The effect of “annealing” on the specific crushing energy of the layered frozen ice

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Промышленное освоение северных и восточных регионов страны способствует развитию и распространению технологий использования льда в качестве строительного материала (Petrov, 2019; Гриневич и др., 2020; Orlov, Orlova, 2022). Накоплен значительный опыт в использовании льда при строительстве временных дорог и переправ (Бернштейн, 1935; Умеренное намораживание…, 1982), плотин и дамб (Вдовин, Краснов, 1986; Даниэлян и др., 1986). Лёд применяют для возведения искусственных островов с целью размещения на них оборудования (Войтковский и др., 1982; Край, 1983; Савельев, Латалин, 1986), успешно используют для теплоизоляции и поддержания низких температур в хранилищах (Бернал, 1966). Лёд успешно применяют в спорте при создании горнолыжных трасс с искусственным снежным покрытием (https://welcome.mosreg.ru/stories/gornolyznye-kurorty-podmoskov-a-kuda-otpravit-sa-etoj-zimoj) и конькобежных треков (Tusima et al., 1998).

В большинстве практических применений строительный лёд должен иметь хорошую несущую способность, которая может быть обеспечена его высокой прочностью. Для повышения прочности в лёд добавляют армирующие добавки, способные принимать на себя часть механической нагрузки. Такими материалами могут быть древесная стружка (Perutz, 1948), водоросли (Дунаев, 1957), целлюлоза (Рыженков, 2015; Li, 2015), полимерные волокна (https://ndn.info/novosti/29327-armirovannyj-led-dlya-strojki-mostov-izobreli-v-sibiri) и т.д. Лёд с армирующими добавками называют льдокомпозитным материалом. Прочность льдокомпозитных материалов может в несколько раз превышать прочность чистого льда. Существует также термомеханический (не композитный) путь воздействия на механические свойства. Он заключается в применении ко льду методов, используемых в металлообработке, таких как термическая обработка (например, «отжиг», подразумевающий выдержку льда при температуре близкой к точке плавления) и термомеханическая обработка («отжиг» в присутствие нагрузки). В работе (Tatibouet et al., 1975) отжиг льда использовался для изменения его дислокационной структуры, вследствие которого изменялись ультразвуковые свойства льда. В работах (Шавлов, 1996; Шавлов и др., 2007) отжиг использовался для уменьшения скорости деформации льда. Авторы отмечали также влияние отжига на прочность, упругость, коэффициент трения льда. Детальной информации по влиянию отжига на механические характеристики льда мало. Поэтому необходимы дальнейшие исследования в данной области знаний для выяснения перспектив применения методов термомеханической обработки с целью увеличения прочности льда, а также упрочнения льдокомпозитных материалов.

Цель работы состоит в продолжении проведённых на ледовом стадионе в Крылатском (Москва) (Шавлов и др., 2007) исследований влияния термомеханической обработки льда на его механические характеристики. Предполагается экспериментально исследовать влияние отжига (при различных температуре и длительности отжига) на прочностную характеристику льда –такую как удельная энергия разрушения.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Методика ударного разрушения. Прочность твёрдых материалов традиционно определяют тестовыми испытаниями кубических образцов на медленное сжатие (с постоянной скоростью) или образцов в виде пластин на растяжение до их разрушения (Богородский, Гаврило, 1980). Такие испытания трудоёмки и требуют больших затрат времени. Наряду с традиционными испытаниями прочность часто испытывают методом ударного разрушения, который заключается в измерении глубины внедрения ударного инструмента в исследуемый материал, в частности, в лёд (Reichmus, 1963; Зеленин, 1968; Лихоманов и др., 1971; Хейсин и др., 1973; Спивак, Попов, 1975; Епифанов, 1985; Цуприк, 2013). Поскольку скорость деформирования материала при традиционном и ударном испытаниях различна, то различаются и полученные данными методами значения прочности. Прочность при ударном разрушении, как правило, ниже. Но, в целом, между результатами, полученными этими методами, наблюдается устойчивая корреляция. Исследователи выбирают метод ударного разрушения из-за простоты проведения экспериментов, отсутствия необходимости приготовления образцов стандартной формы, из-за возможности выполнения множества опытов на одном образце, из-за простоты изменения массы и скорости ударника в опытах, из-за малых затрат времени и труда на получение одной экспериментальной точки. В экспериментах со льдом в качестве ударника обычно используют стальной шар. Его сбрасывают на поверхность льда с фиксированной высоты. После соударения на поверхности льда остаётся лунка раздробленного льда. Часть раздробленного льда оказывается вытесненной из лунки, и образует небольшой бортик по периметру лунки. В эксперименте определяют диаметр лунки d (рис. 1), вычисляют объём разрушенного льда $V_D$ (при не слишком большой силе удара этот объём равен объёму лунки V) и определяют удельную объёмную энергию разрушения льда ${\epsilon }_V$ по формуле

${\epsilon }_V=W/V_D$, (1)

где $W=mgH$ – потенциальная энергия шара, израсходованная на разрушение; m – масса шара; g – ускорение свободного падения; H – высота падения шара; $V=\frac{\pi h}{6}\left(h^2+\frac{3}{4}{d}^2\right)$ – объём лунки (объём шарового сегмента), $h=R-\sqrt{R^2-\frac{1}{4}{d}^2}$ – глубина лунки, R – радиус шара. Очевидно, что чем выше прочность материала, тем больше удельная энергия разрушения.

 

Рис. 1. Фотография лунки на фоне линейки с ценой деления 1 мм (а) и схема измерения параметров лунки (б): R – радиус шара, d – диаметр лунки, h – глубина лунки, Δh – толщина слоя разрушенного льда под дном лунки. Раздробленный лёд показан на схеме штриховкой

Fig 1. Photograph of the hole against the background of a ruler with a division value of 1 mm (a) and a diagram for measuring the parameters of the hole (b): R – is the radius of the ball, d – is the diameter of the hole, h – is the depth of the hole, Δh – is the thickness of the layer of destroyed ice under the bottom of the hole. Crushed ice is shown in the diagram by shading

 

В настоящей работе в качестве ударного инструмента использовали стальной шар радиусом R = 15 мм, массой m = 110 г. Шар падал по почти вертикальному желобу (угол наклона к горизонтали 85°). Высота падения составляла H = 1 м. Шар при падении проскальзывал по желобу, не раскручиваясь. Контейнер с образцом льда плотно прилегал к поверхности лабораторного стола, и при ударах шаром не обнаруживал заметных колебаний. На рис. 1, а приведена фотография лунки, оставленная шаром на поверхности льда. После удара шар отскакивал от лунки и вторично касался поверхности рядом с ней. Высота упругого отскока шара от лунки составляла 1–2 мм, что составляет 0.1–0.2% от высоты падения шара. Следовательно, более 99% потенциальной энергии шара расходовалось на пластическую деформацию и разрушение льда. Шар перед испытаниями охлаждали до температуры льда.

Объект исследования. Лёд приготавливали методом послойного намораживания до толщины около 4 см. Сначала в металлический контейнер размерами 280 × 230 × 60 мм³ наливали слой дистиллированной воды толщиной 2 см с температурой 25 °C, затем контейнер закрывали крышкой, ставили в морозильную камеру «Бирюса 14» и замораживали в течение нескольких часов до температуры –18 °C. Далее, вынимали контейнер из камеры, нагревали на воздухе до температуры льда –4 °C, затем наливали второй слой воды толщиной 1 см и снова замораживали (подогрев льда был необходим для того, чтобы лёд не растрескивался при наливании воды). Третий слой воды толщиной 1 см замораживали так же, как второй. Получающийся лёд был поликристаллическим, так как никаких специальных мер, направленных на формирование монокристаллического льда, не предпринимали. Предположительно, размер кристаллических зёрен льда не превышал нескольких долей миллиметра, поскольку, как будет показано ниже, размер осколков льда при разрушении составлял около 0.5 мм. Кроме того, лёд содержал множество мелких воздушных пузырьков с концентрацией до 10 см^–3, размером в доли миллиметра, видимых невооружённым глазом.

Температуру льда измеряли цифровым термометром «OT-HOM10», датчик которого был вморожен в центре ледяного образца. Абсолютная погрешность термометра составляла ±1 °C.

Методика испытаний. Методика испытаний заключалась в следующем. Контейнер вынимали из морозильной камеры, нагревали на воздухе до температуры льда –12 °C, снимали крышку с контейнера и выполняли около 10 бросков шара на поверхность льда. Броски выполняли таким образом, чтобы лунки разрушенного льда располагались на расстоянии 3–4 см друг от друга и от краёв контейнера для того, чтобы снизить влияние напряжённых областей льда под лунками и по линии контакта льда с материалом контейнера на результаты измерений. За время совершения 10 бросков (около одной минуты) лёд нагревался от –12 до –11 °C за счёт теплообмена с воздухом и опорой контейнера. Лунки фотографировали камерой на фоне метрической линейки с ценой деления 1 мм. Затем контейнер со льдом закрывали крышкой и, в зависимости от задачи исследования, помещали в морозильную камеру для охлаждения льда или выполняли отжиг льда.

Для фотографирования лунок использовали камеру устройства «Redmi Note 9 Pro, Xiaomi» с разрешением 3472×4640 пиксель, в направлении, перпендикулярном поверхности льда. По фотографиям определяли диаметр лунок в пикселях с помощью инструмента Webbers ScopePhoto. Далее, пиксели пересчитывали в миллиметры. Относительная погрешность определения диаметра была менее 10%.

Методика отжига. Отжиг льда выполняли при одной из двух температур: –1.5 или 0 °C. Перед отжигом контейнер с образцом подогревали в течение около 1 часа на воздухе до температуры льда, близкой к температуре отжига, затем помещали в термостат «SB35C61WAW5-R134a» (с терморегулятором «XH-W3001») с заданной температурой отжига и выдерживали образец от часа до нескольких суток. Далее контейнер с образцом перемещали в морозильную камеру и охлаждали, примерно в течение одного часа, для проведения последующих испытаний ударом. После испытания образец могли снова помещать в термостат на более длительный отжиг. При этом вычисляли суммарное время всех отжигов, которым подвергали образец. Полагали, что в процессе нагревания льда до температуры отжига и в процессе последующего охлаждения льда до температуры испытаний (–12 °C) градиенты температуры в образце были невелики (изотермическое нагревание и охлаждение), не приводили к заметному накоплению микротрещин и не влияли на результаты измерений. Это подтверждается в описанных ниже экспериментах уверенным трендом диаметра лунок при изменении длительности отжига.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Ниже представлены результаты измерений диаметров лунок в зависимости от времени хранения образца льда при температуре –18 °C, диаметров лунок в зависимости от температуры проведения испытаний прочности, диаметров лунок от толщины верхнего слоя льда при послойном намораживании, диаметров лунок от времени отжига при температурах отжига –1.5 и 0 °C.

В табл. 1 представлены результаты измерения диаметров лунок разрушенного льда, полученных в различные моменты времени после его приготовления и хранения при температуре –18 °C. (Диаметр лунки служит показателем объёма разрушения). Испытания ударом проводили при температуре –12 °C. Видно, что в течение длительного времени (4 суток) среднее значение диаметра лунки практически не изменяется (отклонение среднего значения меньше среднеквадратичной ошибки измерения). Таким образом, при температуре хранения –18 °C релаксация прочности льда не наблюдается в течение длительного времени. Эти данные важны, так как в процессе проведения опытов с образцом иногда требовалось его длительное хранение в неизменном физическом состоянии.

 

Таблица 1. Диаметры лунок, полученных в различные моменты времени после приготовления льда и хранения при температуре –18 °C

Table 1. Diameters of the holes obtained at various times after preparing ice and storing at –18 °C

Свежеприготовленный лёд			Лёд после 4 суток хранения при –18 °C
№	d, мм	d, мм (среднее)	№	d, мм	d, мм (среднее)
1	9.8	9.64	1	9.9	9.67
2	9.4		2	9.6
3	9.1		3	9.3
4	9.4		4	10.4
5	9.8		5	9.2
6	9.9		6	9.6
7	10.2

 

На рис. 2 изображена зависимость диаметров лунок от значений температуры льда, при которой его испытывали. Среднее значение диаметра лунки растёт с увеличением температуры, при этом рост значительно превышает среднеквадратичную ошибку. То есть, объём разрушенного льда также растёт и, следовательно, прочность уменьшается. Это типичное поведение прочности льда с ростом температуры (Богородский, Гаврило, 1980).

 

Рис. 2. Зависимость диаметров лунок d от значений температуры льда T

Fig 2. Dependence of hole diameters d on ice temperature T

 

Прочность льда должна зависеть от скорости кристаллизации, а значит и от толщины верхнего слоя льда при послойном намораживании при неизменной скорости отвода тепла от образца. На рис. 3 показана зависимость диаметров лунок разрушенного льда от толщины верхнего слоя при температуре испытаний льда –12 °C. С ростом толщины слоя диаметр лунок увеличивается. Отметим, что во всех опытах, отражённых на данном рисунке, толщина верхнего слоя льда (> 1 мм) превышала глубину лунки (~0.5 мм).

 

Рис. 3. Зависимость диаметров лунок льда d от толщины верхнего слоя l. Температура испытаний льда –12 °C

Fig 3. Dependence of the diameters of ice holes d on the thickness of the top layer l. Ice test temperature –12 °C

 

Влияние отжига льда на результаты испытаний демонстрирует рис. 4. Температура испытаний –12 °C. На рис 4, а отжиг выполняли при температуре –1.5 °C. С увеличением времени отжига (одного и того же образца), в интервале 1–48 часов, диаметр лунки уменьшается примерно на 20%. Подобные испытания были проведены ещё на двух образцах, приготовленных по такой же технологии при температуре отжига –1.5 °C. Данные для разных образцов совпали друг с другом с точностью около 10%, и все образцы демонстрировали уменьшение объёма разрушения и, следовательно, увеличение прочности с ростом времени отжига. Наиболее быстрое уменьшение диаметра лунки наблюдалось в интервале времен отжига 0–5 часов. То есть, 5 часов – это время релаксации прочности льда при температуре –1.5 °C.

 

Рис. 4. Зависимость диаметра лунок d от времени отжига t. Температура отжига –1.5 °C (а), 0 °C (б). Температура проведения испытаний –12 °C

Fig. 4. Dependence of the diameter of the holes d on the annealing time t. Annealing temperature –1.5 °C (a), 0 °C (b). Test temperature –12 °C

 

Температура отжига влияет на время релаксации прочности. На рис. 4, б представлена зависимость диаметров лунок от времени отжига образца при более высокой температуре, вблизи точки 0 °C. (Отмечено, что в течение отжига небольшая часть льда успевала расплавиться. По окончании отжига появившуюся воду выливали из контейнера, затем образец охлаждали для проведения испытаний). Среднее значение диаметра лунки (при температуре испытаний –12 °C) проявляло сложное поведение. Сначала по мере отжига диаметр мог немного увеличиваться, затем уменьшаться и вновь увеличиваться на 20%. Уменьшение и увеличение происходят за 1–2 часа каждое. То есть, время релаксации снизилось в разы по сравнению с образцами при температуре отжига –1.5 °C. Подобному испытанию подвергли ещё четыре образца, полученные по аналогичной технологии и при температуре отжига 0 °C. Все образцы обнаружили минимум среднего диаметра лунки при увеличении времени отжига, затем его рост на 10–20%. Таким образом, прочность льда падает с ростом времени отжига при 0 °C.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Ниже представлены простые математические соотношения, устанавливающие связь диаметра лунки с удельной объёмной энергией разрушения льда, приведено экспериментальное обоснование равенства объёма разрушенного льда и объёма лунки, вычислена величина удельной энергии разрушения, дано качественное объяснение полученных выше результатов, приведено экспериментальное подтверждение увеличения размера осколков льда по мере отжига при 0 °C.

Получены простые математические выражения, устанавливающие связь между энергией разрушения и характеристиками материала. Выражения будут полезны при интерпретации экспериментальных данных.

Будем считать, что потенциальная энергия W ударяющего инструмента – шара полностью расходуется на разрушение льда, то есть на создание трещин и появление осколков. Поверхностная энергия образования трещины ${\epsilon }_S$ включает в себя разрыв межмолекулярных связей и пластическую деформацию среды, сопровождающую движение трещины. Энергию удара можно представить в виде

$W={\epsilon }_S\left(3a^2\right)\left(\frac{V_D}{a^3}\right)=3V_D\frac{{\epsilon }_S}{a}$, (2)

где 3a² – площадь поверхности одного осколка со средним размером a (коэффициент 3 вместо 6 использован потому, что в поверхностную энергию трещины включены энергии её левого и правого бортов), $\frac{V_D}{a^3}$ – количество осколков в разрушенном объёме $V_D$.

Объём разрушения представим в виде суммы объёма лунки и объёма разрушенного, льда под дном лунки (в приближении h, d<<2R)

$V_D=V+\frac{\pi d^2}{4}\cdot h=\frac{\pi d^4}{64R}\left(1+\frac{16R}{d^2}\cdot h\right)$, (3)

где ∆h – толщина разрушенного льда под дном лунки. Из (3) и (2) получим

$d^4\left(1+\frac{16R}{d^2}\cdot h\right)=6.8WR\frac{a}{{\epsilon }_S}$ (4)

Из (4) следует, что диаметр лунки пропорционален корню четвёртой либо второй степени из величины $\left(WR\frac{a}{{\epsilon }_S}\right)$ в зависимости от того, совпадает объём разрушенного льда с объёмом лунки или значительно превышает его, соответственно. Ниже будет показано, что в наших опытах работает закон корня четвёртой степени, то есть объём разрушенного льда равен объёму лунки.

Согласно (2) и (1), объёмная плотность энергии разрушения связана простым соотношением с энергией образования единицы площади поверхности трещины:

${\epsilon }_V=\frac{3{\epsilon }_S}{a}$. (5)

Найдём связь предела прочности σ с величиной ${\epsilon }_V$. После удара шара о поверхность льда шар останавливается в тот момент, когда нагрузка шара на лёд в точности равна пределу прочности. То есть,

$\sigma =\frac{сила}{площадь}=\frac{mb}{\frac{\pi d^2}{4}}=\frac{4m}{\pi d^2}\frac{v^2}{2h}=\frac{4W}{\pi d^{2}h}=\frac{4W}{\pi }\frac{8R}{d^4}=\frac{{\epsilon }_V}{2},$ (6)

где $b=\frac{v^2}{2h}$ – ускорение торможения шара, v – скорость шара в момент соприкосновения с поверхностью льда. При выводе формулы (6) учли, что потенциальная энергия шара полностью превращается в кинетическую $W=mgH=\frac{m{v}^2}{2}$, а также предположили, что объём разрушения равен объёму лунки. Итак, согласно формуле (6), предел прочности льда при ударном разрушении с точностью до численного коэффициента совпадает с удельной объёмной энергией разрушения.

Воспользуемся полученной формулой (4) и покажем, что диаметр лунки пропорционален корню четвёртой степени из величины энергии удара W или высоты падения шара H. На рис. 5 изображена экспериментальная зависимость биквадратов диаметров лунок d ⁴ от высоты падения шара H при температуре испытаний льда –12 °C. Экспериментальные точки хорошо аппроксимируются прямой линией с наклоном $\frac{d^4}{H}=8.78\times {10}^{-9}{\text{ì}}^{\text{3}}$. Таким образом, можно считать экспериментально установленным то, что объём разрушенного льда в опытах практически равен объёму лунки. Этот вывод подтверждается фотографией лунки льда (см. рис. 1, а), на которой часть слоя разрушенного льда отслоилась от дна лунки и выпала наружу. Толщина этого слоя не превышает нескольких долей миллиметра. В соответствии с формулой (4), эта толщина ∆h должна быть меньше 0.4 мм. Именно тогда будет справедлива пропорциональная зависимость d от H^1/4.

 

Рис. 5. Зависимость биквадратов диаметров лунок d ⁴ от высоты падения шара H при температуре испытаний льда –12 °C

Fig. 5. Dependence of the biquadratic diameters of the holes d ⁴ on the height of the fall of the ball H at an ice testing temperature of –12 °C

 

С помощью формулы (4) и найденного из опыта наклона прямой, см. рис. 5, можно определить величину $\frac{a}{{\epsilon }_S}$. Получим $\frac{a}{{\epsilon }_S}=8\times {10}^{-8} {\text{м}}^{\text{3}}\text{/Дж}$. Отсюда можно определить величину ${\epsilon }_S$. Она равна ${\epsilon }_S=3 кДж{\text{/м}}^{\text{2}}$ при a = 0.3 мм (см. ниже информацию о значениях a). Удельная объёмная энергия разрушения равна ${\epsilon }_V=3.75\times {10}^7{\text{ Дж/м}}^{\text{3}}$. Отсюда, ударная прочность льда, согласно (5) и (6), имеет значение $\sigma =1.9\times {10}^7Па$. Полученное значение прочности близко к значениям прочности, измеренным методом ударного разрушения в работе (Шавлов и др., 2007).

Используем формулу (4) для интерпретации изложенных выше экспериментальных данных.

Увеличение диаметров лунок с увеличением температуры льда (см. рис. 2) при неизменных значениях R и W может осуществляться за счёт увеличения величины $\frac{a}{{\epsilon }_S}$, согласно (4). Так как пластичность льда увеличивается с ростом температуры (Богородский, 1980), то величина удельной поверхностной энергии образования трещины ε_S должна расти. Поэтому для того, чтобы размер лунки увеличивался с температурой, необходимо, чтобы размер осколков a увеличивался быстрее, чем величина ε_S. По-видимому, это возможно вследствие того, что из-за увеличения ε_S при повышении температуры уменьшается количество микротрещин, способных к росту (Irwin, 1968; Штремель, 1997). В результате, размер осколков будет увеличиваться.

Увеличение диаметра лунок с увеличением толщины верхнего слоя льда при послойном намораживании (см. рис. 3) можно объяснить тем, что чем больше толщина слоя льда, тем ниже скорость его кристаллизации (при фиксированной скорости отвода тепла), тем меньше в нём содержится дислокаций и микротрещин и тем больше размер осколков, на которые разрушается лёд. При этом, величина ε_S, предположительно, не зависит от толщины слоя льда при послойном намораживании.

Обсудим далее влияние отжига на диаметр лунок. При температуре отжига –1.5 °C диаметр лунок уменьшается с увеличением времени отжига, см. рис. 4, а. Отжиг льда, как было показано в работе (Шавлов, 1996), приводит к снижению пластичности льда. Поэтому при увеличении времени отжига величина ${\epsilon }_S$ уменьшается из-за снижения вклада пластической деформации в данную величину. С уменьшением ${\epsilon }_S$ большее количество микротрещин может начать рост под действием нагрузки, поэтому размер a осколков будет уменьшаться при увеличении времени отжига. Темп снижения размера a должен опережать темп снижения ε_S. Тогда диаметр лунок будет уменьшаться с отжигом, а прочность льда увеличиваться. При уменьшении диаметра лунок на 20% прочность увеличивается на 80%.

При температуре отжига вблизи точки плавления, 0 °C, диаметр лунок проходит через минимум и затем увеличивается на 10–20% по мере увеличения времени отжига, (см. рис. 4, б). Рост диаметров лунок при больших длительностях отжига можно объяснить тем, что при температуре вблизи точки плавления, по-видимому, становятся существенными процессы рекристаллизации льда. Процессы рекристаллизации, по-видимому, неизбежны, так как лёд при отжиге подплавлялся. Эти процессы могли приводить к «залечиванию» решётки льда, снижению плотности дислокаций и микротрещин и, в результате, к увеличению размера осколков a льда. Поэтому диаметр лунок увеличивался. Снижение ε_S по мере отжига льда также способствует увеличению диаметра лунок. Увеличение диаметров лунок обусловлено снижением прочности льда.

Увеличение размера осколков по мере отжига льда при 0 °C подтверждает график экспериментальной зависимости распределения осколков льда по размерам (рис. 6), полученный при длительностях отжига 2 (кривая 1) и 6 часов (кривая 2) для образца( см. рис. 4, б). При этом средний диаметр лунок увеличивается от 8 до 10 мм, а характерный размер осколков – от 0.24 до 0.58 мм, соответственно. Кривые 1 и 2 (см. рис. 6), были получены путем подсчёта количества ∂N осколков, попадающих в интервал размеров [a, a+∂a], (полагали ∂a = 0.02 мм), и двухкратным плавающим усреднением по трём точкам. Измерениям размеров подвергались осколки льда, выброшенные из лунок во время ударов шаром. Относительная погрешность измерений не превышала 10%.

 

Рис. 6. Функция распределения осколков льда ∂N/∂a по размерам a. (1) – при среднем диаметре лунок 8 мм после 2-часового отжига, (2) – 10 мм после 6-часового отжига

Fig 6. Distribution function of ice fragments ∂N/∂a by size a. (1) – with an average hole diameter of 8 mm after 2-hour annealing, (2) – 10 mm after 6-hour annealing

 

По всей вероятности, размер осколков по порядку величины совпадает с размером монокристаллических зёрен использованного в опытах льда. Исследование структурно-текстурных особенностей льда и корреляции размеров монокристаллических зёрен с размерами осколков ударного разрушения льда – тема будущих исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе была реализована экспериментальная методика ударного разрушения льда для изучения его удельной энергии разрушения и прочности при различных условиях отжига. Лёд получали путём послойного замораживания слоёв дистиллированной воды. Лёд имел поликристаллическую структуру с размером зерна в несколько долей миллиметра, судя по его способности разрушаться на субмиллиметровые осколки под действием ударной нагрузки. Было показано, что образцы льда можно длительное время (в течение нескольких суток) хранить при температуре –18 °C без изменения физических характеристик. Отжиг льда свыше 5 часов при температуре –1.5 °C приводил к уменьшению диаметра лунок от ударов шара на 20% и увеличению прочности льда на 80%. Многочасовой отжиг при температуре около 0 °C приводил к противоположным результатам: диаметр лунок увеличивался на 10–20%, а прочность снижалась. Увеличение прочности льда при температуре отжига –1.5 °C было объяснено уменьшением удельной поверхностной энергии образования трещин и уменьшением размера осколков, на которые разрушается лёд. Снижение прочности при температуре отжига 0 °C объяснено процессами рекристаллизации льда, вследствие которых снижается плотность микротрещин в решётке льда и увеличивается размер осколков. Увеличение размеров осколков при отжиге при 0 °C подтверждено экспериментально. Таким образом, отжиг способен заметно влиять на прочность. Для упрочнения льда температура отжига должна быть высокой, но не слишком близкой к точке плавления для того, чтобы исключить рекристаллизацию, влекущую разупрочнение материала, например, около –1 °C.

Резюмируем, что термообработка является перспективным методом увеличения прочности льда. Очевидны перспективы возможного применения отжига для упрочнения морского льда и льдокомпозитных материалов.

Благодарности. Работа выполнена в рамках госзадания FWRZ-2021-0007.

Acknowledgments. The work was carried out within the framework of state assignment FWRZ-2021-0007.

About the authors

V. A. Dzhumandzhi

Institute of the Earth’s Cryosphere Tyumen Scientific Center SB RAS

Author for correspondence.
Email: shavlov@ikz.ru
Russian Federation, Tyumen

A. V. Shavlov

Institute of the Earth’s Cryosphere Tyumen Scientific Center SB RAS

Email: shavlov@ikz.ru
Russian Federation, Tyumen

I. V. Sokolov

Institute of the Earth’s Cryosphere Tyumen Scientific Center SB RAS

Email: shavlov@ikz.ru
Russian Federation, Tyumen

E. S. Yakovenko

Institute of the Earth’s Cryosphere Tyumen Scientific Center SB RAS

Email: shavlov@ikz.ru
Russian Federation, Tyumen

References

Supplementary files