Hva er betydningen av den geometriske fordelingen av metallet i kumulativ bekledning ved eksplosjoner?

Kumuleringseffekten er et fenomen der energi konsentreres i et bestemt område eller retning under eksplosjoner. Denne effekten oppstår gjennom en prosess der eksplosjonens bevegelsesenergi kanaliseres mot en felles akse. Det er særlig knyttet til bruken av kumulative ladninger, der en not i eksplosivladningens base fører til at massene som settes i bevegelse ved eksplosjonen fokuseres og dannes en jetstråle med ekstremt høy hastighet. Hydrodynamisk teori, som opprinnelig ble utviklet med modellering av ideelle, inkomprimerbare væsker, har lenge vært grunnlaget for å forstå dette fenomenet, og gir en enkel tilnærming til hvordan kumulative jets dannes og utvider seg.

Imidlertid har det blitt påvist at de eksisterende hydrodynamiske modellene har flere inkonsekvenser. Dette gjelder spesielt i forhold til hvordan materialet i den kumulative bekledningen reagerer på deformasjon og dannelse av jetstråler. Klassisk teori antar at materialet i bekledningen oppfører seg som en perfekt væske, men eksperimentelle data viser at materialet, tross denne forenklingen, også viser egenskaper av krystallittiske strukturer under jetforming. Dette avslører en betydelig kompleksitet i de fysiske og mekaniske egenskapene til metallet som anvendes i den kumulative ladningen.

For å få en dypere forståelse av hvordan metallet fordeler seg under dannelsen av jetstråler, har det blitt nødvendig å undersøke hvordan det geometriske materialet i bekledningen er distribuert under eksplosjonen. Spesielt blir det gjort klart at bekledningen kan deles i to hoveddeler: den indre delen, som danner jetstrålen, og den ytre delen, som danner en pestle – en formasjon som har lavere hastighet, men som er avgjørende for jetstrålens effektivitet. Jetstrålen, som består av materialet fra den indre bekledningen, kan oppnå hastigheter på mellom 2000 og 10 000 m/s, mens den ytre delen beveger seg langs aksen med mye lavere hastigheter på 500-1000 m/s.

Et annet viktig aspekt er at forskjellige materialer kan brukes i bekledningen for å forbedre den kumulative effekten. For eksempel kan den indre delen av bekledningen lages av høydensitetsmaterialer, som tyskium, mens den ytre delen kan bruke lettere materialer som aluminium eller kobber. Matematisk modellering har vist at det er optimal effektivitet når tykkelsen på bekledningen er mellom 0,2 og 0,3 mm, som er dybden der jetformende materialer dannes.

Det har også blitt bemerket at de teoretiske forutsetningene om materialets bevegelse og fordeling i den kumulative prosessen ikke alltid stemmer overens med eksperimentelle resultater. Spesielt er det en avvik mellom modellene som beskriver fordelingen av materialet i jetstrålen og de faktiske observasjonene. Det er derfor blitt nødvendig å utvikle mer detaljerte modeller som kan ta høyde for både de fysiske og kjemiske egenskapene til materialet, samt hvordan disse påvirker dannelsen av jetstråler.

En viktig observasjon i denne sammenheng er at materialet i bekledningen gjennomgår plastisk deformasjon under dannelsen av jetstrålen. Dette betyr at den faktiske fordelingen av metallet ikke nødvendigvis er en jevn prosess, men at det skjer en lokal variasjon av materialegenskaper gjennom ulike lag i bekledningen. Dette kan ha stor innvirkning på både effektiviteten og stabiliteten til den kumulative ladningen.

Den nye tilnærmingen som brukes i moderne forskning er å fokusere på de volumetriske egenskapene til metallet i stedet for bare å vurdere de kinematiske parametrene til individuelle partikler. Denne tilnærmingen innebærer simuleringer ved hjelp av avanserte verktøy som Ansys AUTODYN, som tillater en detaljert analyse av hvordan metallet i den kumulative bekledningen fordeler seg under eksplosjonen, samt hvordan forskjellige lag i bekledningen påvirker resultatene. Gjennom slike simuleringer kan forskere og ingeniører få en mer presis forståelse av hvordan det kumulative materialet oppfører seg i forskjellige eksplosive scenarier.

Det er derfor nødvendig å forbedre de eksisterende modellene for jetformasjon og materialfordeling for å utvikle mer effektive og pålitelige teknologier. Fremtidige studier bør fokusere på å identifisere de eksakte mekanismene som styrer materialets adferd under eksplosjon og se på hvordan nye materialer og strukturer kan forbedre den kumulative effekten. Samtidig må det tas hensyn til variabler som metallets kjemiske sammensetning, tekstur, kornstørrelse, og graden av herding, som alle kan påvirke hvordan jetstrålen formes og oppfører seg under ekstreme forhold. Dette vil være avgjørende for å utvikle nye generasjoner av eksplosivteknologi og kumulative ladninger som kan møte de stadig mer krevende kravene innen militær og industriell anvendelse.

Hvordan utformingen av belegg på titan ved hjelp av formet ladning påvirker mikrostrukturen og kjemisk sammensetning

Aktivering som forhindrer agglomerasjon og dannelse av kake er et kritisk aspekt i behandlingen av bor-pulvere i nanostrukturert tilstand, spesielt i forbindelse med borid-komposisjoner. Når borid-pulver blir utsatt for formet ladningbehandling, har de vist høyere effektivitet med hensyn til utbytte av borid-komposisjoner. Eksperimentelle studier har tidligere vist betydningen av borider i blandinger som brukes til beleggsystemer, hvor deres bidrag til det samlede bildet av røntgendiffraksjonsanalyser har blitt analysert.

I studier som undersøker dannelsen av belegg etter behandling med formet ladning på titanunderlag, ble flere forskningsmetoder benyttet. En skanning elektronmikroskopi (SEM) ble brukt til å analysere mikrostrukturtilstanden i belegget. Videre ble kvantitativ røntgenfluorescens (XRF) brukt til å bestemme den kjemiske sammensetningen av belegget, mens røntgendiffraksjon (XRD) ble benyttet for å undersøke struktur- og fasekomposisjonen til både underlaget og belegget. Belegg og underlag ble også utsatt for mikroharde tester ved bruk av Vickers indenter for å måle hardhet.

Etter behandlingen med formet ladning, ble et karakteristisk heterogent overflatebilde dannet. Denne overflaten hadde mikron-rå struktur med sporadiske glatte smeltede områder og mikrosprøkkdannelser. Visuelt hadde de behandlede overflatene en gyllen fargetone, som er karakteristisk for titannitrid-komposisjoner. Typiske mikrografier viste en overflate med både glatte områder med nesten fullstendig smelting av matrialet og separate "øyer" av smeltet mekanokompositt. På periferien av belegget kunne man se spor av spredte gassstråler i form av tettbundne strukturer og fast smeltet substrat i form av sfæriske dråper.

Når høyere forstørrelse ble brukt, ble det observert et visst antall kratre som dannet seg da agglomerater fra blandingen kolliderte med det smeltede overflatematerialet. Disse kraterne var fylt med partikler fra den opprinnelige blandingen, noe som indikerte at refraktære agglomerater fra de sprøytede komposittene hadde påvirket materialet. På overflaten kunne man se både sfæriske og formløse pulverpartikler, i tillegg til et nettverk av mikrosprøkkdannelser som oppstod på grunn av rask krystallisasjon av smeltet materiale og påfølgende indre spenninger.

Mikroskopiske studier i den ortogonale planet til den behandlede overflaten viste at det ikke var noen klar grense mellom belegget og substratet. Istedenfor ble det observert en overgangssone, hvor titan-substratets korn blandet seg med beleggets material. Denne blandingen indikerte de høye adhesive egenskapene til belegget.

Kjemisk analyse gjennom XRF før og etter behandlingen viste en betydelig endring i sammensetningen på overflaten av prøvene. For eksempel, før behandlingen bestod titaniumlegeringen hovedsakelig av titan og oksygen, med spor av andre elementer som aluminium og natrium. Etter behandlingen var det en markant økning i nitrogeninnholdet, som nådde 25%, trolig på grunn av dannelse av titannitrid (TiN) på overflaten. Dette ble videre bekreftet ved tilstedeværelsen av oksygen og karbon, hvor karboninnholdet økte til omtrent 10%, muligens som et resultat av kontakt med kjemikalier under behandlingen.

XRD-analyser av prøvene fra forskjellige områder i reaktoren viste identiske resultater, der en økning i innholdet av aluminiums- og jernpartikler ble observert, noe som ble tilskrevet forurensning fra reaksjonsutstyret og sekundære reaksjoner mellom pulver og substrat. Det ble ikke oppdaget noen nye faser som kunne forklare oksygeninnholdet, som primært ble forklart ved dannelsen av et tynt oksidlag på overflaten.

Behandling med formet ladning har derfor vist seg å være en effektiv metode for å skape høykvalitetsbelegg på titan, hvor både kjemisk sammensetning og mikrostruktur er påvirket av interaksjoner mellom de sprøytede materialene og substratet. Samtidig er det nødvendig å forstå at prosessen ikke kun involverer smelting og herding av materialene, men også kompleks kjemisk og strukturell transformasjon på mikroskopisk nivå.

Det er viktig å merke seg at når det gjelder anvendelsen av disse beleggene, spiller både overflateegenskaper som hardhet og adhesjonsevne en avgjørende rolle for levetiden og ytelsen til titanbaserte komponenter i krevende miljøer. For optimal ytelse bør man ta hensyn til både de mikroskopiske egenskapene og de kjemiske reaksjonene som finner sted under behandlingen, ettersom disse kan ha stor innvirkning på beleggmaterialets stabilitet og motstandskraft mot korrosjon og mekanisk slitasje.

Hvordan lagdelte metallplater påvirker ballistisk ytelse ved høyhastighetsprosjektiler

I utviklingen av beskyttelsesstrukturer benytter ingeniører kommersielle programvarepakker som ABACUS, AUTODYNE og IMPETUS Afea Solver, men det finnes også ikke-kommersielle koder for simulering av gjennomtrengnings- og perforeringsproblemer. Lagdelte plater er et av de mest studerte emnene innen påvirkningsmekanikk, og har vært gjenstand for omfattende forskning over lang tid. En særlig egenskap ved slike systemer er at de, til tross for at de kan bestå av ulike materialer, har individuelle styrkeegenskaper. Dette gjør dem til et ideelt objekt for forskning på ballistisk beskyttelse, spesielt når det gjelder lagdelte metallmål, inkludert de med luftspalter.

I studien er det gjennomført en grundig vurdering av hvordan ulike metaller, tykkelser, bruddmekanismer og sammenkoblingstyper påvirker den ballistiske ytelsen til mål. Et eksempel på dette er en undersøkelse av atferden til lagdelte og herdet stållegeringer som ble utsatt for et 7,62 AP-prosjektil ved en hastighet på 900 m/s. Resultatene viste at herding økte den ballistiske grensehastigheten med minst 20%, og at flerlagde mål kunne avlaste fiberstrukturer på baksiden, noe som resulterte i større deformasjon og forbedret motstand mot ballistiske påkjenninger.

Videre ble det vist at monolittiske metallplater, i hastighetsområdet 775–950 m/s, hadde bedre ballistisk ytelse enn doble eller tredoble lagdelte plater laget av samme materiale. Dette understreker viktigheten av sammensetning og lagstruktur i utviklingen av effektive beskyttelsessystemer.

Modelleringen av disse fenomenene benytter en fenomenologisk tilnærming som tar hensyn til elastisk-plastisk oppførsel, kompresjon, porøsitet og styrkeegenskaper hos materialene. Et spesifikt eksempel på dette er utviklingen av en heuristisk modell for å estimere den ballistiske ytelsen til lagdelte aluminiummål som blir penetrert av et stivt prosjektil, ved hjelp av duktil hullvekst. Denne modellen kan brukes til å forutsi perforeringseffektene og gi viktig innsikt i hvordan forskjellige lagstrukturer responderer på høyhastighetspåvirkning.

Forskningen fokuserer primært på sivile anvendelser, som for eksempel multilagsmetallskjold som simulerer dører til banker, elementer i fly, panseret på verdifransportkjøretøy og beskyttelsen til politikere og forretningsmenn. En sentral oppgave i denne forskningen er å styrke eksisterende beskyttelsesstrukturer ved å legge til ett eller flere ekstra lag. Her er det viktig å merke seg at materialet i de nye lagene er identisk med det som allerede er brukt i beskyttelsen, og at metodene for sammenføyning av lagene gjennom sveiseteknologi eller pulvermetallurgiske prosesser ikke inngår i undersøkelsen.

Når det gjelder det numeriske grunnlaget for studien, er en matematisk modell og et numerisk metode benyttet, som tar i betraktning elastisk-plastisk oppførsel, porøsitet, kompresjon og styrkeegenskaper til materialene. Modellen er basert på kontinuumsmekanikkens fundamentale lover om bevaring av masse, moment og energi. De elastisk-plastiske egenskapene til materialene beskrives gjennom kjente ligninger som Prandtl–Reis og von Mises flytegrenser. Modellen tillater simulering av materialdestruksjon ved dannelse av nye frie overflater og fragmentering.

Videre benyttes en numerisk metode basert på Lagrange-tilnærmingen for å beskrive bevegelsen av kontinuerlige medier. Den spesifikke algoritmen som brukes i modellen, gjør det mulig å håndtere utfordringer knyttet til isolering av diskontinuitetsflater i materialene under perforering. Dette kan gi mer presise beregninger av penetrasjonsdybde og andre ballistiske egenskaper.

Verifikasjonen av de numeriske resultatene utføres gjennom interne tester, både kvalitative og kvantitative, der man sammenligner eksperimentelle data med analytiske og numeriske resultater. Testene viser at det er en god overensstemmelse mellom eksperimentelle og numeriske data, med avvik på under 5%, noe som indikerer høy nøyaktighet i den utviklede modellen.

En annen viktig observasjon er hvordan lagdelingen av metallplatene påvirker effekten av høyhastighetsprosjektiler, spesielt i forhold til penetrasjon og fragmentering. Det er funnet at lagdelte mål kan bedre motstå påkjenningene fra prosjektiler, ettersom det bakre laget av platen kan absorbere en del av energien, og på denne måten redusere belastningen på de andre lagene.

Det er viktig å forstå at ved design av beskyttelsesstrukturer kan lagdeling være et effektivt middel for å forbedre motstanden mot ballistiske angrep, men at dette er sterkt avhengig av materialenes egenskaper, lagenes tykkelser og måten de er koblet sammen på. For å oppnå optimale resultater er det også nødvendig å ta hensyn til dynamiske faktorer, som prosjektilhastighet, innfallsvinkel og prosjektilets form, da disse kan ha stor innvirkning på perforeringseffektiviteten.