Дія ударних хвиль при обробці металів

Наши партнеры ArtmMisto

Як енергоносіїв при обробці металів вибухом застосовують метальні (пороху) і брізантние вибухові речовини (ст). Будь-яке ст, згораючи, виділяє велику кількість газів і тепла. Швидкість горіння порохів коливається при нормальних умовах в залежності від їх виду від декількох сантиметрів до декількох метрів в секунду, в той час як швидкості процесів розкладання бризантних ст досягають значень 1500-8500 м / сек.

Через низьку швидкість згоряння тепло і гази порохів встигають розсіюватися, не створивши високого тиску, тому пороху спалюють в замкнутих обсягах. Встановлено, що максимальний тиск визначається в основному щільністю укладання ст, рівної відношенню маси заряду до його об'єму, і може досягати декількох тисяч атмосфер. Змінюючи щільність заряду, отримують широкий діапазон тисків і швидкостей процесу.

Різні пороху знайшли застосування в металообробці в основному для деяких дистанційних операцій, що використовують їх метальні властивості (в пресах для штампування, взривопробівних пресах і ін.). Необхідність улаштування закритих зарядних камер, здатних витримати тиск вибуху, а також порівняно невисокі максимальні тиску і швидкості процесів, що розвиваються цими ст, обмежують їх застосування.

Кордон розділу між продуктами вибуху і не прореагували ст називають фронтом детонації, а швидкість просування фронту - швидкістю горіння для порохів і швидкістю детонації для бризантних ст Під час вибуху бризантних ст досягається тиск порядку 14-30 Гн / м2 (140 000-300 000 атм) і температура може підвищитися до 3027-5527 ° С. Період перетворення, т. е. час повного згоряння або детонації, вимірюється мілісекундами для порохів і мікросекундами для бризантних в .в.

Про ефективність застосування ст судять за такими характеристиками, як швидкість детонації, бризантность, теплота вибуху. Бризантність характеризує здатність ст дробити матеріал і виражається в мм (за кількістю роздробленого матеріалу). Теплота вибуху показує, скільки тепла виділяється при детонації одиниці маси ст Потужність дає оцінку зусилля, що розвивається ст

Бризантні ст виготовляють у вигляді порошків, шнурів, спресованих або литих пластин, блоків, фасонних виробів. Зручні для застосування пластичні ст, яким можна надавати будь-яку форму. Форма ст має важливе значення і визначається формою вироби і видом вибухової операції.

Так, для формування складних виробів слід застосовувати сферичні заряди, що створюють рівномірний тиск у всіх напрямках; шнури можна укладати уздовж вигнутих контурів; для великих площин застосовують ст в формі насипного порошку, листів і т. д. Змінюючи форму ст, можна створювати спрямоване тиск. Тиск, що створюється енергією вибуху, передається через навколишнє середовище у вигляді ударних хвиль. Розліт продуктів вибуху зазвичай не великий, але ударна хвиля, що викликається їх дією, може поширюватися на великі відстані.

Ударні хвилі поділяють за формою поверхні ударного фронту, наприклад, на плоскі, сферичні, конічні і т. П., А також у напрямку - поздовжні і поперечні.

Якщо рух частинок в речовині збігається з напрямком поширення хвилі, то хвиля називається поздовжньою. При цьому розрізняють швидкість руху частинок матеріалу за фронтом хвилі і швидкість поширення фронту хвилі.

Швидкість хвилі завжди більше швидкості частинок. Якщо швидкість частинок і хвилі на-правлю-в одну сторону, то ударна хвиля є хвилею стиснення, а в разі протилежної напрямки-хвилею розтягування (розрідження). Поздовжня хвиля - це чергування областей підвищеної та низької щільності в середовищі. Під дією поздовжньої ударної хвилі виникають об'ємні обурення.

Якщо швидкість частинки матеріалу перпендикулярна до напрямку поширення хвилі, то така хвиля називається поперечною. Поперечні хвилі виникають в результаті дії зсувних напружень і в свою чергу можуть викликати в матеріалі тільки напруги зсуву, пов'язані зі спотворенням форми матеріалу.

Швидкість є не що інше, як поздовжня швидкість звуку. Встановлено, що при досить сильних хвилях, коли створювані ними дотичні напруження перевищать деякі критичні значення, тверда речовина втрачає свою жорсткість і стає пластичним (текучим, подібно рідини).

Зсувні хвилі при цьому не розвиваються і швидкість поздовжньої хвилі (вже як гідродинамічної) визначиться з рівності яке показує, що С0 залежить тільки від модуля всебічного стиснення і не залежить від модуля зсуву.

Отже, якщо тиск на площину, перпендикулярну напрямку руху хвилі, менше критичного, то по тілу поширюється тільки пружна хвиля зі швидкістю се. Якщо цей тиск більше критичного, то виникає не одна, а вже дві хвилі (відбувається так зване розщеплення хвилі): пружна - з амплітудою, що дорівнює критичному тиску, і зі швидкістю се, а слідом за нею пластична.

Ми розглянули кілька ідеалізований випадок поведінки твердого тіла під дією ударної хвилі в припущенні, що воно або ідеально пружно, або відразу набуває властивостей рідини. Реальні тіла не володіють ідеальною пружністю і відхилення від неї перш за все позначається на швидкості поширення хвиль. Стисливість речовини зі збільшенням навантаження зменшується.

В результаті швидкість хвиль залежить від їх інтенсивності. Частини хвилі з великим тиском поширюються швидше, що призводить до спотворення форми і довжини хвилі. Однак в хвилях невеликої інтенсивності зміною швидкості хвилі від тиску нехтують і вважають швидкість постійною, рівною швидкості звуку се в невозмущенном речовині. При досить сильних хвилях швидкість залежить від величини тиску і може перевищувати швидкість звуку.

Якщо швидкість ударної хвилі більше швидкості звуку се, то розщеплення хвилі на пружну і пластичну не відбувається, так як ударна хвиля перетворюється в гідродинамічну і як би зливається з пружною хвилею. Максимальний тиск в продуктах вибуху для нормальної плоскої хвилі детонації безпосередньо за фронтом детонації може бути визначено для сильних ст за формулою

Для слабких ст встановлено, що при спалюванні їх у замкнутому просторі величина розвивається тиску залежить в основному від щільності заряджання і практично не залежить від природи ст Розрізняють тиск в продуктах вибуху і тиск в порушуємо ними ударної хвилі. Максимальний тиск в ударній хвилі залежить від характеру взаємодії продуктів вибуху з контактіруемие речовиною і може значно відрізнятися від тиску в продуктах вибуху як в більшу, так і в меншу сторону.

Максимальний тиск в продуктах вибуху і в ударній хвилі можна змінювати різними способами. Наприклад, в разі використання пластинки ст, зігнутої у вигляді напівциліндра, з увігнутої сторони заряду утворюється сходиться ударна хвиля великої інтенсивності.

З опуклою боку тиск набагато менше і убуває більш інтенсивно, тому що енергія ударної хвилі тут розподіляється на велику, все збільшується поверхню. Можливість створення локальних зон з підвищеним тиском в продуктах вибуху за рахунок відповідного профілю заряду ст використовується для отримання в металах різного виду порожнин і отворів, а також для різання. При поширенні ударних хвиль в твердих тілах має велике значення відображення хвиль від вільної кордону.

Вільна поверхня не повинна відчувати нормальних напружень. Ця умова може дотримуватися, якщо відбита хвиля протилежного знаку, т. Е. Якщо падаюча хвиля - хвиля стиснення, то відбита хвиля буде вільний розтягування з інтенсивністю, здатної повністю погасити на вільної кордоні тиск в падаючої хвилі.

В цьому випадку швидкості частинок падаючої і відбитої хвилі складаються і область матеріалу поблизу вільної поверхні починає рухатися з великою швидкістю. У разі нормального падіння на вільну поверхню акустичної хвилі швидкість кордону подвоюється. Ударна хвиля справа і зліва від припливу досягає вільної поверхні раніше, і завдяки відображенню ці поверхні набувають швидкість, в два рази більшу, ніж швидкість матеріалу в припливі.

В результаті виникають великі дотичні напруження в кутах, що призводять до розвитку тріщин, а також зменшується висота уступу. Якщо на поверхні металу зробити виїмку, то хвилі напруги викликають поперечне і поздовжнє протягом поверхонь виїмки, що приводить до її запливу і утворення шипа.

У разі, якщо матеріал не витримує напруг, що розтягують, створюваних відбитою хвилею, то відбувається відрив матеріалу або, як його часто називають, відкол. При інтерференції декількох хвиль розтягування, що утворилися в результаті відображення хвилі стиснення від різних вільних поверхонь, в металі утворюються зони з підвищеними розтягують напруженнями, що також може привести до його руйнування. Це явище носить назву кутового руйнування.

Відкол і кутова руйнування - найбільш часто зустрічаються види руйнування під час вибуху. Ці явища використовують для різання металів вибухом. Тиск, що виникає в ударній хвилі, швидко знижується »в міру віддалення її від заряду. При цьому значення тиску в повітрі або в воді пропорційно кореню кубічному від ваги заряду.

Максимальний тиск в ударній хвилі, що виникає в заготівлі, залежить від характеру падіння і форми фронту збудливою ударної хвилі (в дистанційних операціях) або фронту детонації (в контактних операціях).

Найбільші тиску виникають, коли фронт падаючої хвилі паралельний поверхні заготовки і рухається нормально до неї. У контактних операціях найчастіше зустрічається інший випадок, коли фронт детонації перпендикулярний контактної поверхні і поширюється у ставленні до неї. Тут фронт ударної хвилі змінює свій напрямок і рухається під кутом до поверхні.

Величина кута залежить від співвідношення швидкості детонації і швидкості |распространенія ударної хвилі і коливається для металів при швидкостях детонації зазвичай застосовуються в. в. в межах 30-40 °. В результаті нахилу фронту ударної хвилі тиск при дотичному падінні фронту детонації знижується приблизно вдвічі в порівнянні з тиском при нормальному падінні.

Ефективність дії ударної хвилі залежить не тільки від величини тиску, а й від часу прикладання цього тиску і характеризується імпульсним давши: ленням.

Перерозподіл напруг при імпульсних навантаженнях відбувається так швидко, що багато процесів не встигають розвинутися. Тому всяка зміна величини імпульсу може різко вплинути на результати вибуховий операції.

Тиск в продуктах вибуху швидко знижується через їх розширення і зберігається лише в зоні, обмеженій фронтом детонації і фронтом хвилі розрідження (рис. 149). Максимальний тиск під центром заряду підтримується довше, ніж в інших точках контакту. При застосуванні вибуху для деформації металів слід звертати увагу на небезпеку руйнування деформованого металу під дією ударних хвиль.

Рівень тиску ударної хвилі зазвичай значно перевершує міцність деформованого матеріалу, що і може викликати його руйнування. Імовірність руйнування пов'язана не з самою ударною хвилею стиснення, а з процесом відображення хвиль від вільних поверхонь оброблюваних виробів, так як в результаті цього виникають напруження розтягу.

Нижче розглянуті три найбільш поширених виду деформації металів енергією вибуху: штампування, зміцнення й зварювання металів вибухом.