ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОХОВ И РТТ

ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Физико-механические свойства веществ — наиболее общие и важные характеристики всех дисперсных систем и материалов (в том числе порохов и РТТ), зависящие от их структуры, обусловленной взаимодействием компонентов системы. К ним относятся: вязкость, текучесть, эластичность, пластичность, жесткость, твердость, тиксотропное поведение коагуляционных структур с определенной зависимостью сопротивления сдвигу от скорости течения; упруго-пластическое и упруго-хрупкое поведение твердообразных дисперсных систем и материалов (с фазовыми контактами), характеризующихся определенной прочностью, т.е. определенными механическими свойствами.

Механические свойства оцениваются по совокупности показателей, характеризующих сопротивление материалов воздействующим на них нагрузкам, их способностью деформироваться при этом, а также особенностью поведения в процессе разрушения. В соответствии с этим механические свойства материалов оценивают напряжениями (обычно в кгс/см² или МН/м²), деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в кгс-м/см² или в МДж/м²), скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 с или за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/цикл). Характеристики механических свойств материалов определяются при механических испытаниях образцов различной формы.

В общем случае материалы в конструкциях и изделиях могут подвергаться самым различным по характеру нагрузкам: работе на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез и др. — или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки, например растяжению и изгибу. Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по температуре окружающей среды, скорости приложения нагрузки и закону ее изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей механических свойств материалов и методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение, твердость, ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб; механические свойства композиционных материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг.

Диаграмма деформации. Приложенная к образцу нагрузка вызывает его деформацию. Соотношения между нагрузкой и деформацией описываются диаграммой деформации (рис. 2.12).

Вначале деформация образца (при растяжении — приращение длины А/) пропорциональна возрастающей нагрузке /% затем в точке П эта пропорциональность нарушается, однако для дальнейшей деформации необходимо повышение нагрузки У⁷; при А/ > А/_И деформация развивается без приложения усилия извне, при постепенно падающей нагрузке. Вид диаграммы деформации не меняется, если по оси ординат откладывать напряжение а = У⁷/^, а по оси абсцисс — относительное удлинение е = А///₀ (А₀ и /₀ — соответственно начальная площадь поперечного сечения и расчетная длина образца).

Сопротивление материалов оценивается по напряжениям, характеризующим нагрузку, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца ст = в Па (кгс/мм²). Напряжение о_пр = У⁷/^, при котором нарушается пропорциональный нагрузке рост деформации, называется пределом пропорциональности. При нагрузке У^г< У⁷^ разгрузка образца приводит к исчезновению деформации, возникающей в нем под действием приложенного усилия; такая деформация называется упругой. Небольшое превышение нагрузки относительно У⁷ может не изменить характера деформации — она по-прежнему сохранит упругий характер. Наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец без появления остаточной пластической деформации при разгрузке, определяет предел упругости материала а = У⁷ /5_П.

с си

С, Н; ст, МПа

Рис. 2.12. Типичная диаграмма деформации при растяжении

конструкционных материалов:

Г - нагрузка; о = Р/Б - напряжение; Д/- абсолютная деформация; е = Л/ / /₀ — относительная деформация

У конструкционных неметаллических материалов (пластмассы, резины) приложенная нагрузка может вызвать упругую, высокоэластическую и остаточную деформации. В отличие от упругой высокоэластическая деформация исчезает не сразу после разгрузки, а с течением времени. Высокопрочные армированные полимеры (стеклопластики, углепластики и др.) разрушаются при деформации на 1—3%. На последних стадиях нагружения у некоторых армированных полимеров появляется высокоэластическая деформация. Высокоэластический модуль ниже модуля упругости, поэтому кривая деформации в этом случае имеет тенденцию отклоняться к оси абсцисс.

Упругие свойства. В области упругих деформаций они связаны коэффициентом пропорциональности. При растяжении а = Ег, где Е — модуль нормальной упругости (модуль Юнга), численно равный тангенсу угла наклона прямолинейного участка кривой а = ср(е) к оси деформации. При испытании на растяжение цилиндрического или плоского образца одноосному (а, > 0, о, = а₃ = 0) напряженному состоянию соответствует трехосное деформированное состояние (приращение длины в направлении действия растягивающего усилия и в двух других взаимно перпендикулярных направлениях): е₁ > 0; ?, = е₃ < 0. Соотношение между поперечной и продольной деформациями — коэффициент Пуассона р = 8₂/е. в пределах упругости для конструкционных материалов колеблется в довольно узких пределах (0,27—0,3 для сталей, 0,3—0,33 для алюминиевых сплавов). Коэффициент Пуассона является одной из основных расчетных характеристик. Зная р и Е, можно расчетным путем определить модуль сдвига (7= Е/2{ I + р) и модуль объемной упругости К= Е/3(1 -2р).

Пластическая деформация. Характеристики пластичности. При нагрузках /^г> Т⁷ наряду со все возрастающей упругой деформацией появляется заметная необратимая, не исчезающая при разгрузке пластическая деформация. Напряжение, при котором остаточная относительная деформация (при растяжении — удлинение) достигает заданной по ОСТ или ГОСТ величины, называется условным пределом текучести и обозначается а_т = Е_ЛХ.

Пластичность при растяжении материалов оценивается удлине-

/ -/ 5 -5

нием 5 = ——--100% или сужением ср = ——— ? 100%; при сжатии —

^/о И -а

укорочением А = —_в—- -100% (где И_{) и И„ — начальная и конечная

к

И

высота образца); при кручении — предельным углом закручивания рабочей части образца 0 или относительным сдвигом V = 0 • г (где г — радиус образца). Конечная ордината диаграммы деформации (точка К на рис. 2.12) характеризует сопротивление разрушению материала, о_к = Е_к/8_к (5^ — фактическая площадь в месте разрыва). Разрушение происходит не мгновенно (в точке К), а развивается во времени, причем начало разрушения может наступить в какой-то промежуточный момент, соответствующий любой точке на участке В—К весь процесс заканчивается при постепенно падающей до нуля нагрузке.

Для оценки качества материалов весьма распространены испытания на ударный изгиб. При этом оценивают ударную вязкость а_к = A_K/S₀ (в кгс • м/см² или в МДж/см²) — работу деформации и разрушения образца А_к, условно отнесенную к его поперечному сечению 5₀.

Пороха и РТТ готовятся на основе высокомолекулярных соединений — полимеров: нитратов целлюлозы, смол, каучуков; и по своим физико-химическим свойствам они являются пластическими веществами. Иногда порох и РТТ называют взрывчатыми пластмассами. Поэтому рассмотрим кратко свойства полимеров как основы пластмасс вообще.