рис. 39 для ряда ВВ приведены данные по зависимости критического диаметра детонации, полученные в работе [112] при
Рис. 39. Зависимости критического диаметра детонации от размера зерна (целлофановая оболочка толщиной 0,05 -х-н; плотность зарядов 1,0 г, «.и3) [112]
/ — тэн; 11 — гексоген; III — тетрил; IV — пикриновая кислота; V— тротил с кристаллическим зерном; VI — тротил с агрегатным зерном; V//— тротил T 1% парафинового масла
насыпной плотности. Снижение критического диаметра с уменьшенном размера зерна имеет место и для зарядов, спрессованных до высоких плотностей (см. рис. 38). Повышение начальной температуры приводит к уменьшению предела прочности (см. рис. 16) и критического диаметра детонации. Снижение критического диаметра с ростом температуры иллюстрируется рис. 40, построенным по данным, полученным (на тротиле) в рабооте [ИЗ] (дисперность использовавшегося порошкообразного тротила в этой работе не приводится). Согласно выражению (40), влияние начальной температуры на величины (Пмин)абс ы (Емнн)абс МОЖСТ быть раЗЛИЧНЫМ: При изменении температуры в разных областях чувствительность ВВ может как повышаться, так и понижаться.
Перейдем к схеме удара по «полупространству». Что касается влияния плотности, то уже сама эта схема предполагает высокоплотное состояние заряда. Если заряд имеет максимальную плотность (плотность монокристалла), то
мин = (3 — 4,8)(П>1Ш1)2 плр (^),
(41)(41)^МНИ = ^кр (^o)i
(41)
(41)
Г 0V
где dKp— критический диаметр детонации при плотности монокристалла.
Принципу «минимальности воздействия» отвечает такая плотность, критический диаметр детонации при которой наименьший. Минимальные параметры удара, соответствующие dKp. мин, обозначим через (Омт1)абс и (Гмш^абс. Остановимся на зависимости этих параметров от дисперсности ВВ и начальной температуры. От дисперсности зависит критический диаметр детонации, поэтому при dKp^nn для параметров «минимального воздействия», которое может возбудить детонацию заряда, имеем
(Fмин) апе(Fмин) апе= (3-b4,8)-^DLnlip.= (3-b4,8)-^DLnlip.
(Fмин) апе
(Fмин) апе
= (3-b4,8)-^DLnlip.
= (3-b4,8)-^DLnlip.
(^мин)абс ^к[>. мин (р)-
Следует заметить, что условие dKp. Mim (р) 2> ап само зависит от дисперсности. Укажем также, что критический диаметр детонации и, следовательно, (£Мпн)абс зависят от размера зерна до тех пор, пока размер зерна не превысит критический диаметр детонации ВВ при плотности монокристалла d^p, когда значения минимальных диаметра и усилия удара определяются выражениями (41). Эго существенно, в частности, для инициирующих ВВ, о возможности возбуждении детонации которых при ударе по полупространству говорилось выше. Критические диаметры детонации при плотности монокристалла у них заведомо малы и область зависимости (ОМП||)Рбс и (FMIW)a6c от дисперсности, по-видимому, весьма узка.
Интересно проследить роль, которую имеет при возбуж
дении детонации ударом по «полупространству» начальная температура. Во-первых, само условие возбуждения взрыва по схеме удара по полупространству (32) зависит от тем
пературы
^кр% (^о)^кр% (^о)<Зч-4,8<Зч-4,8(42)(42)
^кр
% (^о)
^кр
% (^о)
<Зч-4,8
<Зч-4,8
(42)
(42)
и при повышении начальной температуры ВВ возможность возбуждения детонации может утрачиваться. Далее, если условие (42) выполняется, то в зависимости от того, больше или меньше критический диаметр по сравнению с величиной пп, значение параметров (^шш)абс и (FMHH)a6c находится из выражений (33) или (34). Однако как критический диаметр
d, мм
Рис. 40. Зависимость критического диаметра детонации порошкообразного (») и расплавленного (б) тротила от начальной температуры (стеклянная оболочка) [113]
детонации, так и величина ап сами зависят от температуры; при этом 4Р(Т0) ndKp. мин (Го, ц) уменьшаются с повышением температуры, а величина ап зависит от нее, согласно (27) следующим образом:
;'JE (70) ргп (Г„)
^ =|г ^ - т^ + Lv <43> °ПР То)
Если
^Кр (То) 2> ^кр. мин (То. и)>МТ.),
то параметры (£\:Ин)абс и (Гмин)абс в соответствии с
(Fмнн)абс ~ (3-4-4,8) Т™ (Тмнн)йбс°пр (Го)
и
(Dмпн)абс - * ^кр, мин (TV О(44)
уменьшаются с повышением температуры. Если же Gn(T^>dKV (Г0)>4Р. мин(Г0, р), то зависимость их от начальной температуры имеет вид
(Гмин)абс = (3 -4- 4,8) —у (^мшОабс^пр (Г0),
(Г^ыин)абс — ^п (Го);(45)
при Р > ^кр(^о)>^п(7'о) Минимальные диаметр и усилие удара с ростом температуры уменьшаются, согласно выражениям (41).
Подобно тому, как только что сделано для удара* пи «полупространству», можно и в случае удара по тонкому слою проанализировать влияние начальной температуры па параметры «минимального воздействия» в зависимости от соотношения /кр. мин (То, И) и hn(T(,\ Если /кр мпн (То, р) > )>/2п(Т(|), то это влияние характеризуется выражениями (40). Если же An^ol^^p. wm^, р), то имеем следующее:
(^мин)абс = —~ к^ыш1)а6сРкр *
= 313" z™*^1^ ,,п (7-о)(46)
°лр С
Связь hu (Ти) с определяющими ее величинами неизвестна. Интересно, однако, что (DM11H)a6c и (Л^пОабс при условии ^лГО >/кР. мио (Ли Р) не зависят от дисперсности ВВ, хотя само условие от нее зависит. То же самое относится и к области р >/2р(710)>/7л(7п), которая одна осталась не рассмотрена: йр (То) — критическая толщина детонационно- способного слоя в зависимости от начальной температуры. Для этой области имеем
а0 — — (D° )2 Р
1 МКН , ^^МИН/ гКР1
о"ш, -3/3 ZiP"0»™ Z°p (Тоу (47> апр Си)
Об оценке чувствительности ВВк механическим воздействиям
Полученные выше выражения для минимальных параметров воздействия в зависимости от параметров состояния ВВ, по-вндимому, являются исчерпывающими для основных случаев удара по открытому заряду ВВ. Согласно принципу «минимальности воздействия», чувствительность ВВ при определенных параметрах состояния (дпсперности и начальной температуре) должна оцениваться по наименьшим значениям указанных пара- 142
метров воздействия, т. е. чувствительность должна определяться тем случаем из всех, который является самым легким для возбуждения детонации всего заряда. Рассмотрим возможность распространения полученных опенок, пока относящихся только к удару, на общий случай механического воздействия по открытому объему В В. Будем при этом исходить из сведений о поведении ВВ„ полученных в опытах при медленном нагружении зарядов на прессе, и принципа «минимальности воздействия». понимаемом в широком смысле.
Если бы величины, входящие в выражения для (ОМнн)абс и (Емин)абс при ударе и при медленном нагружении были одинаковы, то значения (Омпк)абс и (ЕМйн)абс не зависели бы от скорости воздействия. Тем не менее именно случай удара характеризовал бы чувствительность ВВ к механическим воздействиям по открытому объему, так как усилие, необходимое для возбуждения детонации, достигалось бы при ударе гораздо легче из-за малости времени действия силы. При этом имеет значение И сама величина (ЕМ1Ш)абг, поскольку усилия, например, в сотни килограммов в условиях статического приложения нагрузки вряд ли вообще встречаются в практике обращения с ВВ (имеются в виду открытые объемы ВВ), тогда как при ударе, например, грузом 10 кТ, падающим с высоты 25 см. могут развиваться усилия в десятки тонн. Таким образом, усилия при ударе и при статическом приложении нагрузки, с точки зрения реализуемости их на практике, далеко не равнозначны. В какой-то мере это обстоятельство отражается величиной ЕМ1Штвозд (твозд— время действия силы), которая в случае удара является импульсом ударяющего тела. Если, однако, минимальное усилие (Ем^абс, требующееся для -возбуждения детонации заряда при статическом нагружении, составляет |100 кГ, а минимальное усилие (Еш^абе, которое требуется при ударе, превышает его даже на порядок, то и тогда, по-видимому, не возникает сомнений, что опасность того или иного ВВ при воздействии по открытому объему характеризуется случаем удара.
Такие величины, входящие в выражения для (П>ош)абс и (Емин)абс, как критический диаметр детонации и критическое напряжение, не зависят от скорости приложения нагрузки. Скорость деформации влияет лишь на предел прочности в
условиях достаточно высоких давлений. Давление оказывает пластифицирующее действие, и при малой скорости деформирования развивается пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением, что приводит к повышению предела прочности. При снятии давления эффект упрочнения снимается. Если давления, при которых происходит деформация, невелики, то ВВ ведут себя хрупко и при малой скорости деформации. Например, при нагружении на прессе в приборе № 2 заряды с отношением h'D, превышающем 0,10, как правило, хрупко разрушаются, когда среднее давление достигает значения, соответствующего кривой прочности, полученной при ударе. Из неравенства h/D^OA, соотношения/^ _-(1,5ч-2)РКр и условия прочности следует, что влияние скорости воздействия должно быть несущественно для тех ВВ, у которых РКр/^пр <С 4,5 -ч- 6. Этому условию отвечают испытанные инициирующие ВВ. При медленном нагружении тонких слоев с отношением h/D ^ 0.1 механические свойства ВВ изменяются по сравнению со случаем нагружения ударом. Итог этих изменений выражается в том, что при медленном деформировании тонких слоев толщина заряда, при которой происходят взрывы, не более чем в 2—3 раза превосходит величину /гкр, полученную при ударе (прибор № 2). Поскольку Акр ~ опр^Ркр — ппр), то из выражений (40) следует, что (ЕМШ!)абс/(Е^
Таким образом, чувствительность к механическим воздействиям по открытому объему определяется (практически) чувствительностью к удару для тех ВВ, у которых величина (Емт^аЗс, полученная из данных измерений при ударе, по крайней мере не меньше 103 кГ. Вещества, для которых (F Mini)a6c меньше 103 кГ, обладают высокой чувстзитель- ностью к механическим воздействиям. По-видимому, их чувствительность выше, чем у тэна с размером зерна 100 як при нормальной температуре (численные оценки будут производиться ниже). Если величина (Ркпи')абс, полученная из испытаний при ударе, меньше 103 кГ, то с уменьшением (ЕмшОабс наряду с сильным ростом чувствительности к удару ВВ становятся все более чувствительными к статическому приложению нагрузки и, например, для инициирующих ВВ становится чрезвычайно опасной операция измельчения их в ступке, не говоря уже о практической недопустимости каких-либо ударов. Величина (Рмин)абе, полученная по дан-
ным измерений при ударе, должна сохранять свое значение как показатель относительной чувствительности к статическим механическим воздействиям и для веществ, занимающих по чувствительности промежуточное положение между тэном и инициирующими ВВ, если эта величина выдерживает параллелизм с аналогичной величиной, найденной для случая медленного нагружения. Таким образом, полученные выше оценки чувствительности ВВ к удару довольно в широких пределах отражают чувствительность ВВ к статическим (медленным) воздействиям и с тем большим основанием их, по-видимому, можно применять для объединенного случая! когда имеются в виду и удар, и медленное нагружение г. е. для характеристики чувствительности ВВ к механическим воздействиям (по открытому объему).
Чувствительность ВВ, оцениваемая по величинам (^мшйабс И (FMnH)auc, ЗаВИСИТ ТОЛЬКО ОТ СВОЙСТВ В В (прочности, температуры плавления, термохимических и кинетических свойств, детонационной способности и т. п.). При этом чувствительность ВВ тем больше, чем выше его детонационная способность и чем более оно реакционноспособно. Очевидность такой связи может служить одним из свидетельств справедливости предложенных оценок. Влияние параметров состояния ВВ на чувствительность его к механическим воздействиям выражается через зависимость свойств, определяющих чувствительность, от этих параметров. Полученная зависимость чувствительности ВВ от дисперсности (40) согласуется с тем обстоятельством, известным из практики обращения, что если использовать ВВ в виде крупных зерен, то оно менее чувствительно. Очень опасны ВВ в высокодисперспом состоянии (случайные скопления пыли ВВ могут быть на производствах причиной серьезных аварий).
Границыприменимости полученных оценокчувствительности
Обсудим границы применимости выражений, полученных для параметров «минимального воздействия». Обратимся прежде всего к скорости удара. Скорость удара должна быть не столь велика, чтобы в заряде об-
(> Г. T. Афанасьев, В. К. Поболев145
разевалась ударная волна, инициирующая детонацию. Таким образом, требуется оценить скорость налегающего тела, при которой детонация заряда возбуждается за счет ударной волны. Пусть воздействие происходит по схеме, изображенной па рис. 30, а. При ударе телом, налетающим со скоростью «о, граница раздела В В с этим телом движется со скоростью и2. Для ударных волн достаточно малой амплитуды имеем (акустическое приближение)
«о — и» _ Рввсвв ,0g)
«2 РмСМ
где рм. См —плотность и скорость звука для материя ла налетающего тела, (щв и Свв — то же самое для заряда ВВ.
Из формулы (48) следует, что чем больше акустическая жесткость налетающего тела, тем больше массовая скорость н2 в ударной волне, распространяющейся по заряду, при одной и той же скорости удара г/о. Если, па- пример, налетающее тело изготовлено из стали, то для вторичных ВВ массовая скорость и2 близка к скорости удара даже при ударе по заряду с плотностью монокристалла (рввСвв/рм^м^0,1). Поскольку нас интересуют наименьшие скорости удара, при которых ударная волна инициирует детонацию, то будем в дальнейшем ориентироваться на тот случай, когда акустическая жесткость налетающего тела велика и, следовательно, и2 ^«о- Возбуждение детонации ударной волной является сложным процессом, зависящим от давления в ударной волне, ее формы и длительности, а также от поперечных размеров налетающего тела. В настоящее время возможен только приближенный учет этих факторов. Для возбуждения детонации диаметр ударяющего тела должен быть равен критическому диаметру детонации (и тогда скорость инициирующей ударной волны должна быть равна скорости детонации в критических условиях [114]) или больше его (при этом скорость инициирующей ударной волны уменьшается с увеличением диаметра и при ^^^ид приближается к скорости звука [115]; dtlR— приблизительная величина наименьшего диаметра заряда, при которой скорость детонации равна идеальной 146
для данной плотности). Уменьшение скорости инициирующей ударной волны и ее амплитуды с увеличением диаметра связано с ослаблением боковой гидродинамической разгрузки. Продолжительность действия ударной волны определяется продольным размером ударяющего тела /, от которого зависит осевая разгрузка. При уменьшении продольного размера ударяющего тела давление в ударной волне, необходимое для возбуждения детонации, увеличивается. Если /^см^ид/2свв, то осевая разгрузка становится несущественной и критическое давление в инициирующей волне не изменяется [115].
Таким образом, критическое давление в инициирующей ударной волне должно быть наименьшим при 1*^ >с*м 5ид/2с вв и Р^З^ид. Будем считать, что размеры налетающего тела удовлетворяют этим условиям. Критическое давление инициирующей ударной волны сильно зависит от плотности, например для тротила при изменении плотности от 1,0 до 1,63 г/см^ оно, по данным разных авторов, изменяется от 8—9 до 130—150 кбар [118]. Для оценки наименьшей скорости удара, инициирующего детонацию за счет ударной волны, будем ориентироваться на насыпные плотности. Наименьшие значения критических давлений в ударной волне, имеющиеся в литературе, составляют 2,5—3 кбар (высокодисперсные тэн [116] и октоген [117]). Используя обобщенную ударную адиабату для пористых органических веществ [118], получаем, что искомая величина и0 составляет примерно 500 м/сек. Вообще говоря, для каждого ВВ существует своя величина наименьшей скорости удара, при которой детонация возбуждается ударной волной (эта величина зависит от дисперсности и начальной температуры). Если считать, что область механических воздействий относится к скоростям удара, меньшим \№ м/сек, то это, по-ви- димому, будет удовлетворять всем использующимся взрывчатым веществам.
Рассмотрим далее, как изменяются параметры «минимального воздействия» с повышением начальной температуры и приближением ее к температуре плавления. Из выражений (40), (43), (45) и (46) следует, что с приближением к температуре плавления (опР->0) величины ^п, (Оми^абс и (£мии)абс стремятся к бесконечности и тем самым В В становятся как бы абсолютно нечувствительными (естественно, что для ВВ, вспыхивающих до
наступления плавления, устремление предела прочности к нулю может иметь лишь формальное значение). В действительности же это означает, что вблизи температуры плавления становятся неприменимы представления о механизме разогрева, развитые для твердого тела. Как уже говорилось при разборе механических свойств ВВ, с приближением к температуре плавления увеличивается пластичность ВВ и, по-видимому, требуется переход к моделям релаксирующих сред: сначала вязко-пластического тела, а затем вязкой жидкости. В соответствии с этим следует ожидать перехода к другим механизмам инициирования взрыва при механических воздействиях.
По-видимому, этот переход происходит при 'ЩТпл~ »0,9 (выше отмечалось, что обжиг роликов при взрыве дины, соответственная температура которой в нормальных условиях равна 0,9, подобен тому, который имеет место для баллиститных порохов в зоне вязко-пластической деформации). На величину То/ГПл~О,9 можно указать как на приближенную границу применимости предложенных оценок чувствительности.
Интересно заметить, что если бы возбуждение взрыва определялось не деформацией заряда в целом, а происходило бы из-за микроперемещепий в заряде, то и тогда полученные величины (£>мия)абс и (/^мин^бс сохраняли бы свое значение как параметры «минимального воздействия», способного возбуждать детонацию всего заряда.
Методы определения величин,характеризующ их чу ест в ител ьность
Основываясь на задаче возбуждения взрыва и критических условиях распространения детонации, выше были получены выражения для оценок чувствительности при механических воздействиях по открытому объему ВВ. Эти выражения выведены без количественного учета процесса развития взрыва от начального очага до детонации, точнее они получены в предположении, что переход горения в детонацию в зоне сжатия всегда происходит. Поэтому выражения для параметров «минимального воздействия», в соответствие с которыми ставится определенная механическая чувствительность (воздействие
Рис. 41. Схема испытаний, моделирующая удар по полупространствуРис. 41. Схема испытаний, моделирующая удар по полупространствупо открытому объему) как свойство ВВ, могут оказаться неполными. Помня об этом ограничении, продолжим далее обсуждение предложенных оценок чувствительности и следствий из них.
Рис. 41. Схема испытаний, моделирующая удар по полупространству
Рис. 41. Схема испытаний, моделирующая удар по полупространству
ВеЛИЧИНЫ (5мнв)абс и (Лпш)абс через свойства ВВ, определяющие чувствительность, зависят от таких параметров состояния ВВ, как дисперсность и начальная температура. Поэтому говорить об определенно й мсха ни чсской чувствительности ВВ можно только при заданных дисперсности и начальной температуре.
Остановимся на экспериментальных методах определения параметров «минимального воздействия», которое может возбудить детонацию всего заряда. На рис. 41 изображена схема испытаний, которая может применяться ДЛЯ нахождения (£>мин)абс и (^мшОабс при ударе по «■полупространству». При этом диаметр заряда D\ должен no крайней мере в 6 раз превосходить диаметр ударника D (дальнейшее увеличение Dx не влияет на величину усилия, развиваемого штампом [58]). По этой же причине высота заряда при ходе ударника, равном 2D, должна быть не меньше 4D. Ход ударника, составляющий 2D, вполне достаточен, чтобы развить максимальное усилие внедрения (см. схему на рис. 36, б). Как уже говорилось, схема удара по «полупространству» сама по себе предполагает высокоплотное состояние заряда. Поэтому практические испытания по этой схеме должны производиться хотя и при разных плотностях, но довольно близких к плотности монокристалла (точнее, при той плотности, когда критический диаметр детонации наименьший). Схема испытаний для удара по тонкому слою показана па рис. 37, а. Для мощных ВВ величине (Омин)абс соответствуют высокие плотности, так как критический диаметр детонации принимает наименьшее значение при плотности прессованного заряда, приближающейся к плотности монокристалла (см. рис. 38).
Рис. 42. Зависимость критического диаметра детонации динамона от плотности (стеклянная оболочка) [ПО]
/ — хорошее измельчение (ц.<0,1 Л1Л); II—среднее измельчение; 111—грубое измельчение (р= -0,2—0.4 лм)
Для слабых ВВ (аммиачная селитра, перхлорат аммония) и их смесей с горючим картина обратная: критический диаметр детонации растет с увеличением плотности (рис. 42) и наименьшее значение имеет при низкой плотности [110, 119]; поэтому величине (DMHH)a6c соответствуют низкие плотности, при этом ориентироваться, по-видимому, следует на насыпную (гравиметрическую) плотность. Промежуточный случай, когда критический диаметр детонации с увеличением плотности сначала растет, а затем уменьшается, наблюдается для аммотола 50/50 (рис. 43) [120]. Подобный характер зависимости критического диаметра от плотности имеется и для тротила на участке очень низких плотностей (см. рис. 38, б).
Таким образом, величине (Омнн)абс для разных ВВ должны соответствовать разные плотности. Прямой способ нахождения величины (DMHH)a6c при ударе по тонкому слою заключается в сбрасывании грузов с ударниками разного диаметра на слои ВВ разной толщины и плотности. Так как при ударе по тонкому слою должны взрываться все ВВ, а при ударе 150
по «полупространству» только удовлетворяющие условию (32), то сначала целесообразно найти величину (DMHH)a6c при ударе по тонкому слою (энергия удара при этом может быть как угодно велика) и затем проверить, вызывает ли удар
Рис. 43. Зависимость критического диаметра детонацииа м могол а
60/50 от плотности (тонкостенная стеклянная оболочка, ц~0,4.нл1) (120]
груза с бойком такого диаметра детонацию заряда при испытании, моделирующем удар по «полупространству» (см. рис. 41). Если последнее не происходит, то величина (^мии)абс, найденная при ударе по тонкому слою, и является искомой. Если же при испытании по схеме, изображенной на рис. 41, заряд детонирует, то, уменьшая диаметр бойка, следует дойти до такого, при котором получается отказ, и тем самым определить величину (£>мип)абс, которую и требовалось найти. Затем в тех условиях, в которых найдена величина (DMHH)a6c, можно измерить минимальное усилие удара (Еми„)абс.
Рассматривавшиеся выше выражения для (£)МШ|)абс и (Лига)аос имели тот недостаток, что количественно не учитывали явлений формирования детонации в зоне сжатия. Описанный способ измерения этих величин свободен от такого недостатка (а также от предположений, делавшихся при выводе оценок) и является, в этом смысле, идеальным. Действительно, экспериментальное определение параметров «минимального воздействия», вызывающего детонацию всего заряда, уже само по себе учитывает процесс перехода горения в детонацию, процесс передачи детонации в несжатое ВВ и т. п. (при этом детонация может происходить как с нормальной, так и с малой скоростями: различия между этими режимами с точки зрения опасности не делается). Описанный комплексный метод, однако, труден в исполне-
нни, требует для большинства ВВ полигонных условий и связан с большим объемом работы. Поэтому такой прямой метод вряд ли может найти практическое применение.
Введем некоторые упрощения, которые в той или иной мере приводят к потере преимуществ прямого метода. Поскольку (^мин)^ пропорционально (О^абс, то почти всегда для оценки чувствительности можно пользоваться одной из этих величин, например (DMHH)a6c как более простой. Можно также, основываясь на условии (32), приблизительно указать на ВВ, возбуждение взрыва которых должно происходить при ударе по «полупространству». Используя эмпирическую зависимость опр = 4,2 7ПЛ из формулы (1) и (32), имеем 7кр^1,4 7пл,(49)
где 7кр и 7ПЛ выражены в градусах Цельсия. Этому условию, по-видимому, должно удовлетворять большинство неплавящихся ВВ (вспыхивающих до наступления плавления). Основная же масса взрывчатых веществ, температура плавления которых лежит ниже температуры вспышки, должна испытываться лишь по схеме удара ио топкому слою. К дальнейшему упрощению приводит отдельное определение величины ZKp.Mllu. (Установление этой величины, если она мала, может оказаться технически сложной задачей.) Если значение /кр.мин заранее известно, то, подвергая удару сразу слой такой толщины, легко находится величина (Омните- Те ВВ, которые удовлетворяют условию (49), должны испытываться так же, но величина (ОМН||)а& должна затем, как я в прямом методе, проверяться по схеме удара по «полупространству».
Обратимся далее к расчетным способам определения величин, характеризующих чувствительность ВВ к механическим воздействиям. Выражения для этих величин, дававшиеся выше, получены с точностью до процесса перехода горения в детонацию в зоне сжатия. Для вычисления (^мииДбс и (7мин)абс Должны быть известны такие величины, как Ркр, Ркр, Ппр» ^Кр.МПЦз ^кр.мшь ^кр? ^кр» ап и Нп. И тогда в зависимости от соотношения между ZKp.№H, hm /°р и р для удара по тонкому слою или dKp.Mim, ат d°p и р для удара по «полупространству» следует использовать те или иные из выражений, полученных выше для каждого частного случая. Однако рассчитать указанные величины практически
невозможно, так как для этого либо отсутствуют необходимые данные, либо не имеется количественной теории. Например, вычисление критического напряжения можно сделать лишь ориентировочно, ранее оно производилось только для грубых опенок. Использование зависимости предела прочности от температуры плавления также возможно лишь в ограниченных пределах -из-за ее эмпирического характера. Поэтому все эти величины в настоящее время должны определяться экспериментально. Если опираться па экспериментальные данные, то метод становится полурасчет- ным. Из соотношения (32) или его приближенного аналога (49) легко устанавливается возможность возбуждения взрыва по схеме удара по «полупространству», либо удара по тонкому слою. Например, большинство вторичных ВВ должно взрываться только при ударе по тонкому слою. Критический диаметр детонации при плотности
г О
монокристалла с?кр у вторичных ВВ, как правило, намного превышает обычно использующиеся размеры зерна (табл. 14).
Как ориентировочно указывалось выше, величина h для вторичных ВВ составляет сотые доли миллиметра, что, по- видимому, намного меньше, чем /кр.М1Ш и Нкр.Мин, если вещество не измельчено до чрезвычайной степени. Отсюда следует, что величины (Омнн)абс и (Рмкн)абс должны находиться из выражений (40). Однако требующиеся данные по /кр.Мин (а также по ^к-р.мин) для разных ВВ в литературе отсутствуют.
Зависимость критического диаметра детонации от плотности более или менее подробно изучена для тротила со средним размером зерна 0,06 лш (рис. 38, б). При этом наименьшее значение критического диаметра составляет примерно 2 мли Из выражений (40) для тротила (Вкр ~ 11 000 кПслР, опр = 340 кТ ?см^ с таким размером зерна имеем (ОШ1„)абс ^ 12,5 см и фмип).^ — 1,5 * 106 кГ. Заметим кстати, что результаты, приведенные на рис. 38, относятся к нормальной скорости детонации. Распространение детонации с малой или нормальной скоростями с точки зрения опасности не должно различаться. Критические условия распространения детонации с малой скоростью изучались только при насыпной плотности [121]. Для высокоплотных зарядов без оболочки малая скорость детонации никем не наблюдалась и, по-видимому, не должна существовать. Поэтому можно ожидать, что для мощных ВВ наименьшее значение критического диаметра соответствует нормальной скорости детонации. Критический диаметр детонации по малой скорости может, например, понадобиться для аммиачно- селитренных ВВ, детонационная способность которых с ростом плотности уменьшается. Измерение скоростей детонации в зависимости от диаметра заряда производилось для некоторых промышленных ВВ в работе 1122].
Не имея возможности вычислить (Рмни)абс и (FMim)a6c для разных ВВ, попытаемся сравнить их по чувствительности, используя результаты по критическим диаметрам детонации при насыпной плотности. В табл. 14 приведены данные по детонационной способности разных ВВ при нормальной температуре, насыпной плотности (1,0 г/сти3) и дисперсности (р = 0,1 леи), близкой к технологической (см. рис. 39), а также при плотности монокристалла [109]. (Данные для октогена получены Апиным и Белиной.) Кроме того, в таблице помещены измеренные значения предела прочности оПр, критического напряжения в приборе № 2, величины
(h/D) и вычисленные из выражений (39) величины D^ и Дмни для насыпной плотности, а также величины DWH для плотности монокристалла. Заметим, что величина Пмпн непосредственно следует из значения (h/D^
•Омни•Омни^кр2(/>/О)кр^кр2(/>/О)кр
•Омни
•Омни
^кр2(/>/О)кр
^кр2(/>/О)кр
Полученные значения Пмии и Ршт намного превосходят (Омин)абс И (ОшпОабс, характеризующие чувствительность ВВ к механическим воздействиям.
Если, в частности, вычислить величины Омин и Емип для тротила насыпной плотности со средним размером зерна 0,06 мм, то они окажутся соответственно в —6 и —36 раз меньше, чем значения (Омнн)абс и (FMHU)a6c, указывавшиеся выше для тротила с таким размером зерна. Для тэна, как следует ожидать, это отличие еще меньше, так как тогда наименьший критический диаметр детонации для пего (ц = 0,1 лш) должен был бы составлять 0,3 aim, что всего лишь в 3 раза превышает размер зерна и вряд ли возможно. Но и при таком отличии величина (ГМНн)абс была бы не меньше HP кр—величины, на которую мы ориентировались при обсуждении применимости количественных оценок, характеризующих чувствительность ВВ к удару, к механическим воздействиям (по открытому объему) вообще. Чувствительность инициирующих ВВ должна быть намного выше, чем тэна, так как они детонируют при испытании по Велеру, т. е. (^мни^бс для них меньше, чем 1,5 мм. Значения £)“Шн, вычисленные для азида свинца по схемам удара по «полупространству» удара по тонкому слою, имеют порядок 10"2 мм. Поскольку величины ап и Нп остаются неизвестными, то эти значения могут оказаться заниженными по отношению к (Dмнн)абс-
Если принять вычисленные значения DMUH и Fwm (см. табл. 14) в качестве приближенных показателей чувствительности, то можно расположить изученные ВВ в следующей последовательности (с повышением чувствительности): тротил, пикриновая кислота, тетрил, гексоген, октоген, тэн, инициирующее ВВ. Полученный ряд чувствительности ВВ к механическим воздействиям совпадает с опорным рядом. Следует заметить, что сравнение ВВ по чувствительности при какой-либо другой, но одинаковой дисперсности не
внесло бы изменений в полученный ряд, так как единственная зависящая от нее величина — критический диаметр детонации—при изменении размера зерна изменяется подобно для испытанных вторичных ВВ, т. е. отношение критических диаметров для разных ВВ при переходе от одного размера зерна к другому сохраняется (см. рис. 42).
В выражении (40) для величины (DMllH)a6c, предложенной для количественной оценки чувствительности вторичных ВВ, множитель (Ркр — <тПр)-сгцр отвечает за возбуждение взрыва, а множитель ZKp. мин (или dKp. мин) —■ за распространение детонации (при этом полагается, что переход горения в детонацию в зоне сжатия всегда происходит). Это отнюдь не означает, что можно отдельно судить о чувствительности ВВ к возбуждению взрыва и чувствительности к распространению. Только то и другое совместно позволяют говорить о механической чувствительности ВВ, являясь стадиями процесса, лежащим в ее основе. Если бы мы попытались судить об относительной чувствительности ВВ к возбуждению по величине (Ркр — сгпр)/(гпр, то в действительности мы бы оценивали чувствительность ВВ к механическим воздействиям, считая, что величина ZKp. мии (или всюбще способность ВВ к распространению взрыва) для сравниваемых веществ одинакова. (Кстати, именно так и считалось, когда рассматривалась деформация ВВ в замкнутом объеме, и говорилось, что оценка опасности при этом сводится к задаче возбуждения взрыва, так как распространение взрыва в замкнутом объеме должно следовать затем самопроизвольно.) Точно так же, характеризуя величиной ZKp.MHH чувствительность к распространению взрыва, мы бы оценивали чувствительность ВВ к механическим воздействиям, как бы заранее задавая множитель, отвечающий в оценке за возбуждение взрыва, постоянным для сравниваемых веществ. Хотя примеры такого рода и поясняют существо оценок и природу чувствительности, мы остановились на двух множителях, составляющих оценку, с другой целью. Множитель, отражающий возбуждение взрыва, определен нами точно, множитель же, отражающий распространение, основан на ряде предложений; кроме того, вместо множителя ZKp. Мчк при расчете величин Z^muh н ^мпн (см. табл. 14) была использована величина ^ dKp при насыпной плотности. Принимая во внимание вид зависимости критического диаметра детонации от плотности (см. рис. 38), можно считать, что порядок следования ВВ
по величине критического диаметра гпри увеличении плотности не изменится. Так как порядок следования всех испытанных ВВ, кроме октогена, как по одному, так и по другому множителю был одним и тем же, то по величинам (Омин^бс И (ЛииОабс ряд чувствительности будет тем же, который получен выше. Можно ожидать также, что относительное различие величины /кр. мш« и ^кр. мпн будет меньшим, чем различие критических величин при насыпной плотности, и тогда удельный вес множителя, отвечающего в оценке за возбуждение взрыва, существенно возрастет. Это может привести к тому, что октоген по чувствительности окажется еще ближе к тэну (или даже превзойдет его).
Иногда, например при синтезе ВВ, требуется быстро и хотя бы грубо оцепить чувствительность какого-либо нового вещества. Такой метод в очень грубом приближении может быть указан для индивидуальных ВВ. Из соотношения (3), применявшегося ранее для грубых оценок величины критического напряжения Ркр, следует Ркр— Ткр— Тпд. В свою очередь Ткр — Тпл тем больше, чем больше разность температуры вспышки и температуры плавления. Используя этот параллелизм, а также эмпирическую зависимость апр = 4,2Тш и неравенство Ркр^Опр (что обычно хорошо выполняется для вторичных ВВ), для грубого сопоставления ВВ по чувствительности из выражения (40) получаем
(ОмнН)абс - 22£!LZ22HL /кр- мин (50) * пл
(Твсп и Тпд выражены в градусах Цельсия).
Ориентировочное мнение о чувствительности какого- либо ВВ может быть составлено в сравнении с чувстви- гельностью членов опорного рода. Если найденная для этого ВВ величина (ТВсП—Тлл)/Тпл оказывается близкой к таковой для одного из членов опорного ряда, то, какое из них чувствительнее, зависит от детонационной способности. Последняя же для вторичных В В, как правило, тем выше, чем больше мощность ВВ. Поэтому в ряде простых случаев можно составить предположительное мнение о чувствительности ВВ по отношению к членам опорного ряда. Если сравнивать таким образом октоген с тэном или гексогеном, то в этом сложном случае вынести какое-либо определенное суждение не удается.
Применение подобного ориентировочного метода может иногда приводить к прямой ошибке, например в случае дины, которая не укладывается в эмпирическую зависимость предела прочности от температуры плавления. За исключением случаев прямых ошибок, по-видимому весьма редких, описанный метод может быть часто полезным для предварительной ориентировочной оценки чувствительности новых ВВ, тем более, что при этом не требуется большого количества вещества. (Кстати сказать, при экспериментальном синтезе ВВ такие величины, как Тпл и Твсп, обычно определяются и с другими целями.) Этот метод, хотя и оставляет желать много лучшего в смысле его точности, все же является более строгим, чем сопоставление частости взрывов в стандартном приборе или приборе № 2, которое с точки зрения опенки чувствительности вообще не имеет обоснования.
При анализе механического воздействия по открытому объему ВВ показана главным образом возможность применения к этому случаю представления об определенной чувствительности к механическим воздействиям как свойстве каждого ВВ, а также возможность количественного выражения этого свойства. Поскольку выражения для (/ЭмшОабс и (/?мин)абс получены без количественного учета процесса развития взрыва от начального очага до детонации, то с проведением соответствующих исследований они должны уточняться. Однако даже в таком виде эти оценки довольно хорошо отражают сложившиеся при практическом использовании ВВ представления об их относительной чувствительности (опорный ряд) и зависимости чувствительности от разных факторов; впрочем, последнее может иллюстрироваться разбором возможных путей флегматнзации ВВ.
О флегматнзации ВВ
Высокая чувствительность ВВ к механическим воздействиям зачастую является основным препятствием для производства и применения этих ВВ. Поэтому особую важность приобретает искусственное понижение чувствительности ВВ — их флегматизация.
Возможные способы флегматнзации весьма просто обнаруживаются из анализа полученных количественных оценок 158
чувствительности. С этой целью запишем приближенные выражения для (Рмин)абс и (^пиОабс в наиболее простом виде, исходя из пропорциональной зависимости предела прочности от температуры плавления и из последовательной пропорциональной связи
РКр^кр ~ Ткр Тпл,
(Рмин)абс ~ (Омии)абс (Ркр Тпл),
(D„„„)a&~^k(51)
пл
Понижению чувствительности должно соответствовать увеличение значений (^мин^бс и (Рмии)абс. Отсюда видно, что снизить чувствительность ВВ к механическим воздействиям (по открытому объему) можно путем увеличения /кр.мин, увеличением Ткр и уменьшением Тпл.
Способ снижения чувствительности посредством уменьшения температуры плавления, который может осуществляться изготовлением эвтектических сплавов ВВ, весьма прост и должен давать довольно сильный эффект, так как 7ПЛ входит как в числитель, так и в знаменатель выражений (51). Чувствительность эвтектики должна понижаться по сравнению с чувствительностью хотя бы одного из индивидуальных ВВ, образующих эвтектику. Еще более глубокой флегматизации можно достигнуть, создавая тройные эвтектические сплавы (или с еще большим числом компонент).
Для другого способа флегматизации — увеличения критического диаметра детонации — можно рекомендовать увеличить размер зерна в технологических продуктах, если размер зерна меньше критического диаметра детонации монокристалла.
Еще один способ флегматизации следует из выражений (40) и заключается в понижении предела прочности ВВ. Предел прочности можно понизить, используя поверхностно-активные вещества, вводя в ВВ малопрочные или легкотекучие добавки и т. д. При введении таких добавок увеличивается и критический диаметр детонации, что дает дополнительный флегматизирую- щий эффект. В качестве добавок можно выбирать малопрочные и малочувствительные ВВ, а также мало- прочные и легкотекучие вещества, улучшающие кисло-
родный баланс основного ВВ, что будет содействовать повышению мощности состава. Этот способ флегматизации широко применяется на практике (сплавы тротил4- 4-гексоген, гексоген4- добавка типа парафина, пластические ВВ. водонаполпенные ВВ). Надо заметить, что инертные пластифицирующие добавки существенно затрудняют развитие взрыва от начального очага до детонации [93, 123] — «стадии процесса, которая не учитывается в предложенных оценках. На практике «пластифицирующие добавки используют даже для флегматизации инициирующих ВВ.
Таким образом, предложенные оценки чувствительности позволяют в известной степени обосновать способы флегматизации, широко применяющиеся на практике (что в свою -очередь подтверждает сами оценки) и выявить некоторые новые способы. Оценки указывают па возможности количественного подхода к флегмати зации ВВ, которая до сих пор осуществляется эмпирически.
Выводы
Сформулированная выше задача возбуждения взрыва при механических воздействиях и имеющиеся в настоящее время качественные сведения о развитии взрыва из локального центра инициирования позволили рассмотреть принципы количественного подхода к задачам чувствительности, уточнить само понятие чувствительности и предложить для воздействий по открытому объему ВВ простую оценку чувствительности.
Если разделить все механические воздействия па два разряда: деформация ВВ в замкнутом объеме и воздействие по открытому объему ВВ, то с точки зрения количественной -оценки -опасности они • существенно различаются. При деформации в замкнутом объеме (прессование, шнековапие, снаряжение боеприпасов и т. д.) после локального «воспламенения следует самопроизвольный процесс развития взрыва, и оценка опасности подобной деформации сводится к решению задачи возбуждения взрыва. Поскольку это решение в каждом конкретном случае зависит как от свойств ВВ. так и от условий деформации, то для всех вместе случаев дефор- 160
мации в замкнутом объеме такого свойства каждого ВВ, как определенной чувствительности, не существует. При механических воздействиях по открытому объему ВВ выйти за пределы зоны сжатия и распространиться на основную массу В В может только детонационный процесс, так как горение затухает при гидродинамической разгрузке, например, как показывают наблюдения, при выходе из зоны сжатия. Поэтому опасность такого воздействия (т. е. чувствительность к нему) определяется как возбуждением взрыва в зоне сжатия, так и развитием взрыва до детонации и распространением последней за зону сжатия. Таким образом, для случая деформации в замкнутом объеме понятие чувствительности к механическим воздействиям как способность В В взрываться при этих воздействиях сохраняет свою силу. В случае же воздействий по открытому объему ВВ оно требует конкретизации: чувствительность — это способность ВВ детонировать от этих воздействий (взрыв только в зоне сжатия данным определением не охватывается). Впрочем, если говорить о взрыве всего заряда, то понятие становится общим для обоих случаев мехаиических воздействий.
Если из всех механических воздействий по открытому объему ВВ теперь выделить тс воздействия, к которым данное ВВ чувствительно, то естественно затем судить о чувствительности этого вещества по самому слабому из них. Иными словами (принцип «минимпль- ности воздействия»), чувствительность ВВ к механическим воздействиям по открытому объему должна характеризоваться параметрами такого наиболее слабого воздействия, когда условия возбуждения и развития взрыва, а также распространения детонации для «miro ВВ выполнены, т. е. такого воздействия, когда имеет место оптимальный случай возбуждения детонации заряда. Этот принцип был руководящим при выводе количественных оценок чувствительности В В к удару по открытому объему. При этом он был использован для выбора оптимальной (с точки зрения во <6 у ж непин детонации) схемы удара (по «полупространству пш пи тонкому слою), конфигурации ударяющего тели и плотности ВВ. Оценка чувствительности В В нротводнн к но наименьшим величинам диаметра ударяюще! и тс-дм в усилия при ударе, при которых еще может быть во'Ау*
депа детонация 'основной массы ВВ. Количественные выражения для этих величин основываются на критических условиях возбуждения взрыва и критических условиях распространения детонации. Все выражения получены в предположении, что с выполнением этих условий формирование детонации в зоне сжатия всегда происходит (в настоящее время не имеется теоретических моделей, с помощью которых можно было бы описать процесс развития взрыва от очага до детонации). Принцип «минимальности воздействия» позволил обосновать, что оценки чувствительности ВВ к удару в широкой степени отражают и чувствительность ВВ к механическим воздействиям вообще (воздействие по открытому объему). Полученные оценки неприменимы при скоростях удара, столь высоких, чтобы возбуждение детонации происходило за счет ударной волны, образующейся при соударении. Неприменимы они также при начальных температурах, близких к температуре плавления ВВ, так как с приближением к жидкому состоянию утрачивает свое значение механизм, ответственный за возбуждение взрыва в твердых телах.
Согласно полученным оценкам, чувствительностьВВ к механическим воздействиям по открытому объему тем больше, чем выше реакционная способность ВВ, его прочность, температура плавления и детонационная способность. Целенаправленным изменением этих свойств может осуществляться флегматизация ВВ. Влияние начальной температуры и дисперсности ВВ на чувствительность проявляется через зависимости от них критического диаметра детонации и прочности ют начальной температуры. Приближенное вычисление оценок чувствительности ВВ к механическим воздействиям по открытому объему при нормальной температуре и дисперсности, близкой к технологической, приводит к ряду чувствительности ВВ, который согласуется с опорным.
Это обстоятельство, как указывалось в § 1 введения, является необходимым условием правильности метода оценки чувствительности. Независимое подтверждение оценок следует, кроме того, из соответствия им общепринятых способов флегматизации ВВ.
Таким образом, разделение всех механических воздействий на два разряда позволило разрешить
противоречие в вопросе о существовании такого свойства ВВ, как определенной механической чувствительности: оно существует при воздействии по открытому объему и не существует при деформации в замкнутом объеме. Предпринятую попытку количественного подхода к задачам чувствительности следует, по-видимому, рассматривать лишь как начальный этап разработки теории чувствительности (обсуждение принципов подхо- пя^
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Остановимся кратко на перспективных направлениях исследований в области чувствительности взрывчатых материалов (твердые В В, пиротехнические составы, твердые ракетные топлива, баллиститные пороха, жидкие ВВ) к механическим воздействиям. Отдельный разбор деформации в замкнутом объеме и механического воздействия по открытому объему, по-видимому, останется целесообразным для всех взрывчатых систем. Кроме того, при деформации в замкнутом объеме ив для каких взрывчатых систем, по-видимому, нельзя будет ввести такой характеристики системы, как определенной механической чувствительности, и необходимо будет в каждом конкретном случае исследовать возбуждение взрыва. Для экспериментального исследования чувствительности взрывчатых систем при деформации в замкнутом объеме, очевидно, основную роль будут иметь методы моделирования. При механическом воздействии по открытому объему, кроме задачи возбуждения взрыва для всех взрывчатых систем, будут необходимы количественный учет условий распространения взрыва и соответствующее уточнение понятия чувствительности. При этом, по-видимому, можно будет говорить о такой характеристике взрывчатой системы, как определенной механической чувствительности, для количественного выражения которой потребуется применение и усовершенствование принципа «минимальности воздействия». Таким образом, при разработке теории чувствительности различных взрывчатых систем можно ожидать, что общий методологический подход будет единым и каждый раз, в частности, понадобится знание количественных закономерностей возбуждения и распространения взрыва. Классификация механических воздействий может далее быть детализирована, отражая при этом специфические особенности производства и применения различных взрывчатых систем. Заметим
также, что способы флегматизации, пригодные для воздействий по открытому объему, не обязательно должны подходить для того или иного случая деформации в замкнутом объеме и могут иногда оказаться прямо противоположными.
Обратимся к твердым ВВ. В разряде деформаций в замкнутом объеме для них требуется исследование ряда частных задач по возбуждению взрыва, на основе которых можно было бы построить теорию безопасности прессования, теорию преждевременного взрыва разрывных снарядов при выстреле и т. д. В разряде воздействий по открытому объему все исследования в той или иной мере связаны с количественной оценкой чувствительности: либо служат целям усовершенствования ее, либо получению на ее основе зависимостей чувствительности от тех или других факторов. Последнее требуется для анализа влияния на чувствительность параметров состояния ВВ (начальной температуры, дисперсности, влажности), для выбора мер по флегматизации и для выяснения связи чувствительности с химическим строением ВВ. Выяснение такой связи имеет большое значение для целенаправленного синтеза ВВ. Нахождение ее предполагает наличие по крайней мере зависимостей реакционной способности, прочности, температуры плавления и детонационной способности от структуры, каждая из которых пока еще далека от разрешения н и может служить предметом отдельных фундаментальных исследований. Тем не менее имеющиеся тенденции в изменении температуры плавления, температур вспышки и мощности ВВ, скажем, в пределах какого- либо гомологического ряда или при введении заместителей, могут во многих случаях быть полезным, хотя и приблизительным ориентиром, для выбора направления синтеза. Работы [1, 69 и др.], в которых затрагивалась зависимость чувствительности от строения, основывавшиеся на данных по процентам взрывов в том или ином приборе, представляют в этом смысле весьма ограниченный интерес.
Для усовершенствования оценок чувствительности твердых ВВ к механическим воздействиям по открыто му объему требуется разработка теории мехашимн разогрева и исследование механики разрушении и физических процессов, сопровождающих его. Нсибмипм
разбор причин разброса прочности зарядов, которым приводит к 'Вероятностному характеру испытаний ВВ в применявшихся приборах. Заметим, что управление шириной вероятностной зоны и постановка однозначного эксперимента имеют принципиальное значение как прямое доказательство принятого в теории нестатистического подхода к явлению возбуждения взрыва. Если теоретическое изучение механизма разогрева и процесса разрушения служит для нахождения аналитического выражения величин, уже входящих в оценки, то исследование критических условий развития взрыва может привести к введению в них новых физических величии. Поэтому усовершенствование оценок в дальнейшем определяется главным образом исследованиями процесса развития взрыва. При выводе оценок мы рассматривали только случай, когда в зоне сжатия сформировался нормальный режим детонации. Если же в зоне сжатия распространяется режим детонации с малой скоростью, то для перехода детонации в несжатое ВВ плотность ВВ в несжатой зоне должна быть, очевидно, невелика. Критическая толщина сжатого слоя при этом может значительно превосходить величину /кр. мин, использовавшуюся выше. В других случаях необходимо учитывать длину участка, который требуется для развития взрыва ют очага до детонации. Эти процессы, как уже говорилось, не имеют количественной теории. Существенно, однако, что для экспериментальной оценки чувствительности подобная теория и не нужна, так как в любом случае требуется определить наименьшую величину диаметра ударяющего тела, при котором возможна детонация всего заряда. Поэтому вопрос о методе испытаний твердых ВВ на чувствительность следует считать в принципе решенным, остаются лишь трудности его наиболее удобной технической интерпретации.
Остановимся кратко на относительном характере оценки чувствительности, который заключается в том, что можно говорить лишь о большей или меньшей чувствительности одного ВВ по сравнению с другим. Бессмысленно, например, было бы суждение о том, что чувствительность какого-либо ВВ больше чувствительности другого во столько-то раз. Надо сказать, что не одна чувствительность находится в таком положении: она в этом смысле имеет аналогию с таким свойством В В,
как, например, детонационная способность. Удобнее всего взрывчатые вещества сравнивать по чувствительности с теми 1из них, -о чувствительности которых имеются вполне устойчивые эмпирические представления. Таковыми являются ВВ, входящие в опорный ряд. Таким образом, опорный ряд, совпадение с которым служило ранее необходимым условием правильности оценки, приобретает теперь не менее важную роль — роль эмпирической «шкалы» чувствительности.
Заканчивая обсуждение твердых ВВ, заметим, что на практике наибольшее применение находят смссспыс ВВ. Механизм инициирования смесевых ВВ имеет ряд особенностей, которые пока еще находятся на пачильний стадии изучения. Исследование этих особенностей должно привести к разработке правил составлении смесей, обеспечивающих приемлемую чувствитслынюп. их к механическим воздействиям.
Значительные трудности имеются также в кселелоп#* ппи механизма возбуждения взрыва баллистшныч поро хов, пиротехнических составов и твердых ракетным юн лив. Разнообразие механических свойств этих пн-гем позволяет заранее предполагать для них и paiwxV'ipiiiiic форм механизма инициирования взрыва. Сущее гпепп yin роль при этом может играть физико-химическое инцн модействие компонентов. Важное значение для н|ынии пых систем, по-видимому, будет иметь механизм ри»м|рг ва при внешнем трении. Немалая роль при трении •*..*• । принадлежать электрическим явлениям, которые и* пор в связи с вопросами чувствительности нс рис. мирт вались. Для баллиститпых порохов, пиротехпичсемн со ставов и твердых ракетных топлив (в отличие ю u pun чатых веществ) основным режимом взрывчатого 1>»М!И щения является горение. Таким образом, пол ♦lyui (ин тельностью данных систем к механическим no>ne*inH ям по открытому объему следует нанимать не »ц#о иА ность сгорать при этих воздействиях. При *юм <|<*|Н параметров механического воздействия, опрене liiniHNt чувствительность, существенное значение дол* не нммь скорость воздействия. В особенности это отпогипн к и стемам, содержащим полимеры. Вопрос о сутн пип.» нии такого свойства системы, как определенное чумг1»и тельность, может решаться лишь после вычи Ц• параметров воздействия, определяющих прош ■ < дения и распространения горения.
ЛИТЕРАТУРА
J. Ф. /1. Баум, К. П. Станюкович, Б. Н. Шехтер. Физика взрыва. М., Фнгм атгиз, 1959.
. Н. .4. Холево. Сб, «Физика взрыва», № 3. М., Изд-но АП СССР, 1955, стр. 16; Сб. «Теория взрывчатых веществ». М., Оборонгиз, 1963, стр. 5.
II. /1. Холево. Труд» Казанского химико-технологического института, № 10, 91 (1916) ; № 11, 116 (1947)
К. К. Андреев. Сб. «Теория взрывчатых веществ». М., Оборслгнз, 1963, стр. 37.
К. К. Андреев. Там же, стр. 89.
К. К. Андреев, Ю. А. Терсбилина. Там же, стр. 53.
G. В. Kistiahouski, R. Cannons. Science in World War II v. Chemistry, 1946.
H. Koenen, К. M. Ide, IV. Haupt. ExpiusivstoHe, № 8, 178 (1958).
10. H. Рябинин. ЖФХ, 20, 1363 (194 6).
in. Ю. II. Рябинин. ДАН СССР, 58, 245 (1947).
Ф. Боцден, А. Иоффе. Быстрые реакции в твердых веществах. М., ИЛ, 1962.
Р. W. Bridgman. J. Chem. Phys., 15, 311 (1947).
Ю. Б. Харитон. Сборник по теории взрывчатых веществ. ДА, Оборонгиз, 1940, стр. 177.
М. А. Ф. Беляев. Там же, стр. 7.
IV. Е. Garner. Trans. Faraday Soc., 34, 985, 1008 (1938).
IL Muraour. Ibid., p. 989.
Авт. свид. 158727; Бюлл. изобрет., № 22. 53 (1963).
F. P. Bowden. O-th Simp. (Ini.) on Comb. N. Y.— L. Academic Press, 1963, p. 499.
Ф. Ф. Боуден и /1. Д. Иоффе. Возбуждение и развитие взрыва в твердых и жидких веществах. М., ИЛ, 1955.
Л. Г. Болховитинов. ДАН СССР, 126, 3220 (1959).
В. Е. Гордеев, А. И Сербинов, Я. К. Трошин. ПМТФ, № 1, 45 (1967|).
F. Р. Bowden, М. Р. McOnie. Nature, 206. 380 (1965).
Е. К. Rideal, Л. J. Robertson. Pros. Roy. Soc., A195, 135 (1948).
В. Прагер. Сб. «Alexaшика», № 3 (51). M„ ПЛ, 1958, стр. 121.
//. А. Биргер. Изо. АН СССР,Механика п машиностроение, <№ I. 193 (1964).
.4. Фрейденталь, А. Гейрингер. Матем лические тгорни псупру- гой сплошной среды. М., Фвзматгиа, I9G2.
В. А. Сухих, Ю. Б. Харитон. Сб. «Вопросы георин взрывчатых веществ», вып. 1. М.—Л., Изд-во АН СССР, 1947, стр. 149.
Ф. Боуден, Д. Тейбор. Трение и смазка. М, Машгиз, 1960.
Л. Г. Болховитинов. ДАН СССР, 125, 570 (1959).
Л. Г. Болховитинов. ЖФХ, 34, 476 (I960).
Л. Г. Болховигинов. Кандидатская диссертация. М„ ИХФ АН СССР, 1960.
Р. IF. Bridgman. J. Chern. Phys., 9, 794 (1911).
Я. И. Лейтман. Сб. «Вопросы теории взрывчатых веществ», вып. 1. М.—Л., Изд-во АН СССР, 1947, стр. 134.
J. Wenograd. Trans. Faraday Soc.. 57. 1612 (1961).
R. F. Chaiken, F. I. Cheselske. J. Chem. Phys., 43, 3228 (1965).
К. К. Андреев, А. Ф. Беляев. Теория взрывчатых веществ. М., Оборонтиз, 1963.
Л. Г. Болховитинов, П. Ф. Похил. ДАН СССР, 123, 637 (1958).
В. К. Боболев, Л. Г. Болховитинов. Изв. АН СССР, ОХИ № 4 754 (1960).
Г. Т. Афанасьев, В. К. Боболев, Л. Г. Болховитиме*. ДАН СССР, 136, 642 (1961).
Н. Н. Семенов. О некоторых проблемах химической книсТики и реакционной способности. М., Изд-во АН СССР, 1968.
Д. А. Франк-Каменецкий. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М., Изд-во /\Н СССР, 1947.
2. О. AF Тодес. ЖФХ, 13, 868 (1939).
О. К. Rice. J. Am. Chem. Soc., 57, 310, 1044, 2212 (1935). I
H. E. Goheen. J Math, and Phis., 20, 107 (1949).
T. Boddingion. 9-lh Simp. (Ini.) on Comb. N. Y.—L„ Act‘Kini< Press, 1963, p. 287.
Ai.11. Friedman. Trans. Faraday Soc., 59, 1865 (1963).
J. Zuut. J. Chem. Phys., 36, 19-19 (1962).
А. Г. Мержанов, В. В. Борзыкин, В. Al. Гонтковская. ДЛИ О * Р, 148, 380 (1963).
Р. И. Thomas. Comb. a. Flame, 9, 369 (1965).
/1. G. Merzhanou. Comb. a. Flame, 10, 341 (1966),
А. Г. Мержанов. Кандида некая диссертация. М., ИХФ All <U «11, 1959.
А. /. В. Robertson. Trans. Faraday Soc., 44, 977 (1948).
К. К. Андреев. Термическое разложение .и горение взрывчеиз < «• щсств, М., «Наука», 1966.
Л. И. Сербинов. ДАН СССР, 129, 627 (1959).
В. Олыиак, Я. Рыхлевский, В. Урбановский. Теория пластичности неоднородных сред. М., «Мир», 1964.
Е. Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. М., Обороигиз, 1960.
С. И. Губкин, Б. П. Звороно, В. Ф. Катков, И. А. Норицын, Е. А. Попов, Г. А. Смирнов-Аляев, А. Д. Томленое, Е. П. Унксов, Л. А. Шофман. Основы теории обработан металлов давлением. М., Машгиз, 1959.
Е. П. Унксов. Инженерная теория пластичности. М., Машгиз, 1959.
О. Л. Бакши, Я. М. Качанов. Изв. АН СССР. Механика, № 2, 134 (1965).
В. В. Соколовский. Теория пластичности. М., ТИТТЛ, 1950.
S. Ljungberg, Nobel Hefte, II. 1, 40 (1958).
И. А. Кильчевский. Теория соударения твердых тел. М.—Л., Гос- техиздат, 1949.
А. Н. Динник. Избранные труды, т. 1. Киев, Изд-во АН УССР, 1952.
Г. Т. Афанасьев, В. К. Боболев. №А СССР, 138, 886 (1961).
П. П. Кибеко. Аморфные вещества. М.— Л., Изд-во API СССР, 1952.
Г. Т. Афанасьев, В. К. Боболев, А. В. Дубовик, В. С. Жученко. Сб. «Взрывное дело», № 63/20. М., «Недра», 1967, стр. 86.
К. К. Андреев, Ю. А. Теребилина. Сб. «Теория взрывчатых веществ». М., Обороигиз, 1963, стр. 72.
В. Тейлор и /1. У иль. Сб. «Инициирующие вещества», вып. 2. М.—Л., ОНГИ, 1935, стр. 63.
Я. Велер, О. Венцельберг. Там же, стр. 97.
Т. Urbanski. Sprengstollwes, 2, 41 (1938); 3, 62 (1938).
М. Я. Васильев, Д. Б. Балашов, Я. Н. Мокроусов. ЖФХ, 34, 2454 (1960).
А. Л. Бочвар. Металловедение. М., Металлургиздат, 1956.
Г. Т. Афанасьев, В. К. Боболев, И. Л. Карпухин. Сб. «Взрывное дело», № 52/9. М., Гсюгортехиздат, 1963, стр. 5.
И. Я. Тарковский, Л. А. Поздеев, О. А. Ганаго, В. Л. Колмогоров, В. Н. Трубин, Р. А. Вайсбурд, В. И. Тарковский. Теория обработки металлов давлением. М., Металлургиздат, 1963.
С. Zener, L. Н. Hollomon. J. Appl. Phys., 15, 22 (1944).
М. В. Якутович, Ф. П. Рыбалко. ДАН СССР, 60, 227 (1948).
Т. Томас. Пластическое течение и разрушение в твердых телах. М., «Мир», 1964.
Л. М. Качанов. Основы теории пластичности М., ГИТТЛ, 1956.
Р. Хилл. Сб. «Механика», № 3 (49). М., ИЛ, 1958, стр. 53.
Р. Хилл. Сб. «Механика», № 1 (47). М,. ИЛ, 1958, стр. 77.
В. Т. Кайтер. Общие теоремы упруго-пластических сред. М., ИЛ, 1961.
Г. И. Беренблатт. ПМТФ, № 4, 3 (1961).
Б. В. Дерягин. Что такое трение. М„ Изд-во АН СССР, 1963.
8-1. П. О. Пашков. Разрыв металлов. Л., Судорожна, 1960.
П. О. Пашков. ПМТФ, № 6, 182 (1963).
А. Ф. Вавилов, В. П. Воинов. Сварка трением. М., Машиностроение. 1064
В. И. Билль. Сварка металлов трением. М„ Маштиз, 1959.
S. Malmrud, S. Claesson. Ark. Kemi, 25. 201 (1965).
П. В. Бриджмен. Новейшие работы в области высоких давлений. М„ ИЛ, 1948.
80.91.92.93.94.80.91.92.93.94.Р. Хилл. Сб. «Механика», .Mb 1 (47). М., ИЛ, 1958, стр. 77.
80.
91.
92.
93.
94.
80.
91.
92.
93.
94.
К. К. Андреев, Н. Д. Маурина, Ю. А. Русакова. ДАН СССР 105, 533 (1955).
К. К. Андреев, Ю. .4. Теребилина. Сб. «Теория взрывчатых веществ». М., Оборонгиз, 1963, стр. 81.
В. К. Боболев, И. А. Карпухин. ФГВ, № 4, 471 (1967).
С. Н. Johansson, A. Person, Н. L. Selhcrg. Appl. Sei. Res., A5, 438 (1955).
П. M. Огибалов, И. А. Кийко. Поведение вещества под давлением. М„ Изд-во МГУ, 1962.
Г. Д. Фельдман. Холодное выдавливание стальных деталей. М., Машпгз, 1963.
.4. Ф. Беляев, В. К. Боболев, 3. И. Ратнер. ДАН СССР, 50, 303 (1945).
В. К. Боболев, А. В. Дубовик. ПМТФ, № 2, 150 (1965).
А. В. Дубовик, В. К. Боболев. Сб. «Взрывное дело», № 63/20, М„ «Недра», 1967, стр. 72.
Сб. «Теория пластичности». М., ИЛ, 1948.
Р. Хилл. Математическая теория (пластичности., М., ГИТТЛ, 1956
В. Прагер, Г. Ходж. Теория идеально-пластических тел. М„ ИЛ, 1956.
ЮЗ. А. Д. Томленое. Теория пластических деформаций металлов. М„ Машгиз, 1951.
.4. Ф. Беляев, Л. И. Азбукина, Л. Н. Стесик. Сб. «Физика взрыва», № 3, М., Изд-во АН СССР, 1955, стр. 135.
Ю. Б. Харитон. Сб. «Вопросы теории взрывчатых веществ», выл. М.—Л., Изд-во АН СССР, 1947, стр. 7.
G. G. Meyerhof, Т. К. Chaplin. Brit. J. Appl. Phys., 4, 20 (1953).
В. К. Боболев. ДАН СССР, 57, 789 (1947).
Л. И. Стесик, Л. Н. Акимова. ЖФХ, 33, 1762 (1959).
А. Я. Апин, Н. Ф. Велина. Сб. «Взрывное дело», № 63/20. М., «Недра», 1967, стр. 5.
А. Ф. Беляев. Сб. «Вопросы теории взрывчатых nemeciв», вып. 1. М,—Л., Изд-во АН СССР, 1947, стр. 29.
В. К. Боболев. Сб. «Физика взрыва», № 2. М., Изд-во АН СССР, 1953, стр. 167.
I 12. Л. Я. Апин, Л. Н. Стесак. Сб. «физика взрыва». № 3. М., Изд-во АН СССР, 1955. стр. 87.
/1. Ф. Беляев, Р. X. Курбангалина. ЖФХ, 34, 603 (1960).
Г. Г. Ремпель. Сб. «Теория взрывчатых веществ». М, Оборонгиз, 1963, стр. 561.
Ф. .4. Бадм, Л. С. Державен. Сб. «Взрывное дело», № 60/17. М., «Недра», 1966, стр 68.
G. Е. Seay, L. В. Seely. J. Appl. Phys., 32, 1092 (1961).
А. В. Дубовик. Кандидатская диссертация. М., ИХФ АН СССР, 1966.
И. М. Воскобойников, .4. И. Афанасенков, В. Л1. Боголюлов. ФГВ, № 4, 585 (1967).
В. А. Горьков. Р. X. Курбангалина. ФГВ, № 2, 21 (1966).
В. К. Боболев. Кандидатская диссертация. М., ИХФ АН СССР, 1947.
А. К. Парфенов, А. Я. Апин. Научно-технические проблемы горения и взрыва, № 1, 109 (1965).
А. К. Парфенов, И. /И. Воскобойников, .4. Я. Апин. Сб. «Взрывное дело». Ns 60/17. М., «Недра», 1966, стр. 29.
Р. W. Linder. Trans. Faraday Soc., БЗ, 1024 (1961).
ОГЛАВЛЕНИЕ
От редактора
Введение 5
О проблеме чувствительности ВВ к механическим воздействиям 5
О механизме возбуждения взрыва ударом ..11
Глава I. Критические условиявозбуждения взрыва при ударе 23
Очаговый тепловойвзрыв23
Условие критических напряжений и деформация в тонких слоях2t*
Результаты тензометрических измерений ..35
Метод измерения давлений при ударе .. .35
Механика холостого удара37
Механика «снаряженного» удара 42
Оптический метод измерения перемещений..44
Работа деформации заряда46
Механические Свойства твердых ВВ....50
Зависимость давления, при которой! фиксируется взрыв, от толщины заряда .59
Критические условия деформации63
Об адиабатическом периоде индукции ...63
Условие прочности 67
Частость взрывов 79
ые частости. 70
Изменение частости взрывов с толщиной заряда 76
Выводы 31
"лава II. Механизм разогреваВ В до критических температур 33
О неизотермической деформациипластических тел83
Описание механизма разогрева91
Экспериментальное подтверждение механизма разогрева95
Опыты с модельными зарядами 95
Поведение ВВ при статическомсжатии...97
Аномалия кривых частости99
lot109120lot109120122122126128128132135135137142145148158160164168122122126128128132135135137142145148158160164168
lot
109
120
lot
109
120
122
122
126
128
128
132
135
135
137
142
145
148
158
160
164
168
122
122
126
128
128
132
135
135
137
142
145
148
158
160
164
168
Разбор известных моделей среды и механизмов разогрева
Применимость полученных выводов к условиям деформации, отличным от условий прибора № 2
Выводы
Глава III. Элементы количественного подхода к задачам чувствительности твердых В В к механическим воздействиям
Развитие взрыва в условиях механических воздействий
Классификация механических воздействий
Некоторые общие случаи механического воздей ствия по открытому объему ВВ ....
Удар по «полупространству» Удар по тонкому слою
О количественной оценке чувствительности ВВ механическим воздействиям (воздействие по от крытому объему) Принцип «минимальности воздействия» .
Зависимость чувствительности ВВ к удару от па раметров состояния ВВ
Об оценке чувствительности ВВ к мexaничecки^ воздействиям
Границы применимости полученных оценок чув ствительности
Методы определения величин, характеризующих чувствительность
О флегматизации ВВ Выводы ..,
Заключение
Литература
\
Герман Тихонович Афанасьев,Василий Константинович Боболев
Инициирование твердыхвзрывчатых веществ ударом
Утверждено к печати
Ордена ЛенинаИнститутом химической физикиАкадемии наук СССР
Редактор И. А. Карпухин
Технический редактор Р. М. Денисова
Сдано в набор ЦДХ 19G8 г. Подп. к печ. 3/ХП 1968 г.
Формат 84X1087^. Бумага № 1 Усл. пен. л. 9^1.
Уч.-изд. л. 8.Б Тираж 1800 Т-16696.
Тип. за к. 5357. Цена 60 к.
Издательство «Наука»
Москва, К-62, Подсосенский перм 21
2-я типография издательства «Наука»
^^Москва, Г-99. Шубннскпй пер., 10
^
^
Афанасьев, в. к. БоболевАфанасьев, в. к. Боболев
Афанасьев, в. к. Боболев
Афанасьев, в. к. Боболев
Г. Т. АФАНАСЬЕВ, В. К. БОБОЛЕВ
ИНИЦИИРОВАНИЕ
ТВЕРДЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
УДАРОМ
УДК 54.427.6(621.8.031.4)
Инициирование твердых взрывчатых веществ ударом. Л ф а- насьев Г. Т., Боболев В. К. Изд-во «Наука», 1968 г., стр. 172.
Книга представляет собой введение в количественную теорию чувствительности твердых взрывчатых веществ к механическим воздействиям. В пей изложены результаты исследований по механизму возбуждения взрыва в твердых взрывчатых веществах при ударе. Большая часть этих результатов принадлежит авторам.
Книга рассчитана на исследователей, работающих в области физики взрыва и теории взрывчатых веществ, на специалистов, связанных с производством и применением взрывчатых веществ, а также аспирантов и студентов соответствующих специальностей.
Таблиц 14. Иллюстраций 51. Библ. 123 назв.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОРчлен-корреспондент АН СССРК. И. Щ ЕЛКИН
2-5-4
180-68(11)