ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИКИ ФРАКТАЛОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ

ПРОЦЕССА СВЕРХГЛУБОКОГО ПРОНИКАНИЯ ПРИ

ДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ ПОТОКОМ

ДИСКРЕТНЫХ ЧАСТИЦ

Алексенцева С.Е., профессор СамГТУ

Аннотация.

В

данной

статье

рассматривается

возможность

применения физики фракталов для исследования процесса сверхглубокого

проникания высокоскоростных частиц при взрывной обработке с целью

получения композиционных материалов с уникальными свойствами.

Ключевые

слова:

поток

высокоскоростных порошковых частиц,

сверхглубокое

проникание,

физика

фракталов,

композиционные

материалы

Обработка материалов концентрированными потоками энергии для

получения

композиционных

материалов

является

инновационным

направлением

современной

науки.

Одним

из

методов

получения

композиционных материалов

является

взрывная

обработка

металлов

и

сплавов

потоком

высокоскоростных

порошковых

частиц

в

режиме

сверхглубокого

проникания

(СГП)

частиц.

Сверхглубокое

проникание

частиц реализуется при обработке металлов и сплавов потоком частиц,

разогнанных ударной волной, со скоростью 1 – 1.5 км/с. Максимальное

проникание частиц на глубину до 1000 диаметров частиц наблюдается в

размерном интервале частиц 10-100 мкм.

Сверхглубокое

проникание

порошковых

частиц

сопровождается

образованием тонких микроканалов в диаметре до микрометра. При этом

происходит интенсификация процессов химических новообразований в

условиях сверхвысоких давлений и температур. Так можно представить

процесс СГП частиц как динамическое туннелирование материала с некой

периодичностью

формирования

каналов.

В

рамках

физики

пространственно-размерной

организации

вещества,

при

обработке

материалов

высокоэнергетическими

потоками

частиц

с

применением

взрывной энергии, можно представить туннелирование и формирование

микроканалов,

как

образование

структурных

элементов,

имеющих

фрактальную природу.

Одной

из

задач

научного

исследования

является

выявление

закономерностей

и

связей

между

составляющими

процесса

взрывной

обработки материалов потоком высокоскоростных частиц в режиме СГП и

макро-

и

микроструктур

получаемых

композиционных

материалов,

корреляции структурных уровней.

Описание

структурно-энергетической

системы

данного

процесса

может быть дано на основе пространственно-энергетических необратимо-

временных законов корреляции состояния вещества и пространственно-

размерной организации структурных элементов.

Широко

проводятся

исследования

процессов

самоорганизации

в

различных

интервалах

параметров

динамических

воздействий

при

формировании

структурных

новообразований

(дислокаций,

атомной

переупаковки,

двойников,

полос

скольжения,

зёрен,

кластеров,

реакционных

химических

новообразований,

образованием

зон

повышенной

и

пониженной

напряжённости

под

действием

ударной

волны). Изучаются процессы образования вязких пальцев в двумерных

средах с динамическим перколяционным вытеснением на границе раздела

сред. Интерес представляют процессы формирования пластических волн

вдоль границы контакта материалов при взрывной сварке и др.

Это является информационной базой для обоснования структурно-

энергетического подхода к изучению процесса обработки материалов в

режиме сверхглубокого проникания.

Эффект сверхглубокого проникания частиц является процессом, не

имеющим однозначного понимания в современной научной парадигме,

поэтому

привлечение

новых

подходов

служит

для

раскрытия

его

физической природы. Фрактальную природу процесса СГП частиц можно

проследить на всех этапах протекания процесса.

Рисунок. Формирование микроканалов – 1 при

сверхглубоком проникании частиц - 2.

Ударно-волновое воздействие потока высокоскоростных частиц с

мишенью

сопровождается

формированием

неплоской

волнообразной

поверхности раздела из-за неравномерного воздействия отдельных частиц

(фракционный состав, неформальная периодичность воздействия и др.).

Действие зон давлений различной интенсивности даёт неоднородное поле

давлений. Перевод материала в неустойчивое состояние сопровождается

возникновением явления, которое в физике фракталов называют «вязкие

пальцы».

Данное

состояние

материала

мишени

способствует

формированию проницаемости мишени при воздействии частиц. Частицы

имеют энергию соударения большую, чем энергия кулоновских связей, что

приводит разрыв кристаллических структур вдоль движения метаемых

частиц.

Идёт

изменение

термодинамического

потенциала

материала

мишени

и

величины

диссипации

энергии

при

пластическом

деформировании,

переход

от

равновесного

к

сильнонеравновесному

состоянию. Фронт частиц взаимодействует с подготовленной мишенью и

проникающие частицы углубляют вязкие пальцы.

Можно

исследовать

возможность

применения

аппарата

фрактального

процесса

формирования

вязких

пальцев

для

СГП

и

определить

период

возникновения

вязких

пальцев

λ

m

.

Однако,

фрактальные зависимости справедливы для толщины фронта b границы

раздела, поверхностного натяжения на поверхности раздела σ, скорости

движения

границы

раздела

U.

Возможность

применения

фрактальных

зависимостей требует дальнейшего исследования.

Таким

образом,

применение

физики

фракталов

и

функционалов

фрактального аппарата для изучения процесса сверхглубокого проникания

при

динамической

обработке

материалов

потоком

дискретных

частиц

может

помочь сформировать

зависимость

для

расчётного

определения

ряда

технико-технологических

параметров

процесса

СГП

частиц.

Это

является актуальной задачей, т.к. получение композиционных металлов и

сплавов путём обработки материалов (сталей, алюминиевых и медных

сплавов

и

др.)

потоком

высокоскоростных

частиц

с

различными

свойствами

в

режиме

СГП

даёт

уникальные

структуры

в

области

микроканалов, армированных материалом проникающих частиц (диборид

титана,

титан,

хром,

никель,

вольфрам

и

др.),

повышая

прочностные

параметры материалов и увеличение микротвёрдости до 2-х раз в объёме

материала.